Детектор мерцания света: 3 шага (с изображениями)

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

Меня всегда восхищало то, что электроника сопровождает нас. Это просто везде. Когда мы говорим об источниках света (не естественных, таких как звезды), мы должны учитывать несколько параметров: яркость, цвет и, в случае дисплея ПК, качество изображения.

Визуальным восприятием света или яркостью электронного источника света можно управлять различными способами, наиболее популярным из которых является широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - просто включайте и выключайте устройство очень быстро, чтобы переходные процессы казались «невидимыми» для человеческого глаза. Но, как оказалось, при длительном использовании он не слишком хорош для человеческого глаза.

Когда мы берем, например, дисплей ноутбука и уменьшаем его яркость - он может казаться темнее, но на экране происходит много изменений - мерцание. (Больше примеров можно найти здесь)

Меня очень вдохновила идея этого видео на YouTube, объяснение и простота этого просто потрясающие. Прикрепив простые стандартные устройства, можно создать полностью портативное устройство обнаружения мерцания.

Устройство, которое мы собираемся построить, представляет собой детектор мерцания источника света, использующее в качестве источника света небольшую солнечную батарею и состоящее из следующих блоков:

1. Маленькая солнечная панель
2. Встроенный аудиоусилитель
3. Оратор
4. Разъем для подключения наушников, если мы хотим потестить с большей чувствительностью
5. Перезаряжаемый литий-ионный аккумулятор в качестве источника питания
6. Разъем USB Type-C для зарядки
7. Светодиодный индикатор питания

Запасы

Электронные компоненты

• Встроенный усилитель мощности звука
• Динамик 8 Ом
• Литий-ионный аккумулятор 3,7 В, 850 мАч
• Аудиоразъем 3,5 мм
• Мини-поликристаллическая солнечная батарея
• TP4056 - Плата для зарядки литий-ионных аккумуляторов
• RGB светодиод (пакет TH)
• 2 резистора 330 Ом (корпус TH)

Механические компоненты

• Ручка потенциометра
• Корпус, напечатанный на 3D-принтере (можно использовать дополнительную коробку для проекта, имеющуюся в наличии)
• 4 винта диаметром 5 мм

Инструменты

• Паяльник
• Пистолет для горячего клея
• отвертка Филлипс
• Одножильный провод
• 3D-принтер (опционально)
• Плоскогубцы
• Пинцет
• Резак

Шаг 1: теория работы

Как уже упоминалось во введении, мерцание вызвано ШИМ. Согласно Википедии, человеческий глаз может улавливать до 12 кадров в секунду. Если частота кадров превышает это число, это считается движением для человеческого зрения. Следовательно, если наблюдается быстрое изменение объекта, мы видим его среднюю интенсивность вместо последовательности отдельных кадров. Суть идеи ШИМ в схемах управления яркостью: поскольку мы можем видеть только среднюю интенсивность при более высокой частоте кадров, чем 12 кадров в секунду (опять же, согласно Википедии), мы можем легко настроить яркость (рабочий цикл) источника света, запитанного через изменение периодов времени, когда свет горит или выключен (Подробнее о ШИМ), где частота переключения постоянна и намного превышает 12 Гц.

В этом проекте описывается устройство, громкость и частота звука которого пропорциональны мерцающему шуму, вызванному ШИМ.

Мини-поликристаллическая панель

Основное назначение этих устройств - преобразование энергии, получаемой от источника света, в электрическую энергию, которую можно легко собрать. Одно из ключевых свойств этой батареи заключается в том, что если источник света не обеспечивает стабильную постоянную интенсивность и изменяется во времени, такие же изменения будут присутствовать на выходном напряжении этой панели. Итак, вот что мы собираемся обнаружить - изменение интенсивности с течением времени.

Усилитель звука

Выходная мощность, производимая солнечной панелью, пропорциональна среднему уровню интенсивности (DC) с дополнительными изменениями интенсивности с течением времени (AC). Мы заинтересованы в обнаружении только переменного напряжения, и самый простой способ этого добиться - подключить аудиосистему. Звуковой усилитель, который использовался в этой конструкции, представляет собой печатную плату с однополярным питанием, с конденсаторами блокировки постоянного тока на каждой стороне, как на входе, так и на выходе. Итак, выход солнечной панели подключен напрямую к аудиоусилителю. Усилитель, используемый в этой конструкции, уже имеет потенциометр со встроенным переключателем ВКЛ / ВЫКЛ, что позволяет полностью контролировать мощность устройства и громкость динамика.

Управление литий-ионными батареями

В этот проект была добавлена схема зарядного устройства для литий-ионных аккумуляторов TP4056, чтобы сделать устройство портативным и перезаряжаемым. Разъем USB-C действует как вход для зарядного устройства, а использованный аккумулятор емкостью 850 мАч, 3,7 В, которого достаточно для целей, которые нам необходимо реализовать с этим устройством. Напряжение батареи действует как основной источник питания для аудиоусилителя, а значит, и для всего устройства.

Динамик как системный выход

В устройстве главную роль играет динамик. Я выбрал относительно небольшой по размеру, с прочным креплением к корпусу, чтобы слышать и более низкие частоты. Как уже упоминалось ранее, частоту и громкость динамика можно определить следующим образом:

f (динамик) = f (переменный ток от солнечной панели) [Гц]

P (динамик) = K * I (размах сигнала переменного тока от солнечной панели) [Вт]

K - это объемный коэффициент

Аудиоразъем

Разъем 3,5 мм используется в том случае, если мы хотим подключить наушники. В этом устройстве гнездо имеет контакт обнаружения подключения, который отсоединяется от сигнального контакта при подключении аудиоштекера. Он был разработан таким образом, чтобы обеспечить вывод на единственный путь одновременно - динамик ИЛИ наушники.

RGB светодиод

Здесь светодиод выполняет двойную функцию - он загорается, когда устройство заряжается или устройство включено.

Шаг 2: Корпус - Дизайн и печать

3D-принтер - отличный инструмент для создания корпусов и корпусов по индивидуальному заказу. Корпус для этого проекта имеет очень простую конструкцию с некоторыми общими особенностями. Давайте расширим его шаг за шагом:

Подготовка и FreeCAD

Корпус был разработан в FreeCAD (файл проекта доступен для загрузки внизу этого шага), где сначала был сконструирован корпус устройства, а сплошная крышка была построена как отдельная часть относительно корпуса. После того, как устройство было спроектировано, необходимо экспортировать его как отдельный корпус и крышку.

Мини-солнечная панель устанавливается на крышке с областью фиксированного размера, где вырез предназначен для проводов. Пользовательский интерфейс доступен с обеих сторон: разъем USB и отверстие для светодиода | разъема | потенциометра. У динамика есть своя выделенная область, которая представляет собой множество отверстий в нижней части корпуса. Аккумулятор находится рядом с динамиком, для каждой детали есть свое место, поэтому нам не придется расстраиваться при сборке устройства.

Нарезка и Ultimaker Cura

Поскольку у нас есть файлы STL, мы можем перейти к процессу конвертации G-кода. Для этого существует множество способов, я оставлю здесь основные параметры для печати:

• Программное обеспечение: Ultimaker Cura 4.4
• Высота слоя: 0,18 мм
• Толщина стенки: 1,2 мм
• Кол-во верхних / нижних слоев: 3
• Заполнение: 20%
• Сопло: 0,4 мм, 215 * C
• Кровать: Стекло, 60 * С
• Поддержка: Да, 15%

Шаг 3: пайка и сборка

Пайка

Пока 3D-принтер печатает наш корпус, давайте рассмотрим процесс пайки. Как вы можете видеть на схемах, он упрощен до минимума - по той причине, что все части, которые мы собираемся соединить вместе, доступны как независимые интегрированные блоки. Что ж, последовательность такова:

1. Припаивание клемм литий-ионного аккумулятора к контактам TP4056 BAT + и BAT-
2. Припайка VO + и VO- TP4056 к клеммам VCC и GND аудиоусилителя
3. Припайка «+» клеммы маленькой солнечной панели к VIN (левому или правому) аудиоусилителя и «-» к заземлению аудиоусилителя.
4. Установка двухцветного или RGB-светодиода на два резистора 220R с надлежащей изоляцией
5. Припаиваем анод первого светодиода к клемме переключателя аудиоусилителя (подключение должно выполняться на клемме переключателя). Настоятельно рекомендуется проверить, какой терминал переключателя на нижней стороне печатной платы подключен к VCC - тот, который не является нашим вариантом
6. Анод второго светодиода должен быть припаян к аноду любого из двух светодиодов SMD - они имеют общее анодное соединение.
7. Припаивание светодиодных катодов к ЗАЗЕМЛЕНИЮ аудиоусилителя
8. Припаяйте клеммы динамика к выходу аудиоусилителя (убедитесь, что вы выбрали тот же канал на входе, ЛЕВОЙ или ПРАВЫЙ)
9. Чтобы принудительно отключить динамик, припаяйте разъемы стереоразъема 3,5 мм, которые предотвращают прохождение тока через динамик.
10. Чтобы наушники воспроизводили звук с каждой стороны - L и R, закоротите клеммы, описанные в предыдущем шаге, вместе.

сборка

После того, как корпус напечатан, рекомендуется собирать его по частям с учетом высоты детали:

1. Изготовление каркаса из горячего клея по внутреннему периметру покрытия и размещение там солнечной батареи.
2. Крепление потенциометра гайкой и шайбой с противоположной стороны
3. Приклеивание динамика горячим клеем
4. Приклеиваем батарею горячим клеем
5. Приклеиваем штекер 3,5 мм горячим клеем
6. Приклеиваем аккумулятор… горячим клеем
7. Склеивание TP4056 с USB, направленным за пределы выделенной области выреза с помощью горячего клея
8. Установка ручки на потенциометр
9. Крепление крышки и корпуса четырьмя винтами

Тестирование

Наше устройство настроено и готово к работе! Чтобы правильно проверить устройство, необходимо найти источник света, который может давать переменную интенсивность. Я рекомендую использовать ИК-пульт дистанционного управления, поскольку он обеспечивает переменную интенсивность, частота которой лежит в диапазоне частот человеческого слуха [20 Гц: 20 кГц].

Не забудьте проверить дома все источники света.

Спасибо за прочтение!:)