Laserový časovací systém Arduino: 6 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

V rámci svojho vyučovania som potreboval systém na presné meranie rýchlosti modelu, ktorý vozidlo prešlo 10 metrov. Pôvodne som myslel, že si kúpim lacný hotový systém z eBay alebo Aliexpress, tieto systémy sú bežne známe ako svetelné brány, fotobrány alebo podobne. Ukázalo sa, že vopred pripravené systémy časovania svetelných brán sú v skutočnosti dosť drahé, a tak som sa rozhodol postaviť si vlastný.

Prevádzka systému časovania svetelných brán je veľmi jednoduchá. Každá svetelná brána sa na jednej strane skladá z laserového modulu, ktorý na druhej strane premieta laserový bod na svetlo závislý odporový modul (LDR). Meraním výstupu LDR môže systém zistiť, či bol laserový lúč zlomený. Použitím dvoch z týchto brán systém spustí časovač, keď je prerušený prvý lúč, a zastaví časovač, keď zistí, že bol prerušený druhý lúč. Výsledný zaznamenaný čas sa zobrazí na LCD obrazovke.

Vybudovanie systému, akým je tento, so študentmi je skvelým úvodom do kódovania. Po dokončení je to tiež skutočne užitočný zdroj v triede. Tento typ systému je vynikajúci pre činnosti STEM a dá sa použiť na meranie rýchlosti, ako napríklad autá s gumičkou, autá na pasce na myši alebo derby z borovicového dreva prejdú stanovenú vzdialenosť.

Disclaimer: Tu uvedené riešenie nie je ani zďaleka optimálne. Som si vedomý toho, že niektoré veci môžu byť oveľa lepšie alebo efektívnejšie. Tento projekt bol pôvodne zostavený vo veľmi krátkom termíne a na zamýšľaný účel fungoval úplne dobre. Mám v pláne vydať verziu 2 aj verziu 3 tohto systému s vylepšeniami, pozrite si posledný krok návodu. Implementácia obvodu a kódu je na vaše vlastné riziko.

Zásoby

• Arduino R3 (alebo kompatibilná doska) - 4,50 GBP
• Protoboard z peria Adafruit - Malá časť akéhokoľvek druhu protoboardu je tiež v poriadku - 1 £
• Štít klávesnice LCD - Zaistite, aby bol vhodný pre verziu arduina, ktorú máte - 5 GBP
• 2 x modul LDR (Light Dependent Resistor) - Hľadanie „arduino LDR“na ebayi by malo ukázať veľa možností - každý 2,30 GBP
• 2 x Laserový modul - Hľadanie „arduino lasera“na eBay by malo ukázať veľa možností. Zaistite, aby výkon lasera nebol väčší ako 5 mW. - 2,25 libry pre troch
• 4 x malý statív - každý 3,50 GBP
• Matica 4x 1/4 palca - pre štandardný statívový závit - 2 libry
• Priehľadný akryl pre puzdro Arduino 3 GBP
• Matice a skrutky M3 - 2 GBP
• Plastové medzery medzi PCD - ich súpravy je možné na Ebay kúpiť celkom lacno. - 6,80 GBP
• 4 x 3D tlačené prílohy - cena materiálu bola okolo 5 libier.
• Plochý kábel - 5 libier

Celkové náklady sa pohybovali okolo 55 libier, čo predpokladá prístup k laserovej rezačke aj k 3D tlačiarni. Väčšina nákladov tu je na puzdrá, matice a skrutky atď. Skutočné náklady na elektroniku sú iba 22 GBP, takže tu je pravdepodobne priestor na veľa optimalizácie.

Krok 1: Programujte Adrunio

Nahrajte nižšie uvedený kód do Arduina. Ak neviete, ako to urobiť, pozrite sa na tento skvelý návod.

Základná logika kódu je nasledovná:

1. Zapnite laserové moduly a skontrolujte, ako každý LDR laserový lúč „vidí“.
2. Počkajte, kým LDR 1 nezistí prerušenie laserového lúča, ihneď spustite časovač.
3. Počkajte, kým LDR 2 nezistí prerušenie laserového lúča, okamžite zastavte časovač.
4. Výsledný čas zobrazte na LCD obrazovke v milisekundách.

Kód je navrhnutý len na načasovanie jedného spustenia, akonáhle je čas z obrazovky zaznamenaný, na reštartovanie programu sa používa tlačidlo reset na štíte.

ODKAZ NA KÓD ARDUINO

(FYI: Kód je hostený na create.arduino.cc a bol by som rád, keby ste sem vložili kód, ale editor Instructables neumožňuje, aby sa vložený iframe zobrazoval alebo fungoval správne. Ak to číta niekto z Instructables, prosím implementujte to ako funkciu v budúcnosti, vďaka)

Krok 2: Prílohy pre 3D tlač

Laserové a LDR moduly je potrebné držať na mieste, aby sa zaistilo, že v dôsledku pohybu modulov nedôjde k žiadnym zlomom lúča. 3D vytlačte nižšie uvedené skrinky a pripevnite moduly na miesto, laserový modul bude potrebné držať na mieste pomocou zipsu, pretože nemá žiadny otvor na skrutku.

Uistite sa, že vnútri každého puzdra je zachytená 1/4 palcová matica, ktorá sa použije neskôr, aby sa tieto prípady dali pripojiť k statívom. Obe polovice krytu sú držané spolu s maticami a skrutkami M3.

Krok 3: Laserom vyrezané puzdro Arduino

Spodné pilníky laserom vyrežte zo 4 mm hrubého číreho akrylu. Zarovnajte arduino R3 a protoboard s otvormi na akrylových kusoch a zaskrutkujte na miesto. Zaskrutkujte horný diel puzdra k spodnej časti pomocou dištančných podložiek PCD ako rozperiek.

Krok 4: Zapojte obvod

Štít LCD použitý v tomto projekte je podrobne vysvetlený v tomto skvelom návode. LCD obrazovka a tlačidlá vstupu používajú niektoré z I/O pinov arduina, z tohto dôvodu všetky I/O pre laserové moduly a LDR používajú kolíky 1, 2, 12 a 13.

Je potrebných veľmi málo zapojenia, ale zaistite, aby bol obvod zapojený podľa schémy. Do vodičov laserového a LDR modulu som pridal niekoľko konektorov typu JST, ktoré mi umožnili jednoduchú demontáž a uloženie celého nastavenia.

Áno, arduino piny 1 a 2 napájajú laserové moduly priamo bez zabudovaného odporu. Pretože vybrané laserové moduly sú navrhnuté špeciálne na použitie s arduino, nemal by to byť problém. Laserové moduly odoberajú maximálny výkon 5 mW, to znamená, že pri napájacom napätí 5 V kolíka by modul mal čerpať okolo 1 mA, čo je hlboko pod hranicou ~ 40 mA pre prúdové napájanie na vstupných a výstupných kolíkoch arduino.

Krok 5: Zostavte a vylaďte

Nakoniec ste pripravení zostaviť všetko.

1. Namontujte puzdrá modulov LDR a Laser na malé statívy.
2. Laserové moduly umiestnite tak, aby svietili priamo na snímač LDR

V tejto fáze budete musieť veci trochu doladiť. Moduly LDR vydávajú digitálny signál, vysoký signál (5 V) naznačuje, že nie je detekovaný žiadny laserový lúč, nízky znak (0 V) naznačuje, že vidí laserový lúč. Prahová hodnota intenzity svetla, pri ktorej modul prechádza z výstupného signálu 5 V na 0 V (a naopak), je riadená potenciometrom na doske LDR. Potenciálny merač budete musieť nastaviť tak, aby modul prepínal medzi výstupom 0 V a 5 V, keď to očakávate.

Buď postupne upravujte potenciometer, kým systém nebude fungovať podľa očakávania, alebo použite multimeter na meranie výstupu modulu LDR a naladenie podľa potreby.

Krok 6: Prevádzka a ďalšie práce

Teraz by ste mali byť pripravení používať systém! Obrázky ukazujú fázy prevádzky.

1. Inicializujte systém stlačením tlačidla výberu.
2. Zarovnajte lasery tak, aby svietili priamo na snímač LDR.
3. Systém je teraz zapnutý. Naštartujte svoj model auta.
4. Systém začne časovať, akonáhle je prvý laserový lúč rozbitý.
5. Systém sa zastaví, akonáhle sa zlomí druhý laserový lúč.
6. Na obrazovke sa potom zobrazí čas v milisekundách.
7. Ďalším spustením stlačte tlačidlo reset.

Pravdepodobne vytvorím verziu 2.0 tohto systému, pretože je možné vykonať niekoľko očividných vylepšení:

1. Laserové moduly z Arduina nie je potrebné napájať, môžu byť napájané z batérie a v prípade potreby sa dajú jednoducho zapnúť. Keď som navrhoval systém, zapojenie laserových modulov k zdroju Arduino sa zdalo ako najjednoduchšie riešenie, v praxi to má za následok dlhé káblové trasy, ktoré prekážajú.
2. Kondenzátorové šošovky sú na puzdrách LDR skutočne potrebné. Zarovnať laserový bod presne so stredom (veľmi malého) snímača LDR je veľmi zložité a niekedy môže trvať niekoľko minút. Použitie kondenzorovej šošovky by používateľovi poskytlo oveľa väčší cieľ, na ktorý by laserovým bodom zamieril.

Teraz tiež uvažujem o verzii 3.0, ktorá je úplne bezdrôtová a pripája sa k môjmu notebooku pomocou Bluetooth, je to však oveľa väčší projekt na ďalší deň.

Druhé miesto v súťaži STEM