Σύστημα χρονισμού βασισμένο σε λέιζερ Arduino: 6 βήματα (με εικόνες)

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

Στο πλαίσιο της διδασκαλίας μου, χρειαζόμουν ένα σύστημα για να μετρήσω με ακρίβεια πόσο γρήγορα ένα μοντέλο οχήματος διένυσε 10 μέτρα. Αρχικά, σκέφτηκα ότι θα αγόραζα ένα φθηνό έτοιμο σύστημα από το eBay ή το Aliexpress, αυτά τα συστήματα είναι κοινώς γνωστά ως φωτεινές πύλες, πύλες φωτογραφιών ή παρόμοια. Αποδείχθηκε ότι τα προκατασκευασμένα συστήματα χρονισμού πύλης είναι στην πραγματικότητα αρκετά ακριβά, έτσι αποφάσισα να φτιάξω το δικό μου.

Η λειτουργία ενός συστήματος χρονισμού πύλης είναι αρκετά απλή. Κάθε πύλη φωτός αποτελείται από μια μονάδα λέιζερ στη μία πλευρά, αυτή προβάλλει ένα σημείο λέιζερ σε μια εξαρτώμενη από το φως μονάδα αντίστασης (LDR) στην άλλη πλευρά. Μετρώντας την έξοδο του LDR, το σύστημα μπορεί να ανιχνεύσει πότε έχει σπάσει η δέσμη λέιζερ. Χρησιμοποιώντας δύο από αυτές τις πύλες, το σύστημα ξεκινά το χρονόμετρο όταν σπάσει η πρώτη δέσμη και σταματά το χρονόμετρο όταν αντιληφθεί ότι η δεύτερη δέσμη έχει σπάσει. Ο προκύπτων χρόνος εγγραφής εμφανίζεται στην οθόνη LCD.

Η δημιουργία ενός συστήματος όπως αυτό με τους μαθητές είναι μια μεγάλη εισαγωγή στην κωδικοποίηση, είναι επίσης ένας πραγματικά χρήσιμος πόρος στην τάξη μόλις τελειώσει. Αυτός ο τύπος συστήματος είναι ιδανικός για δραστηριότητες STEM και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μετρήσει πόσο γρήγορα πράγματα, όπως αυτοκίνητα από λαστιχάκια, αυτοκίνητα με ποντικοπαγίδες ή αυτοκίνητα ντέρμπι από ξύλο πεύκου, περνούν μια καθορισμένη απόσταση.

Αποποίηση ευθυνών: Η λύση που παρουσιάζεται εδώ δεν είναι καθόλου βέλτιστη. Γνωρίζω ότι ορισμένα πράγματα θα μπορούσαν να είναι πολύ καλύτερα ή πιο αποτελεσματικά. Αυτό το έργο αρχικά συντάχθηκε σε μια πολύ αυστηρή προθεσμία και λειτούργησε απόλυτα για τον επιδιωκόμενο σκοπό. Έχω σχέδια να κυκλοφορήσω τόσο την έκδοση 2 όσο και την έκδοση 3 αυτού του συστήματος με βελτιώσεις, δείτε το τελευταίο βήμα του οδηγού. Η εφαρμογή του κυκλώματος και του κώδικα γίνεται με δική σας ευθύνη.

Προμήθειες

• Arduino R3 (ή συμβατή πλακέτα) - 4,50 λίρες
• Πρωτόπλαστο φτερό φτερού Adafruit - Ένα μικρό τμήμα οποιουδήποτε τύπου πρωτοπόρ είναι επίσης καλό - 1 £
• Ασπίδα πληκτρολογίου LCD - Βεβαιωθείτε ότι αυτό είναι κατασκευασμένο για να ταιριάζει με την έκδοση του arduino που έχετε - 5 £
• 2 x μονάδα φωτοεξαρτώμενης αντίστασης (LDR) - Η αναζήτηση στο ebay για "arduino LDR" πρέπει να εμφανίζει πολλές επιλογές - 2,30 each το καθένα
• 2 x μονάδα λέιζερ - Η αναζήτηση στο ebay για "arduino laser" πρέπει να εμφανίζει πολλές επιλογές. Βεβαιωθείτε ότι η ισχύς του λέιζερ δεν είναι μεγαλύτερη από 5mW. - 2,25 λίρες για τρία
• 4 x Μικρό τρίποδο - 3,50 £ το καθένα
• 4x 1/4 ίντσας παξιμάδι - Για να χωρέσει ένα τυπικό νήμα τρίποδου - £ 2
• Διαφανές ακρυλικό για θήκη Arduino £ 3
• Μ3 παξιμάδια και μπουλόνια - £ 2
• Πλαστικές αντιδράσεις PCD - Σετ από αυτά μπορεί να τα βρείτε αρκετά φθηνά στο Ebay. - 6,80 λίρες
• 4 x 3D εκτυπωμένα περιβλήματα - Το κόστος του υλικού ήταν περίπου 5 £.
• Καλώδιο κορδέλας - 5 £

Το συνολικό κόστος ήταν περίπου £ 55, αυτό προϋποθέτει πρόσβαση τόσο σε κόφτη λέιζερ όσο και σε 3D εκτυπωτή. Το μεγαλύτερο μέρος του κόστους εδώ είναι για θήκες, παξιμάδια και μπουλόνια κλπ. Το πραγματικό κόστος των ηλεκτρονικών είναι μόνο £ 22, οπότε πιθανότατα υπάρχει χώρος για πολλή βελτιστοποίηση εδώ.

Βήμα 1: Πρόγραμμα Adrunio

Ανεβάστε τον παρακάτω κώδικα στο Arduino. Εάν δεν είστε εξοικειωμένοι με το πώς να το κάνετε αυτό, ελέγξτε αυτό το υπέροχο διδακτικό.

Η βασική λογική του κώδικα είναι η εξής:

1. Ενεργοποιήστε μονάδες λέιζερ και ελέγξτε ότι κάθε LDR μπορεί να "δει" τη δέσμη λέιζερ.
2. Περιμένετε έως ότου το LDR 1 εντοπίσει ένα σπάσιμο στη δέσμη λέιζερ, ξεκινήστε αμέσως το χρονόμετρο.
3. Περιμένετε έως ότου το LDR 2 εντοπίσει ένα σπάσιμο στη δέσμη λέιζερ, σταματήστε αμέσως το χρονόμετρο.
4. Εμφάνιση του χρόνου που προκύπτει στην οθόνη LCD σε χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Ο κώδικας έχει σχεδιαστεί μόνο για να χρονομετρήσει μία μόνο εκτέλεση, μόλις ο χρόνος από την οθόνη σημειωθεί κάτω από το κουμπί επαναφοράς στην ασπίδα που χρησιμοποιείται για επανεκκίνηση του προγράμματος.

ΣΥΝΔΕΣΜΟΣ ΤΟΥ ΚΩΔΙΚΟΥ ARDUINO

(FYI: Ο κώδικας φιλοξενείται στο create.arduino.cc και θα ήθελα πολύ να είχα ενσωματώσει τον κώδικα εδώ, αλλά ο επεξεργαστής Instructables δεν επιτρέπει στο ενσωματωμένο iframe να εμφανίζεται ή να λειτουργεί σωστά. Εάν κάποιος στο Instructables το διαβάζει, παρακαλώ εφαρμόστε αυτό ως χαρακτηριστικό στο μέλλον, ευχαριστώ)

Βήμα 2: Περιβλήματα τρισδιάστατης εκτύπωσης

Τα δομοστοιχεία λέιζερ και LDR πρέπει να συγκρατούνται για να διασφαλιστεί ότι δεν θα προκύψουν θραύσεις δέσμης ως αποτέλεσμα της μετακίνησης των μονάδων. Εκτυπώστε τρισδιάστατα τα περιβλήματα παρακάτω και βιδώστε τα δομοστοιχεία στη θέση τους, η μονάδα λέιζερ θα πρέπει να κρατηθεί στη θέση της με φερμουάρ, καθώς δεν έχει οπή μέσω μπουλονιού.

Βεβαιωθείτε ότι έχετε παγιδεύσει ένα παξιμάδι 1/4 ιντσών μέσα σε κάθε θήκη, αυτό θα χρησιμοποιηθεί αργότερα για να επιτρέψει σε αυτές τις θήκες να συνδεθούν με τα τρίποδα. Τα δύο μισά του περιβλήματος συγκρατούνται μαζί με παξιμάδια και μπουλόνια Μ3.

Βήμα 3: Θήκη Arduino Laser Cut

Κόψτε με λέιζερ τα παρακάτω αρχεία από το διαφανές ακρυλικό πάχους 4mm. Ευθυγραμμίστε το arduino R3 και το protoboard με τις τρύπες στα ακρυλικά κομμάτια και βιδώστε στη θέση τους. Βιδώστε το επάνω κομμάτι της θήκης προς τα κάτω, χρησιμοποιώντας τις αποστάσεις PCD ως αποστάτες.

Βήμα 4: Σύρμα στο κύκλωμα

Η ασπίδα LCD που χρησιμοποιείται σε αυτό το έργο εξηγείται λεπτομερώς σε αυτό το σπουδαίο διδακτικό. Η οθόνη LCD και τα κουμπιά εισόδου χρησιμοποιούν μερικούς από τους ακροδέκτες εισόδου/εξόδου του arduino, ωστόσο, για αυτόν τον λόγο όλα τα I/O για τις μονάδες λέιζερ και τα LDR χρησιμοποιούν μόνο τις ακίδες 1, 2, 12 και 13.

Απαιτούνται πολύ λίγα καλώδια, αλλά βεβαιωθείτε ότι το κύκλωμα είναι συνδεδεμένο όπως φαίνεται στο διάγραμμα. Πρόσθεσα μερικούς συνδετήρες τύπου JST στα καλώδια της μονάδας λέιζερ και LDR για να μου επιτρέψετε να αποσυναρμολογήσω και να αποθηκεύσω εύκολα ολόκληρη τη ρύθμιση.

Ναι, οι ακίδες arduino 1 και 2 τροφοδοτούν απευθείας τις μονάδες λέιζερ χωρίς αντίσταση γραμμής. Δεδομένου ότι οι μονάδες λέιζερ που επιλέχθηκαν έχουν σχεδιαστεί ειδικά για χρήση με arduino, αυτό δεν πρέπει να αποτελεί πρόβλημα. Οι μονάδες λέιζερ αντλούν μέγιστη ισχύ 5mW, αυτό σημαίνει ότι στην τάση τροφοδοσίας 5V του πείρου, η μονάδα θα πρέπει να αντλεί περίπου 1mA, δηλαδή πολύ κάτω από το όριο ~ 40mA για τροφοδοσία ρεύματος σε ακίδες εισόδου/εξόδου arduino.

Βήμα 5: Συναρμολόγηση και συντονισμός

Τέλος, είστε έτοιμοι να συγκεντρώσετε τα πάντα.

1. Τοποθετήστε τις θήκες των μονάδων LDR και Laser στα μικρά τρίποδα.
2. Τοποθετήστε τις μονάδες λέιζερ ώστε να λάμπουν απευθείας στον αισθητήρα LDR

Σε αυτό το στάδιο, θα χρειαστεί να ρυθμίσετε λίγο τα πράγματα. Οι μονάδες LDR εξάγουν ψηφιακό σήμα, υψηλό σήμα (5V) που υποδεικνύει ότι δεν ανιχνεύεται δέσμη λέιζερ, χαμηλό πρόσημο (0V) που υποδεικνύει ότι μπορεί να δει τη δέσμη λέιζερ. Το όριο έντασης φωτός στο οποίο η μονάδα αλλάζει από σήμα εξόδου 5V σε 0V (και αντίστροφα) ελέγχεται από ένα ποτενσιόμετρο στην πλακέτα LDR. Θα χρειαστεί να ρυθμίσετε το μετρητή ισχύος έτσι ώστε η μονάδα να αλλάζει μεταξύ εξόδου 0V και 5V όταν το περιμένετε.

Είτε ρυθμίστε σταδιακά το ποτενσιόμετρο μέχρι το σύστημα να λειτουργεί όπως αναμένεται, είτε χρησιμοποιήστε ένα πολύμετρο για να μετρήσετε την έξοδο της μονάδας LDR και να συντονίσετε όπως απαιτείται.

Βήμα 6: Λειτουργία και περαιτέρω εργασία

Θα πρέπει τώρα να είστε έτοιμοι να χρησιμοποιήσετε το σύστημα! Οι εικόνες δείχνουν τα στάδια λειτουργίας.

1. Πατήστε το κουμπί επιλογής για να αρχικοποιήσετε το σύστημα.
2. Ευθυγραμμίστε τα λέιζερ έτσι ώστε να λάμπουν απευθείας στον αισθητήρα LDR.
3. Το σύστημα είναι πλέον οπλισμένο. Ορίστε το μοντέλο του αυτοκινήτου σας.
4. Το σύστημα θα ξεκινήσει να χρονομετρείται μόλις σπάσει η πρώτη δέσμη λέιζερ.
5. Το σύστημα θα σταματήσει μόλις σπάσει η δεύτερη δέσμη λέιζερ.
6. Ο χρόνος σε χιλιοστά του δευτερολέπτου εμφανίζεται στη συνέχεια στην οθόνη.
7. Πατήστε το κουμπί επαναφοράς για να χρονομετρήσετε άλλη μια εκτέλεση.

Πιθανότατα θα δημιουργήσω μια έκδοση 2.0 αυτού του συστήματος, καθώς υπάρχουν κάποιες προφανείς βελτιώσεις που θα μπορούσαν να γίνουν:

1. Δεν υπάρχει ανάγκη τροφοδοσίας των μονάδων λέιζερ από το Arduino, θα μπορούσαν να τροφοδοτηθούν με μπαταρία και απλώς να ενεργοποιηθούν όταν χρειάζεται. Όταν σχεδίασα το σύστημα, η σύνδεση των μονάδων λέιζερ στο Arduino για τροφοδοσία φαινόταν ως η απλούστερη λύση, στην πράξη, αυτό οδηγεί σε μακρές διαδρομές καλωδίων που εμποδίζουν.
2. Οι φακοί συμπύκνωσης χρειάζονται πραγματικά στα περιβλήματα LDR. Η επένδυση της κουκκίδας λέιζερ ακριβώς με το κέντρο του (πολύ μικρού) αισθητήρα LDR είναι πολύ δύσκολη και μπορεί μερικές φορές να διαρκέσει αρκετά λεπτά, η χρήση ενός φακού συμπυκνωτή θα έδινε στο χρήστη έναν πολύ μεγαλύτερο στόχο να στοχεύσει με την κουκκίδα λέιζερ.

Επίσης, σκέφτομαι τώρα μια έκδοση 3.0 που είναι πλήρως ασύρματη και συνδέεται απλώς με το φορητό υπολογιστή μου μέσω Bluetooth, αυτό είναι ένα πολύ μεγαλύτερο έργο για άλλη μέρα, ωστόσο.

Επόμενοι στο διαγωνισμό STEM