Generador de fulls làser interactiu amb Arduino: 11 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Els làsers es poden utilitzar per crear efectes visuals increïbles. En aquest projecte, he construït un nou tipus de pantalla làser que és interactiva i reprodueix música. El dispositiu fa girar dos làsers per formar dos fulls de llum semblants a vòrtex. Vaig incloure sensors de distància al dispositiu perquè es poguessin manipular les làmines làser movent la mà cap a elles. A mesura que la persona interactua amb els sensors, el dispositiu també reprodueix música mitjançant una sortida MIDI. Incorpora idees d’arpes làser, vòrtexs làser i pantalles POV.

L'instrument es controla amb un Arduino Mega que pren les entrades de sensors d'ultrasons i genera el tipus de full làser format i la música generada. A causa dels molts graus de llibertat dels làsers giratoris, es poden crear diferents patrons de làmines làser.

Vaig fer una pluja d’idees preliminar sobre el projecte amb un nou grup d’art / tecnologia a St. Louis anomenat Dodo Flock. Emre Sarbek també va fer algunes proves inicials sobre els sensors que s’utilitzaven per detectar el moviment a prop del dispositiu.

Si construïu un dispositiu làmina làser, recordeu que heu de funcionar amb seguretat amb làsers i discos giratoris.

Actualització del 2020: em vaig adonar que la superfície creada amb els làsers és un hiperboloide.

Pas 1: llista de subministraments

Materials

Làsers:

Motor sense escombretes:

Controlador electrònic de velocitat:

Servomotors -

Transistors

Fusta contraxapada

Plexiglass

Sensors d'ultrasons

Anell de lliscament -

LEDs blancs:

Convertidors de dòlars

Filferro de filferro

Connector MIDI

Potenciómetre i comandaments:

Maquinari: 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 …

Resistències

Cables del connector JST:

Interruptor de corrent altern

Font d'alimentació de 12V:

Cola de fusta

Super cola

Cargols de fusta

Cable d'extensió USB:

Eines:

Soldador

Talladors de filferro

Jig saw

Serra circular

Micròmetre

Trepant elèctric

Pas 2: Visió general i esquema

Un feix làser crea un feix de llum ben colimat (és a dir, estret), de manera que una manera de produir un full de llum és moure ràpidament el feix amb algun patró. Per exemple, per crear un full de llum cilíndric, giraria un làser al voltant d’un eix paral·lel a la direcció que apunta. Per moure ràpidament un làser, podeu connectar-lo a un tauló de fusta connectat a un motor de corrent continu sense escombretes. Només amb això, podeu crear remolins làsers cilíndrics i frescos.

Altres projectes de vòrtex làser ho aconsegueixen muntant un mirall inclinat a l’eix de rotació amb un làser estacionari dirigit al mirall. Això crea un con de làmina làser. Tot i això, amb aquest disseny, totes les làmines làser semblen originar-se d’un sol origen. Si els làsers es col·loquen fora de l’eix com amb el disseny que he construït, podeu crear fulls làser convergents, com la forma del rellotge de sorra que es mostra al vídeo.

Però, i si volíeu que els fulls de llum fossin dinàmics i interactius? Per aconseguir-ho, he connectat dos làsers als servos i després els heu fixat a la planxa de fusta. Ara els servos poden ajustar l’angle del làser respecte a l’eix de rotació del motor. Si teniu dos làsers en dos servos diferents, podeu crear dos fulls de llum diferents amb el dispositiu.

Per tal de controlar la velocitat del motor de CC, vaig connectar un potenciòmetre a un Arduino que pren l’entrada del potencialòmetre i emet un senyal al controlador de velocitat elèctric (ESC). Aleshores, l’ESC controla la velocitat del motor (un nom bastant adequat, sí), en funció de la resistència del potenciòmetre.

L’estat d’encesa / apagada del làser es controla connectant-lo a l’emissor d’un transistor que funciona en saturació (és a dir, funciona com un interruptor elèctric). S'envia un senyal de control a la base del transistor que controla el corrent a través del làser. Aquí hi ha una font per controlar una càrrega amb un transistor amb un arduino:

La posició dels servos també es controla amb l'Arduino. A mesura que la planxa gira, es pot manipular el full lleuger canviant la posició del servo. Sense cap aportació de l'usuari, això només pot crear fulls de llum dinàmics que són fascinants. També hi ha sensors d’ultrasons situats al voltant del marge del dispositiu que s’utilitzen per determinar si una persona acosta la mà als llums de llum. Aquesta entrada s'utilitza per moure els làsers per crear nous fulls de llum O generar un senyal MIDI. Es connecta una presa MIDI per transmetre el senyal MIDI a un dispositiu de reproducció MIDI.

Pas 3: Control del motor sense escombretes amb Arduino

Per tal de crear fulls de llum semblants a vòrtex, cal girar el feix làser. Per aconseguir-ho, vaig decidir provar d’utilitzar un motor de corrent continu sense escombretes. Vaig aprendre que aquest tipus de motors són molt populars entre models d'avions i drons, així que vaig pensar que seria bastant fàcil d'utilitzar. Em vaig trobar amb alguns problemes al llarg del camí, però, en general, estic satisfet de com funciona el motor per al projecte.

En primer lloc, cal muntar el motor. A mida vaig dissenyar una peça per subjectar el motor i fixar-la a una placa que subjecta el dispositiu. Després de protegir el motor, vaig connectar el motor a l’ESC. Pel que he llegit, em sembla molt difícil utilitzar un motor sense escombretes sense un. Per fer girar el motor, he utilitzat un Arduino Mega. Inicialment, no podia fer girar el motor perquè només connectava el senyal de control a 5V o a terra, sense establir correctament un valor de base ni calibrar l’ESC. Després vaig seguir un tutorial Arduino amb un potenciòmetre i un servomotor, i això va fer girar el motor. Aquí hi ha un enllaç al tutorial:

Els cables ESC es poden connectar de qualsevol manera al motor sense escombretes. Necessitareu alguns connectors femelles per endoll banana. Els cables vermells i negres més gruixuts de l’ESC estan connectats a una font d’alimentació de CC a 12 V i els cables blanc i negre del connector de control de l’ESC es connecten a terra i a un pin de control a l’Arduino, respectivament. Mireu aquest vídeo per aprendre a calibrar l’ESC:

Pas 4: construcció del xassís de làmines làser

Després de fer girar el motor, és hora d’acumular el xassís de xapa lleugera. Vaig tallar un tros de fusta contraxapada amb una màquina CNC, però també es pot fer servir una serra de plantilla. La fusta contraxapada subjecta els sensors d'ultrasons i té un forat per adaptar-se a un tros de plexiglàs. El plexiglàs s’ha d’adherir a la fusta mitjançant epoxi. Es foraden forats perquè l’anell lliscant hi pugui passar.

Després es talla una altra làmina circular de fusta contraxapada per subjectar el motor sense escombretes. En aquesta làmina de fusta es fan forats perquè els cables puguin passar més endavant en la construcció. Després de fixar el muntatge del motor i forar els forats, les dues làmines de fusta contraxapada s’uneixen mitjançant taules de 1x3 tallades d’uns 15cm de llargada i mènsules metàl·liques. A la foto, podeu veure com el plexiglàs es troba per sobre del motor i dels làsers.

Pas 5: Muntatge làser i motor servo

Les làmines de llum variables es creen mitjançant làsers en moviment respecte a l'eix de rotació. Vaig dissenyar i vaig imprimir en 3D un suport que fixa un làser a un servo i un suport que connecta el servo al tauler giratori. Primer, fixeu el servo al muntatge del servo mitjançant dos cargols M2. A continuació, introduïu una femella M2 a la muntura del làser i estrenyeu un cargol de fixació per mantenir el làser al seu lloc. Abans de connectar el làser al servo, assegureu-vos que el servo giri a la seva posició de funcionament centrada. Mitjançant el tutorial de servo, dirigiu el servo a 90 graus. A continuació, munteu el làser tal com es mostra a la imatge amb un cargol. També vaig haver d'afegir una mica de cola per assegurar-me que el làser no es desplaçés involuntàriament.

Vaig utilitzar un tallador làser per crear el tauló, que té unes dimensions d’uns 3cm x 20cm. La mida màxima del full clar dependrà de la mida del tauler de fusta. A continuació, es va practicar un forat al centre de la planxa perquè encaixés a l’eix del motor sense escombretes.

A continuació, vaig enganxar el conjunt làser-servo al tauler perquè els làsers estiguessin centrats. Assegureu-vos que tots els components del tauler estiguin equilibrats respecte a l’eix de rotació del tauler. Connecteu els connectors JST als làsers i servocables perquè es puguin connectar a la corredissa en el següent pas.

Finalment, fixeu el tauler amb conjunts servo-làser connectats al motor sense escombretes amb una rentadora i una femella. En aquest punt, proveu el motor sense escombretes per assegurar-vos que la planxa pot girar. Aneu amb compte de no conduir el motor massa ràpid ni de posar la mà en el camí de rotació del tauler.

Pas 6: Instal·lació del slipring

Com podeu evitar que els cables s’enredin quan l’electrònica gira? Una manera és fer servir una bateria per a una font d’alimentació i connectar-la al conjunt giratori, com en aquest POV que es pot instruir. Una altra manera és fer servir una corretja. Si no n’heu sentit a parlar ni s’havia utilitzat cap anell, fes un cop d'ull a aquest fantàstic vídeo que demostra el seu funcionament.

En primer lloc, fixeu els altres extrems dels connectors JST a la corredissa. No voleu que els cables siguin massa llargs perquè hi ha un potencial perquè quedi atrapat en alguna cosa quan gira la planxa. Vaig fixar la corredissa al plexiglàs situat a sobre del motor sense escombretes, perforant forats per a cargols. Aneu amb compte de no esquerdar el plexiglàs en perforar. També podeu utilitzar un tallador làser per obtenir forats més precisos. Un cop fixat l’anell, connecteu els connectors.

En aquest punt, podeu connectar els cables de l’anell lliscant als pins d’un Arduino per fer algunes proves preliminars amb el generador de làmines làser.

Pas 7: Soldar l'electrònica

Vaig tallar un prototip de placa per connectar tota l’electrònica. Com que he utilitzat una font d’alimentació de 12V, he d’utilitzar dos convertidors de CC-CC: 5V per als làsers, servos, potenciòmetre i presa MIDI i 9V per a l’Arduino. Tot estava connectat tal com es mostra al diagrama, mitjançant soldadura o embolcall de filferro. Després es va connectar el tauler a una part impresa en 3D mitjançant separadors PCD.

Pas 8: construcció de la caixa electrònica

Tots els aparells electrònics estan allotjats en una caixa de fusta. Vaig tallar fusta d'1x3 per als costats de la caixa i vaig tallar una obertura gran per un costat perquè els cables d'un tauler de control poguessin passar. Els laterals es van connectar mitjançant petits blocs de fusta, cola de fusta i cargols. Després d'assecar-se la cola, vaig escampar els costats de la caixa per igualar totes les imperfeccions de la caixa. Després vaig tallar fusta fina per la part davantera, posterior i inferior de la caixa. La part inferior estava clavada als laterals i la part davantera i posterior es van enganxar a la caixa. Finalment, he mesurat i tallat els forats de les dimensions dels components del tauler frontal de la caixa: la presa del cable d'alimentació, la presa USB, la presa MIDI i el potenciòmetre.

Pas 9: instal·lar productes electrònics a la caixa

Vaig connectar la font d’alimentació a la caixa amb cargols, l’Arduino amb un muntatge dissenyat a mida i la placa de circuits creada al pas 7. El potenciòmetre i la presa MIDI es van connectar primer a la placa de circuit mitjançant filferro d’embolcall de filferro i després es van enganxar al panell frontal. La presa de corrent altern es va connectar a la font d'alimentació i la sortida de CC de la font d'alimentació es va connectar a les entrades dels convertidors Buck i els cables que es connecten al motor sense escombretes. Els cables del motor, el servo i el làser passen a través d’un forat de la fusta contraxapada fins a la caixa electrònica. Abans de tractar els sensors d'ultrasons, he provat els components individualment per assegurar-me que tot estigués cablejat correctament.

Inicialment vaig comprar un endoll de corrent altern, però vaig llegir algunes ressenyes bastant dolentes sobre la seva fusió, de manera que tenia uns forats de mida incorrecta al tauler frontal. Per tant, vaig dissenyar i vaig imprimir en 3D alguns adaptadors de presa per adaptar-se a la mida dels forats que vaig tallar.

Pas 10: muntatge i cablejat dels sensors ultrasònics

En aquest punt, els làsers, els servos, el motor sense escombretes i la presa MIDI estan connectats i poden ser controlats per l’Arduino. L’últim pas del maquinari és connectar els sensors d’ultrasons. Vaig dissenyar i vaig imprimir en 3D un sensor d'ultrasons. Llavors vaig connectar i connectar uniformement els conjunts de sensors d’ultrasons a la làmina de fusta contraxapada superior del generador de làmines de llum. El filferro d’embolcall de filferro es feia baixar fins a la caixa electrònica perforant forats a la làmina de fusta contraxapada. Vaig connectar l’embolcall de filferro als pins adequats de l’Arduino.

Em va decebre una mica el rendiment del sensor d’ultrasons. Funcionaven força bé per a distàncies d'entre 1 i 30 cm, però la mesura de la distància és molt sorollosa fora d'aquest rang. Per millorar la relació senyal-soroll, vaig provar de prendre la mediana o la mitjana de diverses mesures. Tot i això, el senyal encara no era prou fiable, de manera que vaig acabar configurant el tall per reproduir una nota o canviant el full làser a 25 cm.

Pas 11: Programació del vortex làser dinàmic

Després de completar el cablejat i el muntatge, és hora de programar el dispositiu de fulls de llum. Hi ha moltes possibilitats, però la idea general és incorporar les entrades dels sensors d’ultrasons i enviar senyals per MIDI i controlar els làsers i servos. En tots els programes, la rotació del tauler es controla girant el comandament del potenciòmetre.

Necessitareu dues llibreries: NewPing i MIDI

S'adjunta el codi Arduino complet.

Accèssit a l'Invention Challenge 2017