Тахометр колеса хомяка: 11 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Проекты Tinkercad »

Около трех лет назад у племянников появился первый питомец - хомяк по кличке Наггет. Любопытство по поводу тренировок Nugget положило начало проекту, который давно просуществовал Nugget (RIP). В этом руководстве приводится описание функционального оптического тахометра колеса для упражнений. Тахометр колеса хомяка (HWT) отображает максимальную скорость хомяка (об / мин) и общее количество оборотов. Человеческая семья Наггета хотела что-то простое в установке и использовании, но не хотела, чтобы у детей было больше экранного времени. Учитывая жевательный способ взаимодействия грызунов с миром, я подумал, что автономное питание от батареи было бы неплохо. HWT будет работать без подзарядки около 10 дней. Он может записывать до 120 об / мин в зависимости от диаметра колеса.

Шаг 1: Список деталей

Adafruit # 2771 Feather 32u4 Basic Proto (с дополнительной проводкой - см. Шаг 4: Сборка электроники)

Adafruit # 3130 0.54-дюймовый четырехбуквенно-цифровой дисплей FeatherWing - красный

Комплект заголовка Adafruit # 2886 для пера - 12-контактный и 16-контактный набор женских заголовков

Adafruit # 805 Ползунковый переключатель SPDT для макетных плат

Литий-ионный полимерный аккумулятор Adafruit # 3898, идеально подходящий для перьев - 3,7 В, 400 мАч

Модуль ИК-датчика Vishay TSS4038 2,5-5,5 В 38 кГц

Vishay TSAL4400 Инфракрасный излучатель T-1 уп.

Резистор, 470, 1/4 Вт

Переключатель, кнопочный, SPST, мгновенное включение, 0,25-дюймовый монтаж на панели (Jameco P / N 26623 или аналогичный)

(4) нейлоновых крепежных винта 2,5 мм с гайками (или крепежных винтов 4-40 - см. Шаг 6: Сборка HWT)

Корпус тахометра Hamster Wheel - напечатан на 3D-принтере. (Общедоступный файл TinkerCad)

Ободок тахометра Hamster Wheel - напечатан на 3D-принтере. (Общедоступный файл TinkerCad)

Корпус датчика тахометра Hamster Wheel - напечатан на 3D-принтере. (Общедоступный файл TinkerCad)

Фильтр контрастности дисплея. Есть три варианта:

1. (54 мм x 34 мм x 3,1 мм) 1/8 дюйма прозрачный дымчатый поликарбонат серого цвета (пластик или аналог).
2. Без контрастного фильтра
3. 3D-печать фильтра с использованием тонкого полупрозрачного PLA и этого файла Public TinkerCad.

Темная материя: какой-то наклеивающийся материал, не отражающий ИК-излучение. Я использовала наклеивающийся черный фетр из магазина поделок. Creatology Peel and Stick Черный фетр из полиэстера или аналог. См. Также Шаг 7: Калибровка - Примечания к темным участкам.

Примечание: в разумных пределах вы можете заменять детали. Я склонен поддерживать Adafruit из-за их качества и поддержки сообщества разработчиков. О, и я люблю паяльные площадки с золотым покрытием.

Шаг 2: Теория работы

HWT использует инфракрасный свет (ИК) для подсчета оборотов вращающегося колеса для упражнений. Большинство пластиковых колес для упражнений довольно хорошо отражают ИК-свет. Даже пластиковые колеса, полупрозрачные в видимом свете, могут отражать достаточно ИК-излучения для срабатывания ИК-датчиков. Пользователь создает темную область на колесе с помощью черного наклеиваемого фетра (см. Шаг 7: Калибровка - Примечания к темной области). Когда HWT обнаруживает переход от отражающего к темному, засчитывается один оборот.

HWT использует модуль ИК-датчика Vishay и ИК-светодиодный излучатель. В типичном приложении модуль ИК-датчика Vishay TSS4038 используется для обнаружения присутствия - есть ли что-то (отражающее ИК-излучение) или чего-то нет. HWT здесь не этим занимается. Пластиковое колесо для упражнений всегда под рукой. Мы обманываем датчик, добавляя темную ИК-область, чтобы колесо «исчезало» в ИК-свете. Кроме того, HWT использует конструкцию модуля инфракрасного датчика Vishay TSS4038, чтобы обеспечить рабочее расстояние переменного диапазона. Шаг 3: Раздел кода и листинг кода содержат дополнительную информацию. Основная предпосылка изложена в примечаниях к применению Датчик Vishay TSSP4056 для быстрого определения приближения.

Adafruit Feather имеет микроконтроллер Atmel MEGA32U4 и зону для сквозного прототипирования.

В зоне прототипирования припаян ИК-светодиод Vishay TSAL4400, который создает пачки ИК-сигналов 38 кГц (под управлением микроконтроллера 32U4).

Также в зоне прототипирования припаян модуль ИК-датчика Vishay TSS4038 для отражающего датчика, светового барьера и приложений быстрого измерения расстояния.

Этот модуль ИК-датчика выдает сигнал, если в течение определенного времени принимается импульс ИК-излучения частотой 38 кГц.

Микроконтроллер 32U4 генерирует пакет с частотой 38 кГц каждые 32 мс. Скорость 32 мс определяет максимальную скорость вращения колеса тренировки, которую можно измерить. 32U4 также контролирует модуль ИК-датчика. При достаточном ИК-отражении от колеса хомяка каждая вспышка должна вызывать срабатывание модуля ИК-датчика. Темная область колеса не дает отклика ИК-датчика, что отмечает 32U4. Когда колесо хомяка переместилось так, что есть достаточное ИК-отражение, код 32U4 отмечает изменение и считает это одним оборотом колеса (переход от светлого к темному = 1 оборот).

Примерно каждую минуту 32U4 проверяет, не превысили ли обороты за последнюю минуту предыдущее максимальное количество оборотов в минуту, и при необходимости обновляет этот «личный рекорд». Число оборотов за последнюю минуту также добавляется к общему числу оборотов колеса.

Кнопка используется для отображения количества оборотов (см. Раздел «Шаг 9: нормальный режим») и используется для калибровки HWT (см. Раздел «Шаг 7: режим калибровки»).

Ползунковый переключатель ВКЛ-ВЫКЛ управляет питанием HWT и играет роль в калибровке (см. Шаг 7: Раздел калибровки).

Если диаметр тренировочного колеса известен, общий пробег рассчитывается как (Диаметр * Общее количество оборотов колеса * π).

Шаг 3: Код

Я предполагаю, что пользователь разбирается в Arduino IDE и плате Adafruit Feather 32U4. Я использовал стандартную IDE Arduino (1.8.13) с библиотекой RocketScream Low Power. Я старался обильно и, возможно, точно комментировать код.

Я не документировал причуды и взаимодействия Arduino IDE и системы Adafruit Feather 32U4. Например, 32U4 обрабатывает USB-соединение с загрузчиком Arduino. Заставить хост-компьютер с IDE Arduino найти USB-соединение Feather 32U4 может быть проблематичным. На форуме есть ветки форума с подробным описанием проблем и их исправлений.

Работа Feather 32U4 USB, в частности библиотеки RocketScream Low Power, нарушена. Таким образом, чтобы загрузить код из Arduino IDE в 32U4, пользователю может потребоваться нажать кнопку сброса Feather 32U4, пока IDE не найдет последовательный порт USB. Это намного проще сделать до сборки HWT.

Шаг 4: соберите электронику

1. Собрать Adafruit # 2771

   1. Если требуется наименьшее потребление мощности, обрежьте дорожку между R7 и красным светодиодом. Это отключает светодиод Feather.
   2. Установите Adafruit # 2886 Header Kit на # 2771 Feather согласно их руководству. Обратите внимание, что есть несколько вариантов стилей заголовков. Размер корпуса, напечатанного на 3D-принтере HWT, соответствует размеру этого заголовка.

   3. Установите оптические компоненты на перо # 2771. Обратитесь к изображениям и схеме.

      • Модуль ИК-датчика Vishay TSS4038
      • Инфракрасный излучатель Vishay TSAL4400
      • Резистор, 470, 1/4 Вт
      • Корпус датчика тахометра колеса хомяка - 3D-печать. (Общедоступный файл TinkerCad)
2. Припаяйте кнопочный переключатель дисплея к сборке печатной платы Feather 32U4 (PCBA) в соответствии со схемой.
3. Соберите четырехбуквенно-цифровой дисплей FeatherWing Adafruit # 3130 0,54 дюйма согласно их руководству.

4. Соберите блок выключателя питания / батареи в соответствии с изображениями и схемой. Примечание: выводы переключателя рядом с переключателем должны быть свободны от припоя, чтобы переключатель правильно поместился в корпусе HWT.

   • LiPo аккумулятор Adafruit # 3898.
   • Ползунковый переключатель Adafruit # 805 SPDT.
   • Монтажный провод.

   Примечание. Не стесняйтесь подключать провода по своему усмотрению. Именно так я собрал HWT для этого Instructable. У других прототипов провода были размещены немного иначе. Пока ваша проводка соответствует схеме, а датчик Vishay и корпус светодиода выступают из нижней части корпуса HWT, все в порядке.

Шаг 5: детали, напечатанные на трехмерном изображении

Корпус HWT состоит из трех частей, напечатанных на 3D-принтере:

1. Корпус тахометра Hamster Wheel - (общедоступный файл TinkerCad)
2. Ободок тахометра Hamster Wheel - (общедоступный файл TinkerCad)
3. Корпус датчика тахометра колеса хомяка - (общедоступный файл TinkerCad)

Корпус HWT, лицевая панель дисплея HWT и корпус датчика HWT были созданы в Tinkercad и являются общедоступными файлами. Человек может загружать копии и изменять их по своему усмотрению. Я уверен, что дизайн можно оптимизировать. Они печатаются на MakerGear M2 с использованием элемента управления Simplify3D. У Adafruit есть учебник для 3D-печатного футляра для Adafruit Feather. Я нашел эти настройки 3D-принтера хорошей отправной точкой для моего принтера M2 MakerGear.

При необходимости фильтр контрастности дисплея можно напечатать на 3D-принтере с использованием тонкого полупрозрачного PLA и этого общедоступного файла TinkerCad.

Шаг 6: соберите HWT

1. Подсоедините блок батареи / переключателя к печатной плате Feather # 2771. Сейчас это сделать намного проще, чем когда Feather # 2771 прикручивается болтами к корпусу HWT.
2. Установите ползунковый переключатель на место в корпусе HWT.
3. Уложите провода в сторону, когда вы вставляете Feather PCBA в корпус.
4. Корпус датчика должен выступать из задней части корпуса HWT.
5. Гайки 2,5 мм трудно прикрепить к винтам 2,5 мм. Вы можете использовать 4-40 крепежных винта, как описано в руководстве по Adafruit.
6. Вдавите печатную плату дисплея # 3130 в печатную плату Feather # 2771. Обратите внимание на погнутые или смещенные штифты.
7. Прикрепите переключатель к лицевой панели дисплея.
8. Вставьте лицевую панель дисплея в корпус HWT.

Шаг 7: Калибровка

В режиме калибровки на дисплее постоянно отображается выходной сигнал ИК-датчика. Калибровка помогает проверить:

1. Колесо хомяка отражает достаточное количество инфракрасного света.
2. Темная область поглощает инфракрасный свет.
3. Настройки диапазона соответствуют расстоянию до колеса тренировки.

• Чтобы войти в режим калибровки:

  1. Выключите HWT с помощью ползункового переключателя питания.
  2. Нажмите и удерживайте кнопку Display.
  3. Включите HWT с помощью ползункового переключателя питания.
  4. HWT переходит в режим калибровки и отображает CAL.
  5. Отпустите кнопку Display. HWT теперь отображает букву, представляющую настройку диапазона (L, M или S) и показания датчика. Обратите внимание, что показания датчика не являются фактическим расстоянием от колеса до HWT. Это показатель качества отражения.

• Как проверить ИК-отражение колеса:

  При адекватном отражении дисплей датчика должен показывать около 28. Если колесо находится слишком далеко от HWT, отражение недостаточное, и дисплей датчика будет пустым. В таком случае переместите колесо ближе к HWT. Вращайте колесо; показания будут колебаться по мере вращения колеса. Диапазон от 22 до 29 - это нормально. Показания датчика не должны быть пустыми. Буква диапазона (L, M или S) будет отображаться всегда.

• Как проверить реакцию темной области:

  Область, которая поглощает ИК-излучение (темная область), приведет к тому, что показания датчика станут пустыми. Поверните колесо так, чтобы темная область была представлена HWT. Дисплей должен погаснуть, что означает отсутствие отражения. Если отображаются числа, темная область находится слишком близко к HWT ИЛИ используемый темный материал не поглощает достаточное количество ИК-света.

  Заметки о темной области

  Все, что поглощает инфракрасный свет, будет работать, например плоская черная краска или плоский черный скотч. Важно ровное или матовое покрытие! Блестящий черный материал может сильно отражать инфракрасный свет. Темная область может быть на окружности или на плоской стороне колеса тренировки. Что вы выберете, зависит от того, где вы устанавливаете HWT.

  Темная область должна быть достаточного размера, чтобы ИК-датчик мог видеть только темную область, а не соседний отражающий пластик. ИК-излучатель излучает конус ИК-излучения. Размер конуса пропорционален расстоянию между HWT и колесом. Соотношение один к одному работает. Если HWT находится на расстоянии 3 дюймов от колеса, темная область должна быть 2-3 дюйма в поперечнике. Извините за имперские единицы.

  На изображении показан ИК-светодиод TSAL4400, освещающий цель с расстояния 3 дюйма. Изображение было снято камерой NOIR Raspberry Pi.

  Подсказка по выбору материала: как только я собрал HWT, я использовал его в качестве измерителя ИК-отражения (вот что это такое). Во время разработки я брал HWT в зоомагазины, хозяйственные магазины и магазины тканей. Многие предметы были «протестированы». Я исследовал пластиковые колеса для упражнений, темные материалы и влияние на расстояние от материалов. Делая это, я получил представление о производительности и ограничениях HWT. Это позволило мне правильно разместить пластиковое колесо в обойме и выбрать правильную настройку диапазона в режиме калибровки. Да, не раз приходилось объяснять озадаченным сотрудникам магазинов, что я делаю.

• Как изменить диапазон:

  1. В режиме калибровки первым отображаемым символом является установка диапазона (L, M, S):

     • (L) ong range = от 1,5 до 5 дюймов
     • (M) edium диапазон = от 1,3 до 3,5 дюймов
     • (S) hort range = 0,5–2 дюйма (заглавная буква S выглядит как цифра 5)

     Примечание. Эти диапазоны зависят от целевых материалов и являются очень приблизительными.

  2. Чтобы изменить диапазон, нажмите кнопку Display. Первый отображаемый символ изменится, чтобы показать новый диапазон.
  3. Чтобы сохранить этот новый диапазон, нажмите и удерживайте кнопку Display в течение 4 секунд. По завершении действия на дисплее в течение двух секунд будет отображаться Savd.

  Примечание: HWT запомнит настройки диапазона после сброса, даже если батарея разрядится.

• Успех? Если колесо упражнений отражает (на дисплее около 28), а темная область поглощает (пустые участки), значит, все готово. Выключите и снова включите HWT, чтобы вернуться в нормальный режим (см. Шаг 9: раздел «Нормальный режим»). В противном случае измените расстояние между HWT и колесом или измените диапазон HWT, пока не добьетесь успеха.

Примечание. Место установки HWT на клетке и калибровка HWT связаны. Возможно, вам не удастся поставить колесо в нужное место в клетке, потому что это положение клетки не входит в зону действия HWT. Выбранный вами материал колеса и материал темной области (черный фетр) также будут иметь значение.

Шаг 8: Установка на клетку

1. Откалибруйте HWT и используйте процесс калибровки, чтобы сообщить, где вы разместите колесо для упражнений и где HWT будет установлен на клетке.
2. HWT можно привязать к стороне клетки с помощью монтажных отверстий корпуса HWT. Я использовал проволочные ленточки с пластиковым покрытием. Проволочные стяжки также работают.
3. После установки HWT и колеса для упражнений убедитесь, что колесо для упражнений отражает инфракрасный свет, а темная область поглощает инфракрасный свет.

4. При необходимости изменение диапазона описано в разделе «Калибровка». Пользователь может выбрать диапазон расстояний в HWT. Есть три перекрывающихся диапазона:

   • (L) ong range = от 1,5 до 5 дюймов
   • (M) edium диапазон = от 1,3 до 3,5 дюймов
   • (S) диапазон hort = от 0,5 до 2 дюймов
5. Корпус датчика HWT (ИК-излучатель / датчик) не должен закрываться проводом клетки. Возможно, вам придется немного раздвинуть проволоку клетки, чтобы позволить сборке проткнуть проволоку клетки.
6. Убедитесь, что HWT правильно записывает обороты колеса тренировки (см. Шаг 9: Нормальный рабочий режим).

Шаг 9: Нормальный рабочий режим

1. В нормальном режиме HWT считает обороты колеса тренировки.
2. Чтобы войти в нормальный режим, включите HWT с помощью ползункового переключателя питания.

3. На дисплее на одну секунду отобразится nu41, а затем на одну секунду отобразится настройка диапазона.

   • Ra = L дальний
   • Ra = M средний диапазон
   • Ra = S короткое расстояние (заглавная S выглядит как цифра 5)
4. В нормальном режиме работы один сегмент светодиода на дисплее очень коротко мигает каждую минуту.
5. Каждую минуту счет за эту минуту сравнивается с максимальным счетом (личный рекорд хомяка) за предыдущие минуты. При необходимости максимальное количество обновляется. Каждую минуту счет добавляется к общему счету.

6. Нажмите и отпустите кнопку Display, чтобы увидеть количество колес. На дисплее отображается следующее:

   • Сейчас = за которым следует количество оборотов колеса с момента последней проверки. Примечание: это число будет добавлено к общему количеству после следующей минутной отметки.
   • Макс = за которым следует наибольшее количество оборотов. Личный рекорд Наггета с момента последнего отключения питания.
   • Tot = за которым следует общее количество оборотов с момента последнего цикла питания.

При включении и выключении питания (выключение и включение ползунка) HWT обнулит все счетчики. Эти цифры не вернуть.

HWT должен проработать около десяти дней без подзарядки, а затем аккумулятор LiPo автоматически отключится. Чтобы избежать потери счетчиков колес упражнений, зарядите аккумулятор перед автоматическим отключением LiPo-элемента.

Шаг 10: Примечания к LiPo Cell:

1. Ячейки LiPo накапливают много энергии, используя летучие химические вещества. Просто потому, что сотовые телефоны и ноутбуки используют их, не следует ли к ним относиться осторожно и уважительно.
2. В HWT используется перезаряжаемый литий-полимерный (LiPo) элемент 3,7 В. Верхняя часть ячеек Adafruit LiPo обернута янтарным пластиком. Это охватывает встроенную цепь защиты от заряда / разряда на небольшой печатной плате. Красный и черный выводы ячеек с разъемом JST на самом деле припаяны к печатной плате. Наличие цепи мониторинга между LiPo и внешним миром - это очень хорошая функция безопасности.
3. HWT потеряет питание, если интегральная схема защиты LiPo заряда / разряда решит, что аккумулятор LiPo слишком низкий. Счетчики колеса упражнений будут потеряны!
4. Если HWT кажется «мертвым», вероятно, требуется подзарядка аккумулятора. Подключите HWT с помощью кабеля micro USB к стандартному источнику питания USB.
5. Во время зарядки в пластиковом корпусе HWT будет виден желтый светодиод.
6. LiPo будет полностью заряжен примерно за 4-5 часов.
7. Схема защиты LiPo-ячеек не позволит LiPo перезарядиться, но отключает кабель micro-USB, когда желтый светодиод гаснет.
8. Как описано в документации Adafruit # 3898, я изначально планировал, что ячейка LiPo поместится между печатной платой Feather # 2771 и платой дисплея # 3130. Я обнаружил, что моя проводка в области прототипа Feather # 2771 была слишком высокой для ячейки LiPo, чтобы она могла поместиться без вмятин на элементе LiPo. Это заставило меня нервничать. Я прибег к тому, чтобы положить аккумулятор на бок рядом с печатными платами.
9. Эти считываемые и черные провода интегральной схемы защиты от заряда / разряда LiPo не любят сгибаться. В процессе разработки я сломал не один комплект проводов. Чтобы уменьшить натяжение, я спроектировал и напечатал на 3D-принтере приспособление для снятия натяжения. Это серый блок наверху ячейки LiPo. Он не нужен, но вот он (общедоступный файл TinkerCad).

Шаг 11: История развития:

За три года существования проекта Nugget появилось несколько версий:

1.xПроверка концепции и платформа для сбора данных.

Был охарактеризован диапазон производительности Nugget (максимальная частота вращения, общее количество, время активности). В расцвете сил Наггет разгонялся до 100 оборотов в минуту и мог пробегать 0,5 мили за ночь. Таблица расчетов данных для различных колес прилагается. Прилагается также файл с фактическими записями RPM Nugget, хранящимися на SD-карте.

• Ардуино Дуэмиланове
• Adafruit # 1141 щит регистратора данных SD-карты
• Adafruit # 714 + # 716 ЖК-экран
• Световозвращающий оптический датчик OMRON E3F2-R2C4
• Настенный трансформатор переменного тока (Omron требуется 12 вольт)

2.x Датчики и оборудование изучены.

Установил микроконтроллер и отображает:

• Adafruit # 2771 Перо 32U4
• Adafruit # 3130 14-сегментный светодиодный дисплей Featherwing.

Эта комбинация была выбрана из-за низкого энергопотребления (спящие режимы 32U4), управления батареей (встроенное зарядное устройство LiPo) и стоимости (светодиоды недорогие и более низкое энергопотребление, чем ЖК-дисплей + подсветка).

• Были исследованы магнитные датчики с эффектом Холла и парные дискретные оптические датчики (например, QRD1114). Дальность всегда была недостаточной. Заброшенный.
• Adafruit # 2821 Feather HUZZAH с ESP8266, который сообщил на панели управления Adafruit IO. Заказчик не хотел больше экранного времени. Заброшенный.

3.xСенсор работы:

В этой серии также были исследованы альтернативные датчики, такие как использование шагового двигателя в качестве энкодера, аналогичного данному Руководству. Возможно, но для низкого уровня сигнала при низких оборотах. Небольшая дополнительная работа могла бы превратить это в жизнеспособное решение, но это не простая модернизация существующей среды обитания хомяков. Заброшенный.

4.1 Аппаратное / программное решение, описанное в данном Руководстве.

5.x Больше работы сенсора:

Осмотрел цифровой датчик расстояния Sharp GP2Y0D810Z0F с Pololu Carrier при использовании Adafruit # 2771 Feather 32U4 и Adafruit # 3130 14-сегментный светодиодный дисплей Featherwing. Сработало хорошо. Сделал код тривиальным. Использовал больше энергии, чем решение Vishay TSSP4038. Заброшенный.

6.x Будущее?

• Замените некоторые монтажные выступы корпуса HWT для Adafruit # 2771 Feather на монтажные стойки.
• Замените переключатель включения / выключения кнопочным переключателем, подключенным к функции сброса Feather.
• Микроконтроллер ATSAMD21 Cortex M0, такой как установленный на Adafruit # 2772 Feather M0 Basic Proto, обладает множеством привлекательных функций. Я бы внимательно посмотрел на это в другой редакции.
• Vishay имеет новый модуль ИК-датчика TSSP94038. У него более низкие текущие потребности и более определенная реакция.

Финалист в конкурсе с питанием от батареи