Διαδραστική γεννήτρια φύλλων λέιζερ με Arduino: 11 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Τα λέιζερ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία απίστευτων οπτικών εφέ. Σε αυτό το έργο, κατασκεύασα ένα νέο τύπο οθόνης λέιζερ που είναι διαδραστικό και παίζει μουσική. Η συσκευή περιστρέφει δύο λέιζερ για να σχηματίσει δύο φύλλα φωτός που μοιάζουν με δίνη. Έχω συμπεριλάβει αισθητήρες απόστασης στη συσκευή, έτσι ώστε τα φύλλα λέιζερ να μπορούν να χειριστούν μετακινώντας το χέρι σας προς το μέρος τους. Καθώς το άτομο αλληλεπιδρά με τους αισθητήρες, η συσκευή παίζει επίσης μουσική μέσω εξόδου MIDI. Ενσωματώνει ιδέες από άρπες λέιζερ, δίνες λέιζερ και οθόνες POV.

Το όργανο ελέγχεται με ένα Arduino Mega που λαμβάνει τις εισόδους των αισθητήρων υπερήχων και εξάγει τον τύπο του φύλλου λέιζερ που σχηματίζεται και τη μουσική που παράγεται. Λόγω των πολλών βαθμών ελευθερίας των περιστρεφόμενων λέιζερ, υπάρχουν τόνοι διαφορετικών σχεδίων φύλλων λέιζερ που μπορούν να δημιουργηθούν.

Έκανα προκαταρκτική καταιγίδα ιδεών για το έργο με μια νέα ομάδα τέχνης/τεχνολογίας στο Σεντ Λούις που ονομάζεται Dodo Flock. Ο Emre Sarbek πραγματοποίησε επίσης μερικές αρχικές δοκιμές στους αισθητήρες που χρησιμοποιήθηκαν για την ανίχνευση κίνησης κοντά στη συσκευή.

Εάν κατασκευάζετε μια συσκευή φύλλων λέιζερ, θυμηθείτε να χρησιμοποιείτε ασφαλή λέιζερ και περιστρεφόμενους δίσκους.

Ενημέρωση 2020: Συνειδητοποίησα ότι η επιφάνεια που δημιουργήθηκε με τα λέιζερ είναι υπερβολικό.

Βήμα 1: Λίστα προμηθειών

Υλικά

Λέιζερ -

Κινητήρας χωρίς ψήκτρες -

Ηλεκτρονικός ελεγκτής ταχύτητας -

Servo μοτέρ -

Τρανζίστορ

Κόντρα πλακέ

Πλεξιγκλάς

Αισθητήρες υπερήχων

Slipring -

Λευκά LED -

Μετατροπείς Buck

Σύρμα περιτυλίγματος σύρματος

Υποδοχή MIDI

Ποτενσιόμετρο και πόμολα -

Υλικό - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. com/gp/product/B06XQMBDMX/ref = o…

Αντιστάσεις

Καλώδια σύνδεσης JST -

Διακόπτης τροφοδοσίας AC

Τροφοδοσία 12V -

Ξυλόκολλα

υπερκόλλα

Βίδες ξύλου

Καλώδιο επέκτασης USB -

Εργαλεία:

Συγκολλητικό σίδερο

Συρματοκόπτης

Jig είδε

Κυκλικό πριόνι

Μικρόμετρο

Ηλεκτρικό τρυπάνι

Βήμα 2: Επισκόπηση και σχηματική

Μια ακτίνα λέιζερ δημιουργεί μια καλά συγκεντρωμένη (δηλ. Στενή) δέσμη φωτός, οπότε ένας τρόπος για την παραγωγή ενός φύλλου φωτός είναι η γρήγορη μετακίνηση της δέσμης σε κάποιο μοτίβο. Για παράδειγμα, για να δημιουργήσετε ένα κυλινδρικό φύλλο φωτός, θα περιστρέψετε ένα λέιζερ γύρω από έναν άξονα παράλληλο προς την κατεύθυνση που δείχνει. Για να μετακινήσετε γρήγορα ένα λέιζερ, μπορείτε να συνδέσετε ένα λέιζερ σε μια ξύλινη σανίδα προσαρτημένη σε έναν κινητήρα DC χωρίς ψήκτρες. Μόνο με αυτό, μπορείτε να δημιουργήσετε δροσερές κυλινδρικές δίνες λέιζερ!

Άλλα έργα δίνης λέιζερ το επιτυγχάνουν με την τοποθέτηση ενός κεκλιμένου καθρέφτη στον άξονα περιστροφής με ένα ακίνητο λέιζερ κατευθυνόμενο στον καθρέφτη. Αυτό δημιουργεί έναν κώνο φύλλου λέιζερ. Ωστόσο, με αυτόν τον σχεδιασμό, όλα τα φύλλα λέιζερ θα φαίνεται ότι προέρχονται από μία μόνο προέλευση. Εάν τα λέιζερ είναι τοποθετημένα εκτός άξονα όπως με το σχέδιο που έχτισα, μπορείτε να δημιουργήσετε συγκλίνοντα φύλλα λέιζερ, όπως το σχήμα της κλεψύδρας που φαίνεται στο βίντεο.

Τι γίνεται όμως αν θέλετε τα φύλλα φωτισμού να είναι δυναμικά και διαδραστικά; Για να το πετύχω αυτό, τοποθέτησα δύο λέιζερ σε σερβο και στη συνέχεια στερέωσα τα σερβο στην ξύλινη σανίδα. Τώρα τα servos μπορούν να προσαρμόσουν τη γωνία του λέιζερ σε σχέση με τον άξονα περιστροφής του κινητήρα. Έχοντας δύο λέιζερ σε δύο διαφορετικά servos, μπορείτε να δημιουργήσετε δύο διαφορετικά φύλλα φωτισμού με τη συσκευή.

Για να ελέγξω την ταχύτητα του μοτέρ DC, ένωσα ένα ποτενσιόμετρο σε ένα Arduino που παίρνει την είσοδο του ποτενομέτρου και εξάγει ένα σήμα στον ηλεκτρικό ελεγκτή ταχύτητας (ESC). Το ESC στη συνέχεια ελέγχει την ταχύτητα του κινητήρα (μάλλον κατάλληλο όνομα, ναι), ανάλογα με την αντίσταση του ποτενσιόμετρου.

Η κατάσταση ενεργοποίησης/απενεργοποίησης του λέιζερ ελέγχεται συνδέοντάς τα με τον πομπό ενός τρανζίστορ που λειτουργεί σε κορεσμό (δηλαδή λειτουργεί ως ηλεκτρικός διακόπτης). Ένα σήμα ελέγχου αποστέλλεται στη βάση του τρανζίστορ το οποίο ελέγχει το ρεύμα μέσω του λέιζερ. Εδώ είναι μια πηγή για τον έλεγχο ενός φορτίου με ένα τρανζίστορ με ένα arduino:

Η θέση servos ελέγχεται επίσης με το Arduino. Καθώς η σανίδα περιστρέφεται, το φύλλο φωτισμού μπορεί να χειριστεί αλλάζοντας τη θέση σερβο. Χωρίς καμία είσοδο χρήστη, αυτό από μόνο του μπορεί να δημιουργήσει δυναμικά φωτεινά φύλλα που είναι μαγευτικά. Υπάρχουν επίσης αισθητήρες υπερήχων τοποθετημένοι στην άκρη της συσκευής, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για να προσδιορίσουν εάν κάποιος βάζει το χέρι του κοντά στα φωτιστικά. Αυτή η είσοδος χρησιμοποιείται στη συνέχεια είτε για να μετακινήσετε τα λέιζερ για να δημιουργήσετε νέα φύλλα φωτός είτε για να δημιουργήσετε ένα σήμα MIDI. Μια υποδοχή MIDI είναι συνδεδεμένη για τη μετάδοση του σήματος MIDI σε μια συσκευή αναπαραγωγής MIDI.

Βήμα 3: Έλεγχος κινητήρα χωρίς ψήκτρες με Arduino

Για να δημιουργήσετε φύλλα φωτός που μοιάζουν με δίνη, πρέπει να περιστρέψετε τη δέσμη λέιζερ. Για να το πετύχω αυτό, αποφάσισα να δοκιμάσω να χρησιμοποιήσω έναν κινητήρα DC χωρίς ψήκτρες. Έμαθα ότι αυτοί οι τύποι κινητήρων είναι πραγματικά δημοφιλείς στα μοντέλα αεροπλάνων και drones, οπότε σκέφτηκα ότι θα ήταν αρκετά εύκολο στη χρήση. Έπεσα σε μερικά εμπόδια στην πορεία, αλλά συνολικά είμαι ευχαριστημένος με το πώς λειτουργεί ο κινητήρας για το έργο.

Πρώτον, ο κινητήρας πρέπει να τοποθετηθεί. Σχεδίασα κατά παραγγελία ένα μέρος για να συγκρατεί τον κινητήρα και να το συνδέω σε μια πλακέτα που κρατά τη συσκευή. Αφού ο κινητήρας ήταν ασφαλής, ένωσα τον κινητήρα στο ESC. Από ό, τι διάβασα, ακούγεται πολύ δύσκολο να χρησιμοποιείς κινητήρα χωρίς ψήκτρες χωρίς αυτόν. Για να γυρίσει ο κινητήρας, χρησιμοποίησα ένα Arduino Mega. Αρχικά, δεν μπόρεσα να περιστρέψω τον κινητήρα επειδή συνδέω απλώς το σήμα ελέγχου σε 5V ή γείωση, χωρίς να ορίσω σωστά μια βασική τιμή ή να βαθμονομήσω το ESC. Ακολούθησα ένα σεμινάριο Arduino με ποτενσιόμετρο και σερβοκινητήρα, και αυτό έκανε τον κινητήρα να γυρίζει! Εδώ είναι ένας σύνδεσμος για το σεμινάριο:

Τα καλώδια ESC μπορούν πραγματικά να συνδεθούν με οποιονδήποτε τρόπο στον κινητήρα χωρίς ψήκτρες. Θα χρειαστείτε μερικές θηλυκές υποδοχές βύσματος μπανάνας. Τα παχύτερα κόκκινα και μαύρα καλώδια στο ESC συνδέονται με τροφοδοτικό DC στα 12V και τα ασπρόμαυρα καλώδια στον σύνδεσμο ελέγχου του ESC συνδέονται με τη γείωση και έναν πείρο ελέγχου στο Arduino, αντίστοιχα. Δείτε αυτό το βίντεο για να μάθετε πώς μπορείτε να βαθμονομήσετε το ESC:

Βήμα 4: Κατασκευή του πλαισίου φύλλων λέιζερ

Αφού περιστρέψετε τον κινητήρα, ήρθε η ώρα να δημιουργήσετε το πλαίσιο του ελαφρού φύλλου. Έκοψα ένα κομμάτι κόντρα πλακέ χρησιμοποιώντας ένα μηχάνημα CNC, αλλά μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε ένα πριόνι. Το κόντρα πλακέ κρατά τους αισθητήρες υπερήχων και έχει μια τρύπα για να χωρέσει ένα κομμάτι πλεξιγκλάς. Το πλεξιγκλάς πρέπει να στερεωθεί στο ξύλο χρησιμοποιώντας εποξικό. Ανοίγονται τρύπες για να χωρέσει ο δακτύλιος ολίσθησης.

Ένα άλλο κυκλικό φύλλο κόντρα πλακέ κόβεται στη συνέχεια για να συγκρατήσει τον κινητήρα χωρίς ψήκτρες. Σε αυτό το φύλλο ξύλου, ανοίγονται τρύπες έτσι ώστε να μπορούν να περάσουν σύρματα αργότερα στην κατασκευή. Αφού στερεώσετε τη βάση του κινητήρα και τις οπές διάτρησης, τα δύο φύλλα κόντρα πλακέ συνδέονται με σανίδες 1x3 κομμένες σε μήκος περίπου 15 εκατοστά και μεταλλικά στηρίγματα. Στη φωτογραφία, μπορείτε να δείτε πώς βρίσκεται το πλεξιγκλάς πάνω από τον κινητήρα και τα λέιζερ.

Βήμα 5: Συναρμολόγηση λέιζερ και σερβοκινητήρα

Τα μεταβλητά φύλλα φωτός δημιουργούνται με κίνηση λέιζερ σε σχέση με τον άξονα περιστροφής. Σχεδίασα και εκτύπωσα 3d μια βάση που συνδέει ένα λέιζερ σε ένα σερβο και μια βάση που συνδέει το σερβο με την περιστρεφόμενη σανίδα. Συνδέστε πρώτα το σερβο στη βάση στήριξης χρησιμοποιώντας δύο βίδες M2. Στη συνέχεια, σύρετε ένα παξιμάδι Μ2 στη βάση λέιζερ και σφίξτε μια βίδα ρύθμισης για να διατηρήσετε το λέιζερ στη θέση του. Πριν συνδέσετε το λέιζερ στο σερβο, πρέπει να βεβαιωθείτε ότι το σερβο στρέφεται στην κεντρική θέση λειτουργίας του. Χρησιμοποιώντας το σερβο σεμιναρίου, κατευθύνετε το σερβο σε 90 βαθμούς. Στη συνέχεια, τοποθετήστε το λέιζερ όπως φαίνεται στην εικόνα χρησιμοποιώντας μια βίδα. Έπρεπε επίσης να προσθέσω μια κόλλα κόλλας για να διασφαλίσω ότι το λέιζερ δεν μετατοπίστηκε ακούσια.

Χρησιμοποίησα έναν κόφτη λέιζερ για να δημιουργήσω την σανίδα, η οποία έχει διαστάσεις περίπου 3cm x 20cm. Το μέγιστο μέγεθος του φωτιστικού θα εξαρτηθεί από το μέγεθος της ξύλινης σανίδας. Στη συνέχεια, άνοιξε μια τρύπα στο κέντρο της σανίδας έτσι ώστε να ταιριάζει στον άξονα του κινητήρα χωρίς ψήκτρες.

Στη συνέχεια, κόλλησα το συγκρότημα λέιζερ-σερβο στη σανίδα έτσι ώστε τα λέιζερ να είναι κεντραρισμένα. Βεβαιωθείτε ότι όλα τα στοιχεία της σανίδας είναι ισορροπημένα ως προς τον άξονα περιστροφής της σανίδας. Συγκολλήστε συνδετήρες JST με τα λέιζερ και τα σερβο καλώδια, ώστε να μπορούν να συνδεθούν με την ολίσθηση στο επόμενο βήμα.

Τέλος, στερεώστε τη σανίδα με προσαρτημένα συγκροτήματα σερβο-λέιζερ στον κινητήρα χωρίς ψήκτρες με ένα πλυντήριο και παξιμάδι. Σε αυτό το σημείο, δοκιμάστε τον κινητήρα χωρίς ψήκτρες για να βεβαιωθείτε ότι η σανίδα μπορεί να γυρίσει. Προσέξτε να μην οδηγήσετε τον κινητήρα πολύ γρήγορα ή μην βάλετε το χέρι σας στο μονοπάτι της περιστροφής της σανίδας.

Βήμα 6: Εγκατάσταση του Slipring

Πώς εμποδίζετε τα καλώδια να μπερδευτούν καθώς τα ηλεκτρονικά περιστρέφονται; Ένας τρόπος είναι να χρησιμοποιήσετε μια μπαταρία για τροφοδοτικό και να τη συνδέσετε στο συγκρότημα περιστροφής, όπως σε αυτό το οδηγό POV. Ένας άλλος τρόπος είναι να χρησιμοποιήσετε slipring! Αν δεν έχετε ακούσει για σφεντόνα ή έχετε χρησιμοποιήσει πριν, δείτε αυτό το υπέροχο βίντεο που δείχνει πώς λειτουργεί.

Πρώτα, συνδέστε τα άλλα άκρα των συνδετήρων JST στο ολισθητήρα. Δεν θέλετε τα καλώδια να είναι πολύ μακριά επειδή υπάρχει πιθανότητα να πιαστούν σε κάτι όταν η σανίδα περιστρέφεται. Τοποθέτησα το ολισθητήρα στο πλεξιγκλάς πάνω από το μοτέρ χωρίς ψήκτρες που τρυπούσε σε τρύπες για βίδες. Προσέξτε να μην σπάσετε το πλεξιγκλάς κατά τη διάτρηση. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε έναν κόφτη λέιζερ για να έχετε πιο ακριβείς οπές. Μόλις στερεωθεί το slipring, συνδέστε τους συνδετήρες.

Σε αυτό το σημείο, μπορείτε να συνδέσετε τα καλώδια ολίσθησης σε ακίδες ενός Arduino για να κάνετε κάποιες προκαταρκτικές δοκιμές με τη γεννήτρια φύλλων λέιζερ.

Βήμα 7: Συγκόλληση των ηλεκτρονικών

Έκοψα έναν πρωτότυπο πίνακα για να συνδέσω όλα τα ηλεκτρονικά. Επειδή χρησιμοποίησα τροφοδοτικό 12V, πρέπει να χρησιμοποιήσω δύο μετατροπείς dc-dc: 5V για λέιζερ, σερβο, ποτενσιόμετρο και υποδοχή MIDI και 9V για το Arduino. Όλα συνδέθηκαν όπως φαίνεται στο διάγραμμα είτε με συγκόλληση είτε με περιτύλιγμα σύρματος. Ο πίνακας στη συνέχεια συνδέθηκε με ένα τρισδιάστατο τυπωμένο τμήμα χρησιμοποιώντας αναμονές PCD.

Βήμα 8: Κατασκευή του κιβωτίου ηλεκτρονικών συσκευών

Όλα τα ηλεκτρονικά είναι τοποθετημένα σε ξύλινο κουτί. Έκοψα ξυλεία 1x3 για τις πλευρές του κουτιού και έκοψα ένα μεγάλο άνοιγμα στη μία πλευρά, ώστε να περάσουν τα καλώδια σε έναν πίνακα ελέγχου. Οι πλευρές συνδέονταν χρησιμοποιώντας μικρά τεμάχια ξύλου, κόλλα ξύλου και βίδες. Αφού στεγνώσει η κόλλα, τρίψα τις πλευρές του κουτιού για να εξομαλύνω όλες τις ατέλειες του κουτιού. Στη συνέχεια έκοψα λεπτό ξύλο για το μπροστινό, το πίσω και το κάτω μέρος του κουτιού. Το κάτω μέρος ήταν καρφωμένο στα πλάγια και το μπροστινό και το πίσω μέρος ήταν κολλημένα στο κουτί. Τέλος, μέτρησα και έκοψα τρύπες στις διαστάσεις των εξαρτημάτων στον μπροστινό πίνακα του κουτιού: την υποδοχή καλωδίου τροφοδοσίας, την υποδοχή usb, την υποδοχή MIDI και το ποτενσιόμετρο.

Βήμα 9: Εγκατάσταση ηλεκτρονικών στο κουτί

Συνδέω το τροφοδοτικό στο κουτί χρησιμοποιώντας βίδες, το Arduino χρησιμοποιώντας προσαρμοσμένη βάση στήριξης και την πλακέτα κυκλώματος που δημιουργήθηκε στο Βήμα 7. Το ποτενσιόμετρο και η υποδοχή MIDI συνδέθηκαν πρώτα με την πλακέτα κυκλώματος χρησιμοποιώντας σύρμα περιτύλιξης σύρματος και στη συνέχεια κολλήθηκαν στο πρόσοψη. Η υποδοχή εναλλασσόμενου ρεύματος συνδέθηκε στο τροφοδοτικό και η έξοδος συνεχούς ρεύματος του τροφοδοτικού συνδέθηκε με τις εισόδους των μετατροπέων Buck και των καλωδίων που συνδέονται με τον κινητήρα χωρίς ψήκτρες. Ο κινητήρας, το σερβο και τα καλώδια λέιζερ περνούν στη συνέχεια από μια τρύπα στο κόντρα πλακέ μέχρι το κουτί των ηλεκτρονικών. Πριν ασχοληθώ με τους αισθητήρες υπερήχων, δοκίμασα τα εξαρτήματα ξεχωριστά για να βεβαιωθώ ότι όλα ήταν καλωδιωμένα σωστά.

Αγόρασα αρχικά μια πρίζα εναλλασσόμενου ρεύματος, αλλά διάβασα μερικές πολύ κακές κριτικές για την τήξη του, οπότε είχα λάθος μέγεθος οπών στον μπροστινό πίνακα. Ως εκ τούτου, σχεδίασα και εκτύπωσα τρισδιάστατα προσαρμογείς γρύλων για να ταιριάζουν με το μέγεθος των οπών που έκοψα.

Βήμα 10: Συναρμολόγηση και καλωδίωση των αισθητήρων υπερήχων

Σε αυτό το σημείο, τα λέιζερ, τα servos, ο κινητήρας χωρίς ψήκτρες και η υποδοχή MIDI είναι όλα συνδεδεμένα και μπορούν να ελεγχθούν από το Arduino. Το τελευταίο βήμα υλικού είναι η σύνδεση των αισθητήρων υπερήχων. Σχεδίασα και εκτύπωσα τρισδιάστατα έναν αισθητήρα υπερήχων. Στη συνέχεια, ένωσα και ένωσα ομοιόμορφα τα συγκροτήματα αισθητήρων υπερήχων στο επάνω φύλλο κόντρα πλακέ της γεννήτριας φύλλου φωτός. Το σύρμα περιτύλιξης καλωδίων έπεσε στο κιβώτιο ηλεκτρονικών με τρύπες στο φύλλο κόντρα πλακέ. Συνδέω το περιτύλιγμα σύρματος στις κατάλληλες ακίδες του Arduino.

Απογοητεύτηκα λίγο με την απόδοση του αισθητήρα υπερήχων. Λειτούργησαν αρκετά καλά για αποστάσεις μεταξύ 1cm - 30cm, αλλά η μέτρηση της απόστασης είναι πολύ θορυβώδης εκτός αυτού του εύρους. Για να βελτιώσω την αναλογία σήματος προς θόρυβο, προσπάθησα να κάνω τον διάμεσο ή τον μέσο όρο αρκετών μετρήσεων. Ωστόσο, το σήμα εξακολουθούσε να μην είναι αρκετά αξιόπιστο, οπότε κατέληξα να ρυθμίζω το όριο για να παίξω μια νότα ή να αλλάξω το φύλλο λέιζερ στα 25 εκατοστά.

Βήμα 11: Προγραμματισμός του Dynamic Laser Vortex

Αφού ολοκληρωθούν όλες οι καλωδιώσεις και η συναρμολόγηση, ήρθε η ώρα να προγραμματίσετε τη συσκευή λαμαρίνας! Υπάρχουν πολλές δυνατότητες, αλλά η γενική ιδέα είναι να λάβετε τις εισόδους των αισθητήρων υπερήχων και να στείλετε σήματα για MIDI και τον έλεγχο των λέιζερ και των σερβομηχανών. Σε όλα τα προγράμματα, η περιστροφή της σανίδας ελέγχεται περιστρέφοντας το κουμπί του ποτενσιόμετρου.

Θα χρειαστείτε δύο βιβλιοθήκες: NewPing και MIDI

Επισυνάπτεται ο πλήρης κωδικός Arduino.

Δεύτερο Βραβείο στο Invention Challenge 2017