Taquímetre de roda de hàmster: 11 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

Projectes Tinkercad »

Fa uns tres anys, els nebots van aconseguir la seva primera mascota, un hàmster anomenat Nugget. La curiositat sobre la rutina d’exercicis de Nugget va iniciar un projecte que fa temps que va durar Nugget (RIP). Aquest instructable descriu un tacòmetre òptic de roda d’exercici funcional. El tacòmetre de rodes Hamster (HWT) mostra la velocitat més alta (RPM) del hàmster i el nombre total de revolucions. La família humana de Nugget volia una cosa senzilla d’instal·lar i utilitzar, però no volia més temps de pantalla per als nens. Tenint en compte la molesta manera d’interactuar amb els rosegadors amb el món, vaig pensar que la bateria autònoma seria bona. El HWT funcionarà durant uns 10 dies amb un càrrec. Pot registrar fins a 120 rpm en funció del diàmetre de la roda.

Pas 1: llista de peces

Adafruit # 2771 Feather 32u4 Basic Proto (amb cablejat suplementari; vegeu el pas 4: Muntatge d'electrònica)

Adafruit # 3130 Pantalla quadrada alfanumèrica de 0,54 FeatherWing - vermella

Joc de capçaleres Adafruit # 2886 per a ploma: conjunt de capçaleres femení de 12 i 16 pins

Interruptor lliscant SPDT compatible amb taulers de pa Adafruit # 805

Adafruit # 3898 Bateria de polímer de ions de liti ideal per a plomes - 3,7 V 400 mAh

Mòdul de sensor IR Vishay TSS4038 2,5-5,5v 38kHz

Emissor d’infrarojos Vishay TSAL4400 T-1 paquet

Resistència, 470, 1 / 4w

Commutador, polsador, SPST, engegat momentàniament, muntatge al panell de 0,25 (Jameco P / N 26623 o equivalent)

(4) Cargols de màquina de niló de 2,5 mm amb femelles (o cargol de màquina de 4 a 40 - vegeu el pas 6: Muntatge de l’HWT)

Carcassa del tacòmetre de roda de hàmster: imprès en 3D. (Fitxer públic TinkerCad)

Bisell del tacòmetre de roda de hàmster - imprès en 3D. (Fitxer públic TinkerCad)

Carcassa del sensor de tacòmetre de roda de hàmster - imprès en 3D. (Fitxer públic TinkerCad)

Mostra el filtre de contrast. Hi ha tres opcions:

1. (54 mm x 34 mm x 3,1 mm) 1/8 "de policarbonat fumat gris transparent (estreetplastics o equivalent).
2. Sense filtre de contrast
3. Imprimiu en 3D un filtre mitjançant PLA translúcid prim i aquest fitxer Public TinkerCad.

Matèria fosca: una mica de material reflectant que no s’enganxa. Vaig utilitzar feltre negre enganxat d’una botiga d’artesania. Creatology Peel and Stick Feltre de polièster negre o equivalent. Vegeu també Pas 7: Calibratge: notes sobre la zona fosca.

Nota: amb motiu raonable, podeu substituir parts. Acostumo a donar suport a Adafruit per la seva qualitat i el suport de la comunitat de fabricants. Ah, i m’encanten els coixinets de soldadura amb flaix daurat.

Pas 2: teoria de l'operació

El HWT utilitza llum infraroja (IR) per comptar les revolucions d’una roda giratòria. La majoria de rodes d’exercici de plàstic reflecteixen bastant bé, massa bé, la llum IR. Fins i tot les rodes de plàstic que són translúcides a la llum visible poden reflectir IR suficient per provocar sensors IR. L'usuari crea una zona fosca a la roda mitjançant un feltre negre (vegeu el pas 7: Calibració: notes sobre l'àrea fosca). Quan la HWT detecta una transició reflectant a fosca, es compta una revolució.

El HWT utilitza un mòdul de sensor IR Vishay i un emissor LED IR. En una aplicació típica, el mòdul de sensor IR Vishay TSS4038 s’utilitza per a la detecció de presència: hi ha alguna cosa (IR reflectant) o alguna cosa no hi és. Això no és exactament el que fa la HWT aquí. La roda d’exercici de plàstic sempre hi és. Estem enganyant el sensor afegint una zona fosca IR per fer que la roda «desaparegui» amb llum IR. A més, el HWT fa ús del disseny del mòdul de sensor IR Vishay TSS4038 per proporcionar una distància operativa de rang variable. Pas 3: la secció de codis i el llistat de codis tenen més informació. La premissa bàsica es descriu a la nota d’aplicació Sensor TSSP4056 de Vishay per a la detecció ràpida de proximitat.

L’Adafruit Feather té un microcontrolador Atmel MEGA32U4 i una zona de prototipat a través de forats.

A la zona de prototipatge es troba soldat un LED IR Vishay TSAL4400 que crea ràfegues de senyals IR de 38 kHz (sota el control del microcontrolador 32U4).

A la zona de prototipus també es troba soldat un mòdul de sensor IR Vishay TSS4038 per a aplicacions de sensor reflectant, barrera de llum i proximitat ràpida.

Aquest mòdul de sensor IR produeix un senyal si es rep una ràfega de llum IR de 38 kHz durant un cert temps.

El microcontrolador 32U4 genera una ràfega de 38 kHz cada 32 mS. La taxa de 32 mS determina la RPM màxima de la roda d’exercici que es pot mesurar. El 32U4 també controla el mòdul del sensor IR. Amb una reflexió IR suficient de la roda del hàmster, cada ràfega hauria de provocar la resposta del mòdul del sensor IR. Una zona fosca de la roda no produeix cap resposta del sensor IR que el 32U4 assenyala. Quan la roda del hàmster s'ha mogut de manera que hi ha prou reflexió IR, el codi 32U4 assenyala el canvi i compta com una revolució de la roda (transició clar a fosc = 1 revolució).

Aproximadament cada minut, el 32U4 comprova si les revolucions de l'últim minut han superat el recompte de RPM més alt anterior i actualitza aquesta puntuació de "millor personal" si cal. El nombre de revolucions a l’últim minut també s’afegeix al nombre total de revolucions de les rodes.

Es fa servir un polsador per mostrar el nombre de revolucions (vegeu el pas 9: secció Mode normal) i s’utilitza per calibrar l’HWT (vegeu la secció Pas 7: Mode de calibració).

Un interruptor lliscant ON-OFF controla l’alimentació de la HWT i té un paper en el calibratge (vegeu el pas 7: secció de calibració).

Si es coneix el diàmetre de la roda d’exercici, la distància total es calcula com (Diàmetre * Voltes totals de la roda * π).

Pas 3: Codi

Suposo que l’usuari coneix el seu camí al voltant de la placa Arduino IDE i Adafruit Feather 32U4. He utilitzat l'IDE Arduino estàndard (1.8.13) amb la biblioteca de baix consum RocketScream. Em vaig esforçar per comentar el codi amb profusió i potser amb precisió.

No he documentat peculiaritats i interaccions del Arduino IDE i del sistema Adafruit Feather 32U4. Per exemple, el 32U4 gestiona la comunicació USB amb el carregador Arduino. Aconseguir que el PC amfitrió executi l'IDE Arduino per trobar la connexió USB Feather 32U4 pot resultar problemàtic. Hi ha fils del fòrum en línia que detallen problemes i correccions.

Particulars de la biblioteca RocketScream Low Power, les operacions USB Feather 32U4 es veuen interrompudes. Per tant, per descarregar el codi de l'IDE Arduino al 32U4, és possible que l'usuari hagi de prémer el botó de restabliment Feather 32U4 fins que l'IDE trobi un port sèrie USB. Això és molt més fàcil de fer abans de muntar el HWT.

Pas 4: Muntar electrònica

1. Muntar Adafruit # 2771

   1. Si es desitja un consum de potència més baix, talla la traça entre R7 i el LED vermell. Això desactiva el LED Feather.
   2. Instal·leu el kit de capçalera Adafruit # 2886 al # 2771 Feather segons el seu tutorial. Tingueu en compte que hi ha diverses opcions per als estils de capçalera. El recinte imprès HWT 3D té una mida per a aquesta capçalera.

   3. Instal·leu els components òptics al # 2771 Feather. Consulteu les imatges i l’esquema.

      • Mòdul de sensor IR Vishay TSS4038
      • Emissor d'infrarojos Vishay TSAL4400
      • Resistència, 470, 1 / 4w
      • Carcassa del sensor de tacòmetre de roda de hàmster - imprès en 3D. (Fitxer públic TinkerCad)
2. Soldeu el polsador del botó de la pantalla al conjunt de la placa de circuit imprès (PCBA) Feather 32U4 segons l’esquema.
3. Munteu el Adafruit # 3130 pantalla de 0,54 "quad alfanumèric FeatherWing segons el seu tutorial.

4. Munteu el conjunt de l’interruptor d’alimentació / bateria segons les imatges i l’esquema. Nota: els cables de l’interruptor propers a l’interruptor han d’estar lliures de soldadura perquè l’interruptor s’adapti correctament al recinte HWT.

   • Bateria LiFo Adafruit # 3898.
   • Interruptor lliscant Adafruit # 805 SPDT.
   • Cable de connexió.

   Nota: no dubteu a connectar-vos com vulgueu. Així és com he muntat el HWT per a aquesta instrucció. Altres prototips tenien els cables col·locats lleugerament de manera diferent. Sempre que el cablejat s’adapti a l’esquema i que el sensor Vishay i la carcassa LED surtin per la part inferior del recinte HWT, esteu bé.

Pas 5: peces impreses en 3D

La carcassa HWT consta de tres peces impreses en 3D:

1. Recinte del tacòmetre de roda de hàmster - (fitxer públic TinkerCad)
2. Bisell del tacòmetre de roda de hàmster - (fitxer públic TinkerCad)
3. Carcassa del sensor de tacòmetre de roda de hàmster - (fitxer públic TinkerCad)

La carcassa HWT, el bisell de la pantalla HWT i la carcassa del sensor HWT es van crear a Tinkercad i són fitxers públics. Una persona pot carregar còpies i modificar-les segons vulgui. Estic segur que el disseny es pot optimitzar. S’imprimeixen en un MakerGear M2 mitjançant el control Simplify3D. Adafruit té un tutorial per a una funda impresa en 3D per a Adafruit Feather. Vaig trobar que la configuració de la impressora 3D era un bon punt de partida per a la meva impressora M2 MakerGear.

Si cal, es pot imprimir un filtre de contrast de pantalla amb un PLA translúcid prim i aquest fitxer Public TinkerCad.

Pas 6: munteu el HWT

1. Connecteu el conjunt de la bateria / l’interruptor al Feather # 2771 PCBA. És molt més fàcil fer-ho ara que quan el Feather # 2771 està cargolat al recinte HWT.
2. Situeu l’interruptor lliscant a la seva ubicació al recinte HWT.
3. Desplaceu els cables cap a fora mentre col·loqueu el Feather PCBA al recinte.
4. La carcassa del sensor ha de sortir per la part posterior del recinte HWT.
5. Les femelles de 2,5 mm són difícils de fixar als cargols de 2,5 mm. Podeu utilitzar 4-40 cargols de la màquina tal com es descriu al tutorial d'Adafruit.
6. Premeu la pantalla PCBA # 3130 al PCBA Feather # 2771. Vigileu si hi ha passadors doblegats o mal alineats.
7. Connecteu l'interruptor al marc de la pantalla.
8. Insereix el marc de la pantalla al recinte HWT.

Pas 7: calibració

Al mode Calibrar, la pantalla mostra contínuament la sortida del sensor IR. La calibració ajuda a verificar:

1. La roda del hàmster reflecteix la llum IR suficient.
2. La zona fosca absorbeix la llum IR.
3. Els paràmetres d’abast són correctes per a la distància a la roda d’exercici.

• Per entrar al mode Calibra:

  1. Apagueu el HWT amb l’interruptor de corredissa.
  2. Mantén premut el botó de visualització.
  3. Enceneu el HWT mitjançant l’interruptor de corredissa.
  4. El HWT entra en mode Calibrar i mostra CAL.
  5. Deixeu anar el botó de visualització. El HWT ara mostra una lletra que representa el paràmetre d’interval (L, M o S) i la lectura del sensor. Tingueu en compte que la lectura del sensor no és la distància real de la roda a HWT. És una mesura de la qualitat de la reflexió.

• Com comprovar els reflexos IR de la roda:

  Amb una reflexió adequada, la pantalla del sensor hauria de llegir al voltant del 28. Si la roda està massa lluny de la HWT, no hi ha prou reflexió i la pantalla del sensor quedarà en blanc. Si és així, acosteu la roda a la HWT. Gireu la roda; les lectures fluctuaran a mesura que giri la roda. Un rang de 22 a 29 és normal. La lectura del sensor no s’ha de deixar en blanc. Sempre es mostrarà la lletra de rang (L, M o S).

• Com es comprova la resposta de la zona fosca:

  Una àrea que absorbeix IR (zona fosca) farà que la lectura del sensor quedi en blanc. Gireu la roda de manera que la zona fosca es presenti al HWT. La pantalla ha de quedar en blanc, cosa que no significa cap reflex. Si es mostren números, la zona fosca és massa propera a la HWT O el material fosc utilitzat no absorbeix la llum IR suficient.

  Notes sobre la zona fosca

  Tot el que absorbeixi la llum IR funcionarà, per exemple. pintura plana negra o cinta plana negra. És important un acabat pla o mat. Un material negre brillant pot ser molt reflectant a la llum IR. La zona fosca pot estar a la circumferència o al costat pla de la roda d’exercici. El que trieu depèn d'on instal·leu el HWT.

  La zona fosca ha de tenir una mida suficient perquè el sensor IR només vegi la zona fosca, no el plàstic reflectant adjacent. L'emissor IR projecta un con de llum IR. La mida del con és proporcional a la distància entre la HWT i la roda. Funciona una proporció d'un a un. Si la HWT es troba a 3 polzades de la roda, l’àrea fosca hauria de tenir 2-3 polzades de diàmetre. Disculpeu les unitats imperials.

  La imatge mostra el LED IR TSAL4400 que il·lumina un objectiu a 3 polzades de distància. La imatge es va fer amb una càmera NOIR Raspberry Pi.

  Suggeriment per a la selecció de materials: un cop muntat un HWT, el vaig utilitzar com a mesurador de reflectància IR (això és el que és). Durant el desenvolupament, vaig portar l’HWT a botigues d’animals, ferreteries i teixits. Molts articles van ser "provats". Vaig examinar les rodes de plàstic, els materials foscos i els efectes sobre la distància dels materials. Fent això, vaig tenir una idea del rendiment i les limitacions de la HWT. Això em va permetre localitzar correctament la roda de plàstic a la gàbia i vaig triar la configuració d’abast correcta al mode de calibració. Sí, més d’una vegada vaig haver d’explicar què feia al personal de la botiga desconcertat.

• Com canviar l'interval:

  1. Al mode Calibra, el primer caràcter de visualització és el paràmetre de rang (L, M, S):

     • (L) ong range = 1,5 to 5"
     • (M) edium range = 1,3 a 3,5"
     • (S) hort range = 0,5 to 2 "(S majúscula sembla un número 5)

     Nota: Aquests intervals depenen dels materials objectiu i són molt aproximats.

  2. Per canviar l'interval, premeu el botó Visualitza. El primer caràcter de visualització canviarà per mostrar el nou rang.
  3. Per mantenir aquest nou rang, manteniu premut el botó de visualització durant 4 segons. Quan es completi l'acció, la pantalla mostrarà Savd durant dos segons.

  Nota: l’HWT recordarà els paràmetres d’abast després de restablir-lo i fins i tot si la bateria s’esgota.

• Teniu èxit? Si la roda d’exercici es reflecteix (la pantalla ronda els 28) i la zona fosca absorbeix (mostra els espais en blanc), ja haureu acabat. Engegueu el cicle de la HWT per reprendre el mode normal (vegeu el pas 9: secció Mode normal). En cas contrari, canvieu la distància entre la HWT i la roda o canvieu la gamma HWT fins que tingueu èxit.

Nota: on s’instal·la el HWT a la gàbia i el calibratge del HWT està relacionat. És possible que no pugueu posar la roda on vulgueu a la gàbia perquè la ubicació de la gàbia no està dins del rang de la HWT. El material de la roda i el material de la zona fosca (feltre negre) que heu triat també esdevé un factor important.

Pas 8: Instal·lació a Cage

1. Calibreu el HWT i utilitzeu el procés de calibració per informar on col·locareu la roda d’exercici i on s’instal·la el HWT a la gàbia.
2. El HWT es pot lligar al costat de la gàbia mitjançant els forats de muntatge de la caixa HWT. He utilitzat llaços de pa de filferro recoberts de plàstic. Els llaços també funcionen.
3. Amb el HWT instal·lat i la roda d’exercici col·locada, verifiqueu que la roda d’exercici reflecteixi la llum IR i que la zona fosca absorbeixi els IR.

4. Si cal, el canvi d’abast es descriu a la secció Calibració. Es pot seleccionar un rang de distàncies a l'usuari a la HWT. Hi ha tres intervals superposats:

   • (L) ong range = 1,5 to 5"
   • (M) edium range = 1,3 a 3,5"
   • (S) hort range = 0,5 a 2"
5. La carcassa del sensor HWT (emissor / sensor IR) no ha de quedar tapat pel cable de la gàbia. És possible que hagueu d’estendre lleugerament el cable de la gàbia per permetre que el conjunt pugui passar pels cables de la gàbia.
6. Verifiqueu que HWT registri correctament les revolucions de la roda d’exercici (vegeu el pas 9: mode d’operació normal).

Pas 9: Mode d'operació normal

1. En el mode normal, l’HWT compta les revolucions de la roda d’exercici.
2. Per accedir al mode Normal, activeu l’HWT mitjançant l’interruptor Power Slide.

3. La pantalla mostrarà nu41 durant un segon i, a continuació, mostrarà la configuració d’interval durant un segon.

   • Ra = L llarg abast
   • Ra = M rang mitjà
   • Ra = S abast curt (S majúscula sembla un número 5)
4. Durant el funcionament normal, un segment de pantalla LED parpellejarà breument cada minut.
5. Cada minut, el recompte d’aquest minut es compara amb el recompte màxim (el millor de l’hàmster) dels minuts anteriors. El recompte màxim s'actualitza si cal. Cada minut, el recompte s’afegeix a un recompte total.

6. Premeu i deixeu anar el botó de visualització per veure el recompte de rodes. La pantalla mostra el següent:

   • Ara = seguit del nombre de revolucions de les rodes des de la comprovació d'última hora. Nota: aquest número s'afegirà al total després del següent minut.
   • Màx = seguit del màxim nombre de revolucions. La millor marca personal de Nugget des que es va circular el poder el darrer.
   • Tot = seguit del nombre total de revolucions des del darrer cicle de potència.

Cicle de potència (interruptor de corredissa de potència desactivat), l’HWT anul·larà tots els recomptes. No es poden recuperar aquests números.

El HWT hauria d’executar-se durant deu dies amb una càrrega i la cel·la LiPo farà un tancament automàtic. Per evitar la pèrdua del recompte de rodes d’exercici, recarregueu-lo abans de l’aturada automàtica de la cèl·lula LiPo.

Pas 10: notes de la cèl·lula LiPo:

1. Les cèl·lules LiPo emmagatzemen molta energia mitjançant productes químics volàtils. El fet que els telèfons mòbils i els ordinadors portàtils no els facin servir no s’hauria de tractar amb precaució i respecte.
2. El HWT utilitza una cèl·lula recarregable de polímer de liti (LiPo) de 3,7 v. La part superior de les cèl·lules Adafruit LiPo estan embolicades amb un plàstic ambre. Això cobreix un circuit de seguretat de càrrega / descàrrega integral en un PCBA petit. Els cables de cèl·lules vermelles i negres amb el connector JST estan realment soldats al PCBA. És una característica de seguretat molt agradable amb el circuit de monitorització entre el LiPo i el món exterior.
3. L’HWT perdrà energia si el circuit de seguretat de càrrega / descàrrega integral LiPo decideix que la cèl·lula LiPo és massa baixa. Es perdran els recomptes de rodes d’exercici.
4. Si el HWT sembla "mort", probablement necessiti una recàrrega de la cel·la. Connecteu l’HWT mitjançant un cable micro USB a una font d’alimentació USB estàndard.
5. Quan es carregui, es mostrarà un LED groc al recinte de plàstic HWT.
6. El LiPo es carregarà completament en unes 4 - 5 hores.
7. Els circuits de protecció de la cèl·lula LiPo no permetran que el LiPo sobrecarregui, però desconnecteu el cable micro-USB quan s’apaga el LED groc.
8. Tal com es descriu a la documentació d'Adafruit # 3898, originalment tenia previst que la cèl·lula LiPo encaixés entre el PCBA Feather # 2771 i el PCBA de pantalla # 3130. Vaig trobar que el meu cablejat a l’àrea del prototip de Feather # 2771 era massa alt perquè la cèl·lula LiPo s’adapti sense abonyegar la cèl·lula LiPo. Això em va posar nerviós. Vaig recórrer a col·locar la bateria al seu costat al costat dels PCBA.
9. Aquells cables de lectura i negres del circuit de seguretat de càrrega / descàrrega integral de LiPo no els agrada ser flexionats. En el curs del desenvolupament, he trencat més d’un conjunt de cables. Per proporcionar més alleujament de la tensió, vaig dissenyar i vaig imprimir en 3D un alleujament de la tensió. Aquest és el bloc gris situat a la part superior de la cel·la LiPo. No cal, però aquí està (fitxer Public TinkerCad).

Pas 11: historial de desenvolupament:

Al llarg dels tres anys de vida del projecte Nugget, van resultar diverses versions:

1.xProva de concepte i plataforma de recollida de dades.

Es va caracteritzar el rang de rendiment de Nugget (RPM màxim, totals, temps d'activitat). En els seus primers temps, Nugget va aconseguir 100 RPM i va poder córrer 0,3 milles per nit. Full de càlcul de càlculs de dades per a diverses rodes adjuntes. També s’adjunta un fitxer amb registres Nugget RPM reals emmagatzemats a la targeta SD.

• Arduino Duemilanove
• Protector datalogger de la targeta SD Adafruit # 1141
• Escut LCD Adafruit # 714 + # 716
• Sensor òptic retrorreflectant OMRON E3F2-R2C4
• Transformador de paret de CA (Omron necessitava 12 volts)

2.x Sensors i maquinari explorats.

Establert el microcontrolador i es mostra:

• Adafruit # 2771 Feather 32U4
• Adafruit # 3130 Pantalla LED de 14 segments Featherwing.

Aquest combo es va escollir per a un baix consum d’energia (modes de repòs 32U4), per a la gestió de la bateria (carregador incorporat de LiPo) i el cost (LEDs de baix cost i una potència inferior a la de LCD + retroiluminació).

• Es van examinar els sensors de parells òptics magnètics i discrets d’efecte Hall (és a dir, QRD1114). El rang sempre va ser insuficient. Abandonat.
• Adafruit # 2821 Feather HUZZAH amb ESP8266 que es va informar a un tauler de control d'Adafruit IO. El temps de pantalla no era el que volia el client. Abandonat.

3.xSensor de treball:

Aquesta sèrie també va investigar sensors alternatius, com ara utilitzar un motor pas a pas com a codificador similar a aquest instructable. Factible però per a una intensitat de senyal baixa a baixes revolucions. Una mica més de feina convertiria això en una solució viable, però no és una simple adaptació a l'entorn de hàmster existent. Abandonat.

4.1 La solució de maquinari / programari descrita en aquesta instrucció.

5.x Més treball del sensor:

Sensor digital de distància Sharp GP2Y0D810Z0F examinat amb portador Pololu mentre encara s'utilitza la pantalla LED Featherwing d'Adafruit # 2771 Feather 32U4 i Adafruit # 3130 de 14 segments. Va funcionar bé. Codi fet trivial. S'ha consumit més energia que la solució Vishay TSSP4038. Abandonat.

6.x El futur?

• Substituïu alguns dels capçals de muntatge del recinte HWT per l'Adafruit # 2771 Feather per pals de muntatge.
• Substituïu l’interruptor d’encesa / apagat per un interruptor de polsador connectat a Feather reset.
• El microcontrolador ATSAMD21 Cortex M0, com el que es troba a l’Adafruit # 2772 Feather M0 Basic Proto, té moltes funcions atractives. Ho analitzaria de prop en una altra revisió.
• Vishay té un nou mòdul de sensor IR, el TSSP94038. Té unes necessitats actuals més baixes i una resposta més definida.

Accèssit al concurs amb bateria