Лазерная система синхронизации Arduino: 6 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

В рамках моего обучения мне нужна была система для точного измерения того, как быстро модель автомобиля преодолевает 10 метров. Изначально я думал, что куплю дешевую готовую систему на eBay или Aliexpress, эти системы широко известны как световые ворота, фото-ворота или аналогичные. Оказалось, что готовые системы хронометража световых ворот на самом деле довольно дороги, поэтому я решил создать свою собственную.

Работа системы синхронизации световых ворот довольно проста. Каждый световой затвор состоит из лазерного модуля с одной стороны, который проецирует лазерное пятно на светозависимый резисторный модуль (LDR) с другой стороны. Измеряя выходную мощность LDR, система может определить, когда лазерный луч был прерван. Используя два из этих ворот, система запускает таймер, когда первый луч сломан, и останавливает таймер, когда обнаруживает, что второй луч сломан. Результирующее записанное время отображается на ЖК-экране.

Создание такой системы со студентами - отличное введение в программирование, а также действительно полезный ресурс в классе, когда он будет завершен. Этот тип системы отлично подходит для STEM-деятельности и может использоваться для измерения того, насколько быстро такие вещи, как автомобили с резиновой лентой, автомобили-мышеловки или автомобили-дерби из соснового леса, преодолевают заданное расстояние.

Отказ от ответственности: представленное здесь решение далеко от оптимального. Я знаю, что некоторые вещи могут быть намного лучше или эффективнее. Этот проект изначально был выполнен в очень сжатые сроки и отлично работал по назначению. У меня есть планы выпустить как версию 2, так и версию 3 этой системы с улучшениями, см. Последний шаг инструкции. Вы выполняете схему и код на свой страх и риск.

Запасы

• Arduino R3 (или совместимая плата) - 4,50 фунта стерлингов
• Протоборд Adafruit из пера крыла - Небольшая секция любого типа прототипа тоже подойдет - 1 фунт стерлингов.
• Экран ЖК-клавиатуры - убедитесь, что он соответствует вашей версии Arduino - 5 фунтов стерлингов.
• 2 модуля светозависимого резистора (LDR) - поиск на ebay "arduino LDR" должен показать множество вариантов - 2,30 фунта стерлингов каждый
• 2 x Laser module - поиск на ebay по запросу "arduino laser" должен показать множество вариантов. Убедитесь, что мощность лазера не превышает 5 мВт. - 2,25 фунта стерлингов на троих
• 4 маленьких штатива - 3,50 фунта стерлингов каждый
• 4 гайки 1/4 дюйма - для стандартной резьбы штатива - 2 фунта стерлингов
• Прозрачный акрил для корпуса Arduino £ 3
• Гайки и болты M3 - 2 фунта стерлингов
• Пластиковые стойки из PCD - их можно довольно дешево купить на Ebay - £ 6,80.
• 4 корпуса, напечатанные на 3D-принтере - стоимость материалов составляла около 5 фунтов стерлингов.
• Ленточный кабель - 5 фунтов стерлингов.

Общая стоимость составила около 55 фунтов стерлингов, это предполагает доступ как к лазерному резаку, так и к 3D-принтеру. Большая часть стоимости здесь приходится на корпуса, гайки и болты и т. Д. Фактическая стоимость электроники составляет всего 22 фунта стерлингов, так что здесь, вероятно, есть место для большой оптимизации.

Шаг 1. Запрограммируйте Adrunio

Загрузите приведенный ниже код в Arduino. Если вы не знаете, как это сделать, ознакомьтесь с этой замечательной инструкцией.

Основная логика кода следующая:

1. Включите лазерные модули и проверьте, может ли каждый LDR «видеть» лазерный луч.
2. Подождите, пока LDR 1 обнаружит обрыв лазерного луча, немедленно запустите таймер.
3. Подождите, пока LDR 2 обнаружит обрыв лазерного луча, немедленно остановите таймер.
4. Отобразите полученное время на ЖК-экране в миллисекундах.

Код предназначен только для измерения времени одного запуска, после того, как время на экране было записано, кнопка сброса на щите используется для перезапуска программы.

ССЫЛКА НА КОД ARDUINO

(К вашему сведению: код размещен на create.arduino.cc, и я хотел бы встроить код здесь, но редактор Instructables не позволяет встроенному iframe отображаться или работать правильно. Если кто-то в Instructables читает это, пожалуйста реализовать это как функцию в будущем, спасибо)

Шаг 2: корпуса для 3D-печати

Модули лазера и LDR необходимо удерживать на месте, чтобы гарантировать отсутствие разрывов луча в результате перемещения модулей. Распечатайте корпуса ниже на 3D-принтере и закрепите модули болтами, лазерный модуль необходимо будет удерживать на месте с помощью стяжки, так как в нем нет сквозного отверстия для болта.

Не забудьте зажать гайку 1/4 дюйма внутри каждого футляра, она будет использоваться позже, чтобы эти футляры можно было подсоединить к штативам. Две половины корпуса скрепляются гайками и болтами M3.

Шаг 3: Лазерная резка корпуса Arduino

Вырежьте расположенные ниже файлы лазером из прозрачного акрила толщиной 4 мм. Совместите Arduino R3 и protoboard с отверстиями на акриловых деталях и прикрутите их на место. Прикрутите верхнюю часть корпуса к нижней части, используя стойки PCD в качестве проставок.

Шаг 4: Подключите схему

ЖК-экран, используемый в этом проекте, подробно объясняется в этом замечательном руководстве. ЖК-экран и кнопки ввода используют некоторые выводы ввода / вывода Arduino, однако по этой причине все вводы / выводы для лазерных модулей и LDR используют только выводы 1, 2, 12 и 13.

Требуется очень мало проводов, но убедитесь, что цепь подключена, как показано на схеме. Я добавил несколько разъемов типа JST к проводам лазера и модуля LDR, чтобы я мог легко разобрать и сохранить всю установку.

Да, контакты 1 и 2 Arduino напрямую питают лазерные модули без линейного резистора. Поскольку выбранные лазерные модули разработаны специально для использования с Arduino, это не должно быть проблемой. Лазерные модули потребляют максимальную мощность 5 мВт, это означает, что при напряжении питания 5 В на выводе модуль должен потреблять около 1 мА, что значительно ниже предела ~ 40 мА для подачи тока на выводы ввода / вывода Arduino.

Шаг 5: соберите и настройте

Наконец, вы готовы все собрать.

1. Установите корпуса LDR и лазерного модуля на небольшие штативы.
2. Расположите лазерные модули так, чтобы они светили прямо на датчик LDR.

На этом этапе вам нужно будет немного настроить вещи. Модули LDR выдают цифровой сигнал, высокий сигнал (5 В), указывающий, что лазерный луч не обнаружен, низкий знак (0 В), указывающий, что он может видеть лазерный луч. Порог интенсивности света, при котором модуль переключается с выходного сигнала 5 В на 0 В (и наоборот), контролируется потенциометром на плате LDR. Вам нужно будет настроить потенциометр так, чтобы модуль переключался между выходом 0 В и 5 В, когда вы этого ожидаете.

Либо постепенно регулируйте потенциометр, пока система не начнет работать должным образом, либо используйте мультиметр для измерения выходного сигнала модуля LDR и настройки по мере необходимости.

Шаг 6: Эксплуатация и дальнейшая работа

Теперь вы должны быть готовы к использованию системы! На изображениях показаны этапы работы.

1. Нажмите кнопку выбора, чтобы инициализировать систему.
2. Выровняйте лазеры так, чтобы они светили прямо на датчик LDR.
3. Теперь система поставлена на охрану. Установите вашу модель автомобиля в движение.
4. Система начнет отсчет времени, как только первый лазерный луч прервется.
5. Система остановится, как только второй лазерный луч прервется.
6. Затем на экране отображается время в миллисекундах.
7. Нажмите кнопку сброса, чтобы рассчитать время еще одного прогона.

Я, вероятно, создам версию 2.0 этой системы, поскольку в нее можно внести некоторые очевидные улучшения:

1. Нет необходимости питать лазерные модули от Arduino, они могут питаться от батареи и просто включаться при необходимости. Когда я проектировал систему, подключение лазерных модулей к Arduino для подачи питания казалось самым простым решением, на практике это приводит к длинным кабелям, которые мешают.
2. На корпусах LDR линзы конденсатора действительно нужны. Выравнивание лазерной точки точно по центру (очень маленького) датчика LDR очень сложно и иногда может занять несколько минут, использование конденсорной линзы даст пользователю гораздо большую цель, на которую можно нацелить лазерную точку.

Я также сейчас даже думаю о версии 3.0, которая будет полностью беспроводной и просто подключается к моему ноутбуку через Bluetooth, однако это гораздо более крупный проект на другой день.

Финалист конкурса STEM Contest