Laserový časovací systém Arduino: 6 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

V rámci své výuky jsem potřeboval systém, který by přesně měřil, jak rychle model vozidla urazil 10 metrů. Zpočátku jsem si myslel, že si koupím levný hotový systém z eBay nebo Aliexpress, tyto systémy jsou běžně známé jako světelné brány, fotobrány nebo podobné. Ukázalo se, že předem připravené systémy časování světelných bran jsou ve skutečnosti poměrně drahé, a tak jsem se rozhodl postavit si vlastní.

Obsluha systému časování světelných bran je velmi jednoduchá. Každá světelná brána se na jedné straně skládá z laserového modulu, který na druhé straně promítá laserový bod na světelně závislý odporový modul (LDR). Měřením výstupu LDR může systém detekovat, kdy došlo k přerušení laserového paprsku. Pomocí dvou z těchto bran systém spustí časovač, když je porušen první paprsek, a zastaví časovač, když zjistí, že byl přerušen druhý paprsek. Výsledný zaznamenaný čas se zobrazí na LCD obrazovce.

Budování systému, jako je tento, se studenty je skvělým úvodem do kódování, je také velmi užitečným prostředkem ve třídě, jakmile bude hotový. Tento typ systému je skvělý pro činnosti STEM a lze jej použít k měření rychlosti jízdy aut jako gumičky, pastičky na myši nebo derby z borovicového dřeva na stanovenou vzdálenost.

Disclaimer: Zde uvedené řešení není ani zdaleka optimální. Jsem si vědom toho, že některé věci mohou být mnohem lepší nebo efektivnější. Tento projekt byl původně sestaven ve velmi krátkém termínu a pro zamýšlený účel fungoval naprosto v pořádku. Mám v plánu vydat verzi 2 i verzi 3 tohoto systému s vylepšeními, podívejte se prosím na poslední krok instruktáže. Implementace obvodu a kódu je na vaše vlastní riziko.

Zásoby

• Arduino R3 (nebo kompatibilní deska) - 4,50 GBP
• Protoboard s křídlem z pera Adafruit - malá část jakéhokoli typu protoboardu je také v pořádku - 1 £
• Štít klávesnice LCD - Zajistěte, aby odpovídal verzi arduina, kterou máte - 5 GBP
• 2 x modul LDR (Light Dependent Resistor) - Hledání „arduino LDR“na eBay by mělo ukázat spoustu možností - každý 2,30 GBP
• 2 x Laserový modul - Hledání „arduino laseru“na eBay by mělo ukázat spoustu možností. Zajistěte, aby výkon laseru nebyl větší než 5 mW. - 2,25 GBP pro tři
• 4 x malý stativ - 3,50 liber za kus
• Matice 4x 1/4 palce - Pro standardní závit stativu - 2 £
• Průhledný akryl pro pouzdro Arduino 3 £
• Matice a šrouby M3 - 2 £
• Plastové distanční sloupky PCD - jejich sady lze na Ebay sehnat docela levně. - 6,80 GBP
• 4 x 3D tištěné přílohy - náklady na materiál se pohybovaly kolem 5 liber.
• Plochý kabel - 5 liber

Celkové náklady se pohybovaly kolem 55 GBP, což předpokládá přístup k laserové řezačce i 3D tiskárně. Většina nákladů je zde za pouzdra, matice a šrouby atd. Skutečné náklady na elektroniku jsou pouze 22 GBP, takže zde pravděpodobně existuje prostor pro mnoho optimalizace.

Krok 1: Naprogramujte Adrunio

Nahrajte níže uvedený kód do Arduina. Pokud nevíte, jak to udělat, podívejte se na tento skvělý návod.

Základní logika kódu je následující:

1. Zapněte laserové moduly a zkontrolujte, než každý LDR „vidí“laserový paprsek.
2. Počkejte, až LDR 1 detekuje přerušení laserového paprsku, okamžitě spusťte časovač.
3. Počkejte, až LDR 2 detekuje přerušení laserového paprsku, okamžitě zastavte časovač.
4. Výsledný čas zobrazte na LCD obrazovce v milisekundách.

Kód je určen pouze k měření jednoho běhu, jakmile byl zaznamenán čas z obrazovky, tlačítko restartu na štítu se používá k restartování programu.

ODKAZ NA KÓD ARDUINO

(Pro informaci: Kód je umístěn na create.arduino.cc a já bych byl rád, kdyby byl kód vložen sem, ale editor Instructables neumožňuje, aby se vložený iframe zobrazoval nebo fungoval správně. Pokud to někdo z Instructables čte, prosím implementujte to jako funkci v budoucnu, díky)

Krok 2: Přílohy pro 3D tisk

Moduly laseru a LDR musí být drženy na místě, aby se zajistilo, že v důsledku pohybu modulů nedojde k přerušení paprsku. 3D vytiskněte níže uvedené skříně a přišroubujte moduly na místo, laserový modul bude muset být držen na místě pomocí zipu, protože nemá žádný otvor pro šroub.

Ujistěte se, že uvnitř každého pouzdra je zachycena 1/4 palcová matice, která bude později použita k připojení těchto pouzder ke stativům. Obě poloviny skříně jsou drženy pohromadě maticemi a šrouby M3.

Krok 3: Laserem řezané pouzdro Arduino

Níže uvedené pilníky vyřezejte laserem z čirého akrylu o tloušťce 4 mm. Zarovnejte arduino R3 a protoboard s otvory na akrylových dílcích a přišroubujte je na místo. Přišroubujte horní díl pouzdra ke dnu pomocí distančních podložek PCD jako distančních podložek.

Krok 4: Zapojte obvod

LCD štít použitý v tomto projektu je podrobně vysvětlen v tomto skvělém návodu. LCD obrazovka a vstupní tlačítka používají některé I/O piny arduina, z tohoto důvodu všechny I/O pro laserové moduly a LDR používají pouze piny 1, 2, 12 a 13.

Je vyžadováno velmi malé zapojení, ale zajistěte, aby byl obvod připojen podle schématu. Do vodičů laserového a LDR modulu jsem přidal několik konektorů typu JST, abych mohl celou sestavu snadno rozebrat a uložit.

Ano, arduino piny 1 a 2 napájí přímo laserové moduly bez zabudovaného odporu. Protože vybrané laserové moduly jsou navrženy speciálně pro použití s arduino, neměl by to být problém. Laserové moduly odebírají maximální výkon 5 mW, což znamená, že při napájecím napětí kolíku 5 V by měl modul odebírat kolem 1 mA, což je hluboko pod hranicí ~ 40 mA pro napájení proudem na arduino I/O pinech.

Krok 5: Sestavte a vylaďte

Nakonec jste připraveni sestavit vše.

1. Namontujte pouzdra modulů LDR a Laser na malé stativy.
2. Umístěte laserové moduly tak, aby svítily přímo na snímač LDR

V této fázi budete muset věci trochu doladit. Moduly LDR vydávají digitální signál, vysoký signál (5 V) indikuje, že není detekován žádný laserový paprsek, nízký znak (0 V) indikující, že vidí laserový paprsek. Práh intenzity světla, při kterém modul přepíná z výstupního signálu 5 V na 0 V (a naopak), je řízen potenciometrem na desce LDR. Potenciometr budete muset upravit tak, aby modul přepínal mezi výstupem 0 V a 5 V, když to očekáváte.

Buď postupně upravujte potenciometr, dokud systém nebude fungovat podle očekávání, nebo použijte multimetr k měření výstupu modulu LDR a dolaďte podle potřeby.

Krok 6: Provoz a další práce

Nyní byste měli být připraveni systém používat! Obrázky ukazují fáze provozu.

1. Pro inicializaci systému stiskněte tlačítko Select.
2. Zarovnejte lasery tak, aby svítily přímo na snímač LDR.
3. Systém je nyní aktivován. Připravte si model auta.
4. Systém začne časovat, jakmile dojde k přerušení prvního laserového paprsku.
5. Systém se zastaví, jakmile dojde k přerušení druhého laserového paprsku.
6. Poté se na obrazovce zobrazí čas v milisekundách.
7. Stisknutím tlačítka reset načasujete další běh.

Pravděpodobně vytvořím verzi 2.0 tohoto systému, protože existuje několik zjevných vylepšení, která by bylo možné provést:

1. Laserové moduly z Arduina není třeba napájet, mohly by být napájeny z baterie a v případě potřeby jednoduše zapnuty. Když jsem navrhoval systém, zdálo se mi zapojení laserových modulů k Arduinu jako nejjednodušší řešení, v praxi to má za následek dlouhé kabelové trasy, které překážejí.
2. Kondenzátorové čočky jsou na pouzdrech LDR opravdu potřeba. Zarovnání laserové tečky přesně se středem (velmi malého) LDR senzoru je velmi ošidné a někdy to může trvat i několik minut, použití kondenzorové čočky by uživateli poskytlo mnohem větší cíl, na který by laserovým bodem zamířil.

Nyní také přemýšlím o verzi 3.0, která je plně bezdrátová a připojuje se k mému notebooku pomocí Bluetooth, ale je to mnohem větší projekt na další den.

Druhé místo v soutěži STEM