Sistema de sincronització basat en làser Arduino: 6 passos (amb imatges)

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

Com a part del meu ensenyament, necessitava un sistema per mesurar amb precisió la rapidesa amb què un vehicle model va recórrer 10 metres. Inicialment, vaig pensar que compraria un sistema ja fabricat i barat a eBay o Aliexpress, que normalment es coneixen com a portes lleugeres, portes fotogràfiques o similars. Va resultar que els sistemes de sincronització de portes de llum pre-construïdes són realment bastant cars, així que vaig decidir construir-ne el meu.

El funcionament d'un sistema de temporització de portes lleugeres és bastant senzill. Cada porta de llum consisteix en un mòdul làser a un costat, que projecta un punt làser a un mòdul de resistència dependent de la llum (LDR) a l'altre costat. Mesurant la sortida del LDR, el sistema pot detectar quan s’ha trencat el feix làser. Utilitzant dues d’aquestes portes, el sistema inicia el temporitzador quan es trenca el primer feix i atura el temporitzador quan detecta que el segon feix s’ha trencat. El temps enregistrat resultant es mostra a la pantalla LCD.

Construir un sistema com aquest amb els estudiants és una gran introducció a la codificació, també és un recurs d’aula realment útil un cop acabat. Aquest tipus de sistema és ideal per a activitats STEM i es pot utilitzar per mesurar la rapidesa amb què es desplacen coses com els cotxes de goma, els cotxes de ratolins o els derbis de fusta de pi.

Exempció de responsabilitat: la solució que es presenta aquí és lluny de ser òptima. Sóc conscient que algunes coses poden ser molt millors o més eficients. Aquest projecte es va preparar inicialment en un termini molt ajustat i va funcionar absolutament bé per al propòsit previst. Tinc previst llançar tant la versió 2 com la versió 3 d’aquest sistema amb millores, si us plau, consulteu l’últim pas de l’instructible. La implementació del circuit i el codi es fa sota el seu propi risc.

Subministraments

• Arduino R3 (o placa compatible): 4,50 £
• Protoboard d'ala de ploma d'Adafruit: una petita secció de qualsevol tipus de protoard també està bé: 1 £
• Escut del teclat LCD: assegureu-vos que s'adapti a la versió de l'arduino que teniu: 5 GBP
• 2 mòduls de resistència dependent de la llum (LDR): la cerca a "arduino LDR" a ebay hauria de mostrar moltes opcions: 2,30 £ cadascun
• 2 mòduls làser: la cerca a "arduino laser" a ebay hauria de mostrar moltes opcions. Assegureu-vos que la potència del làser no sigui superior a 5 mW. - 2,25 lliures per tres
• 4 x trípode petit: 3,50 £ cadascun
• Femella de 4x 1/4 polzada: per adaptar-se a un fil de trípode estàndard - 2 GBP
• Acrílic transparent per a la funda Arduino 3 €
• Femelles i femelles M3: 2 lliures esterlines
• Distàncies PCD de plàstic: es poden adquirir kits molt econòmics a Ebay: 6,80 GBP
• 4 x recintes impresos en 3D: el cost del material va ser d’uns 5 GBP.
• Cable de cinta: 5 GBP

El cost total va ser d’uns 55 lliures esterlines, cosa que suposa l’accés tant a un tallador làser com a una impressora 3D. La major part del cost aquí és per a casos, cargols, femelles, etc.

Pas 1: programa Adrunio

Pengeu el codi següent a l'Arduino. Si no esteu familiaritzat amb com fer-ho, consulteu aquest fantàstic instructiu.

La lògica bàsica del codi és la següent:

1. Activeu els mòduls làser i comproveu que cada LDR pugui "veure" el feix làser.
2. Espereu fins que LDR 1 detecti un trencament del raig làser i inicieu immediatament el temporitzador.
3. Espereu fins que LDR 2 detecti un trencament del feix làser i atureu immediatament el temporitzador.
4. Mostra el temps resultant a la pantalla LCD en mil·lisegons.

El codi només està dissenyat per cronometrar una sola execució, un cop s'ha assenyalat el temps de la pantalla, es fa servir el botó de reinici de l'escut per reiniciar el programa.

ENLLAÇ AL CODI ARDUINO

(FYI: El codi està allotjat a create.arduino.cc i m'encantaria haver inserit el codi aquí, però l'editor Instructables no permet que l'iframe incrustat es mostri o funcioni correctament. Si algú de Instructables està llegint això, si us plau implementeu-ho com a característica en el futur, gràcies)

Pas 2: Recintes d'impressió 3D

Cal mantenir els mòduls làser i LDR al seu lloc per garantir que no es produeixin trencaments de feixos com a conseqüència del moviment dels mòduls. Imprimiu en 3D els allotjaments de sota i cargoleu els mòduls al seu lloc; caldrà que el mòdul làser es mantingui al seu lloc amb una bretxa amb cremallera, ja que no té cap forat de cargol.

Assegureu-vos d’atrapar una femella de 1/4 de polzada dins de cadascun dels estoigs, que s’utilitzarà més endavant per permetre que aquests casos es connectin als trípodes. Les dues meitats del recinte es mantenen juntes amb cargols i femelles M3.

Pas 3: tall de làser funda Arduino

Retalleu amb làser els fitxers següents a partir de l’acrílic transparent de 4 mm de gruix. Alineeu l’arduino R3 i el protoboard amb els forats de les peces acríliques i col·loqueu-los al lloc. Traieu la peça superior de la caixa cap a la part inferior utilitzant els separadors PCD com a separadors.

Pas 4: connecteu el circuit

L’escut LCD utilitzat en aquest projecte s’explica amb detall en aquest fantàstic instructiu. La pantalla LCD i els botons d'entrada utilitzen alguns dels pins d'E / S d'Arduino, però per aquest motiu tots els E / S dels mòduls làser i els LDR només utilitzen els pins 1, 2, 12 i 13.

Es necessita molt poc cablejat, però assegureu-vos que el circuit està connectat tal com es mostra a l'esquema. He afegit alguns connectors de tipus JST als cables del mòdul làser i LDR per permetre'm desmuntar i emmagatzemar fàcilment tota la configuració.

Sí, els pins arduino 1 i 2 alimenten directament els mòduls làser sense resistència en línia. Com que els mòduls làser seleccionats estan dissenyats específicament per utilitzar-los amb arduino, això no hauria de ser un problema. Els mòduls làser consumeixen una potència màxima de 5 mW, això vol dir que a la tensió d’alimentació de 5 V del pin, el mòdul hauria d’establir al voltant d’1 mA, això està molt per sota del límit de ~ 40 mA per al subministrament de corrent als pins E / S arduino.

Pas 5: Muntatge i afinació

Finalment, esteu a punt per muntar-ho tot.

1. Munteu els estoigs del mòdul LDR i Laser als trípodes petits.
2. Col·loqueu els mòduls làser perquè brillin directament al sensor LDR

En aquesta etapa, haureu d’afinar una mica les coses. Els mòduls LDR emeten un senyal digital, un senyal alt (5V) que indica que no es detecta cap feix làser, un senyal baix (0V) que indica que pot veure el feix làser. El llindar d'intensitat de llum en què el mòdul canvia d'un senyal de sortida de 5V a 0V (i viceversa) està controlat per un potenciòmetre a la placa LDR. Haureu d’ajustar el potenciómetre perquè el mòdul canviï entre una sortida de 0V i 5V quan ho espereu.

Ajusteu gradualment el potenciòmetre fins que el sistema funcioni com s’esperava, o bé utilitzeu un multímetre per mesurar la sortida del mòdul LDR i ajustar-lo segons calgui.

Pas 6: Funcionament i treballs posteriors

Ara hauríeu d'estar preparats per utilitzar el sistema. Les imatges mostren les fases de funcionament.

1. Premeu el botó de selecció per inicialitzar el sistema.
2. Alineeu els làsers de manera que brillin directament al sensor LDR.
3. Ara el sistema està armat. Configura el teu model de cotxe en marxa.
4. El sistema començarà a cronometrar-se un cop es trenqui el primer feix làser.
5. El sistema s’aturarà un cop es trenqui el segon feix làser.
6. El temps en mil·lisegons es mostra a la pantalla.
7. Premeu el botó de restabliment per cronometrar una altra vegada.

Probablement crearé una versió 2.0 d’aquest sistema, ja que hi ha algunes millores òbvies que es podrien fer:

1. No cal alimentar els mòduls làser de l’Arduino, ja que podrien funcionar amb bateria i simplement encendre’s quan calgui. Quan vaig dissenyar el sistema, connectar els mòduls làser a l’Arduino per obtenir energia va semblar la solució més senzilla; a la pràctica, això resulta en llargues tirades de cables que s’interposen.
2. Les lents condensador són realment necessàries a les carcasses LDR. Folrar el punt làser exactament cap amunt amb el centre del sensor LDR (molt petit) és molt complicat i, de vegades, pot trigar uns quants minuts, l’ús d’una lent condensadora donaria a l’usuari un objectiu molt més gran per apuntar amb el punt làser.

Ara també estic pensant en una versió 3.0 que sigui totalment sense fil i que només es connecti al meu ordinador portàtil mitjançant Bluetooth, però, és un projecte molt més gran per a un altre dia.

Accèssit al concurs STEM