System pomiaru czasu oparty na Arduino Laser: 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

W ramach nauczania potrzebowałem systemu do dokładnego pomiaru, jak szybko model pojazdu przejechał 10 metrów. Początkowo myślałem, że kupię tani gotowy system z eBaya lub Aliexpressa, systemy te potocznie nazywane są bramkami świetlnymi, bramkami foto lub podobnymi. Okazało się, że gotowe systemy czasowe bramek świetlnych są jednak dość drogie, więc zdecydowałem się zbudować własny.

Działanie systemu czasowego bramki świetlnej jest dość proste. Każda bramka świetlna składa się z modułu laserowego z jednej strony, który rzutuje plamkę lasera na moduł rezystora zależnego od światła (LDR) z drugiej strony. Mierząc wyjście LDR, system może wykryć, kiedy wiązka lasera została przerwana. Używając dwóch z tych bramek, system uruchamia licznik czasu, gdy pierwsza wiązka jest uszkodzona i zatrzymuje licznik, gdy wykryje, że druga wiązka została uszkodzona. Wynikowy zarejestrowany czas jest wyświetlany na ekranie LCD.

Budowanie takiego systemu z uczniami jest świetnym wprowadzeniem do kodowania, a po jego zakończeniu jest również naprawdę przydatnym źródłem informacji w klasie. Ten typ systemu doskonale nadaje się do ćwiczeń STEM i może być używany do pomiaru prędkości, z jaką przedmioty, takie jak samochody z gumką, samochody z pułapkami na myszy lub samochody na derby z drewna sosnowego, pokonują określoną odległość.

Zastrzeżenie: Przedstawione tutaj rozwiązanie jest dalekie od optymalnego. Zdaję sobie sprawę, że niektóre rzeczy mogą być o wiele lepsze lub bardziej wydajne. Ten projekt został początkowo złożony w bardzo napiętym terminie i działał absolutnie dobrze w zamierzonym celu. Planuję wydać zarówno wersję 2, jak i wersję 3 tego systemu z ulepszeniami, zobacz ostatni krok instrukcji. Wdrożenie obwodu i kodu odbywa się na własne ryzyko.

Kieszonkowe dzieci

• Arduino R3 (lub kompatybilna płyta) - 4,50 £
• Protoboard Adafruit ze skrzydłami piórowymi - Mały fragment dowolnej płyty prototypowej jest również w porządku - £1
• Osłona klawiatury LCD - Upewnij się, że jest dopasowana do wersji arduino, którą masz - 5 £
• 2 x moduł Light Dependent Resistor (LDR) – wyszukiwanie w serwisie eBay „arduino LDR” powinno pokazać wiele opcji – 2,30 GBP za sztukę
• 2 x Moduł laserowy - Wyszukiwanie w serwisie eBay hasła "laser arduino" powinno pokazać wiele opcji. Upewnij się, że moc lasera nie przekracza 5mW. - 2,25 £ za trzy
• 4 x mały statyw - 3,50 £ każdy
• 4x nakrętka 1/4 cala - Pasująca do standardowego gwintu statywu - £2
• Przezroczysty akryl do obudowy Arduino £3
• Śruby i nakrętki M3 - £2
• Plastikowe elementy dystansowe PCD - Zestawy z nich można kupić w serwisie eBay za bardzo tanio.- £6,80
• 4 x wydrukowane w 3D obudowy - Koszt materiału wyniósł około 5 funtów.
• Kabel taśmowy - £5

Całkowity koszt wyniósł około 55 funtów, co zakłada dostęp zarówno do wycinarki laserowej, jak i drukarki 3D. Większość kosztów dotyczy obudów, śrub i nakrętek itp. Rzeczywisty koszt elektroniki to tylko 22 funty, więc prawdopodobnie jest tu miejsce na wiele optymalizacji.

Krok 1: Zaprogramuj Adrunio

Prześlij poniższy kod do Arduino. Jeśli nie wiesz, jak to zrobić, sprawdź tę wspaniałą instrukcję.

Podstawowa logika kodu wygląda następująco:

1. Włącz moduły laserowe i sprawdź, czy każdy LDR "widzi" wiązkę lasera.
2. Poczekaj, aż LDR 1 wykryje przerwę w promieniu lasera, natychmiast uruchom timer.
3. Poczekaj, aż LDR 2 wykryje przerwę w promieniu lasera, natychmiast zatrzymaj timer.
4. Pokaż wynikowy czas na ekranie LCD w milisekundach.

Kod jest przeznaczony tylko do pomiaru czasu pojedynczego uruchomienia, po zanotowaniu czasu z ekranu przycisk resetowania na tarczy służy do ponownego uruchomienia programu.

LINK DO KODU ARDUINO

(FYI: kod jest hostowany na create.arduino.cc i chciałbym osadzić kod tutaj, ale edytor Instructables nie pozwala na prawidłowe wyświetlanie lub działanie osadzonego elementu iframe. Jeśli ktoś w Instructables to czyta, proszę zaimplementuj to jako funkcję w przyszłości, dzięki)

Krok 2: Obudowy do druku 3D

Moduły lasera i LDR muszą być utrzymywane na miejscu, aby zapewnić, że w wyniku ruchu modułów nie nastąpi przerwanie wiązki. Wydrukuj 3D obudowy poniżej i przykręć moduły na miejscu, moduł laserowy będzie musiał być utrzymywany na miejscu za pomocą opaski zaciskowej, ponieważ nie ma otworu na śrubę.

Pamiętaj, aby w każdej z obudów uwięzić nakrętkę 1/4 cala, która zostanie później użyta, aby umożliwić połączenie tych skrzynek ze statywami. Dwie połówki obudowy są połączone nakrętkami i śrubami M3.

Krok 3: Wycinana laserowo obudowa Arduino

Wytnij laserowo poniższe pilniki z przezroczystego akrylu o grubości 4mm. Wyrównaj arduino R3 i płytę prototypową z otworami w akrylowych elementach i przykręć na swoim miejscu. Przykręć górną część obudowy do spodu, używając dystansów PCD jako podkładek dystansowych.

Krok 4: Podłącz obwód

Ekran LCD użyty w tym projekcie jest szczegółowo wyjaśniony w tej wspaniałej instrukcji. Ekran LCD i przyciski wejściowe używają niektórych pinów I/O arduino, jednak z tego powodu wszystkie I/O dla modułów laserowych i LDR używają tylko pinów 1, 2, 12 i 13.

Potrzebne jest bardzo mało okablowania, ale upewnij się, że obwód jest podłączony tak, jak pokazano na schemacie. Dodałem kilka złączy typu JST do przewodów lasera i modułu LDR, aby umożliwić mi łatwy demontaż i przechowywanie całej konfiguracji.

Tak, piny 1 i 2 arduino bezpośrednio zasilają moduły laserowe bez rezystora wbudowanego. Ponieważ wybrane moduły laserowe są zaprojektowane specjalnie do użytku z arduino, nie powinno to stanowić problemu. Moduły laserowe pobierają maksymalną moc 5mW, co oznacza, że przy napięciu zasilania pinu 5V moduł powinien pobierać około 1mA, jest to znacznie poniżej limitu ~40mA dla prądu zasilania na pinach arduino I/O.

Krok 5: Złóż i dostrój

Wreszcie jesteś gotowy, aby wszystko złożyć.

1. Zamontuj obudowy modułów LDR i Laser na małych statywach.
2. Ustaw moduły laserowe tak, aby świeciły bezpośrednio na czujnik LDR

Na tym etapie będziesz musiał trochę dopracować. Moduły LDR wysyłają sygnał cyfrowy, wysoki sygnał (5 V) wskazujący, że nie wykryto wiązki laserowej, niski znak (0 V) wskazujący, że widzi wiązkę laserową. Próg natężenia światła, przy którym moduł przełącza się z sygnału wyjściowego 5V na 0V (i odwrotnie) jest kontrolowany przez potencjometr na płytce LDR. Będziesz musiał wyregulować potencjometr tak, aby moduł przełączał się między wyjściem 0V i 5V, kiedy tego oczekujesz.

Stopniowo reguluj potencjometr, aż system zacznie działać zgodnie z oczekiwaniami, lub użyj multimetru do pomiaru wyjścia modułu LDR i dostrojenia go zgodnie z wymaganiami.

Krok 6: Eksploatacja i dalsza praca

Teraz powinieneś być gotowy do korzystania z systemu! Zdjęcia przedstawiają etapy operacji.

1. Naciśnij przycisk wyboru, aby zainicjować system.
2. Ustaw lasery tak, aby świeciły bezpośrednio na czujnik LDR.
3. System jest teraz uzbrojony. Uruchom model samochodu.
4. System rozpocznie odliczanie czasu, gdy pierwsza wiązka lasera zostanie przerwana.
5. System zatrzyma się, gdy druga wiązka lasera zostanie przerwana.
6. Czas w milisekundach jest następnie wyświetlany na ekranie.
7. Naciśnij przycisk resetowania, aby zmierzyć czas kolejnego biegu.

Prawdopodobnie stworzę wersję 2.0 tego systemu, ponieważ jest kilka oczywistych ulepszeń, które można wprowadzić:

1. Nie ma potrzeby zasilania modułów laserowych z Arduino, mogą być zasilane bateryjnie i po prostu włączane w razie potrzeby. Kiedy projektowałem system, podłączenie modułów laserowych do Arduino w celu zasilania wydawało się najprostszym rozwiązaniem, w praktyce skutkuje to długimi przebiegami kabli, które przeszkadzają.
2. Soczewki kondensorowe są naprawdę potrzebne w obudowach LDR. Wyrównanie punktu lasera dokładnie ze środkiem (bardzo małego) czujnika LDR jest bardzo trudne i może czasami zająć kilka minut, użycie soczewki kondensorowej dałoby użytkownikowi znacznie większy cel do celowania za pomocą punktu lasera.

Myślę też teraz nawet o wersji 3.0, która jest w pełni bezprzewodowa i po prostu łączy się z moim laptopem przez Bluetooth, jest to jednak znacznie większy projekt na inny dzień.

Drugie miejsce w konkursie STEM