Sistema di cronometraggio basato su laser Arduino: 6 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Come parte del mio insegnamento, avevo bisogno di un sistema per misurare con precisione la velocità con cui un modello di veicolo ha percorso 10 metri. Inizialmente, ho pensato di acquistare un sistema già pronto a buon mercato da eBay o Aliexpress, questi sistemi sono comunemente noti come porte luminose, porte fotografiche o simili. Si è scoperto che i sistemi di temporizzazione del cancello di luce precostruiti sono in realtà piuttosto costosi, quindi ho deciso di costruirne uno mio.

Il funzionamento di un sistema di temporizzazione del cancello luminoso è piuttosto semplice. Ogni light gate è costituito da un modulo laser su un lato, questo proietta un punto laser su un modulo resistore dipendente dalla luce (LDR) sull'altro lato. Misurando l'uscita dell'LDR, il sistema può rilevare quando il raggio laser è stato interrotto. Utilizzando due di queste porte, il sistema avvia il timer quando il primo raggio è interrotto e arresta il timer quando rileva che il secondo raggio è stato interrotto. Il tempo registrato risultante viene visualizzato sullo schermo LCD.

Costruire un sistema come questo con gli studenti è un'ottima introduzione alla programmazione, ma è anche una risorsa per la classe davvero utile una volta terminato. Questo tipo di sistema è ottimo per le attività STEM e può essere utilizzato per misurare la velocità con cui cose come auto con elastici, auto trappola per topi o auto da derby in legno di pino percorrono una determinata distanza.

Dichiarazione di non responsabilità: la soluzione qui presentata è tutt'altro che ottimale. Sono consapevole che alcune cose potrebbero essere molto migliori o più efficienti. Questo progetto è stato inizialmente messo insieme con una scadenza molto stretta e ha funzionato perfettamente per lo scopo previsto. Ho in programma di rilasciare sia una versione 2 che una versione 3 di questo sistema con miglioramenti, vedere l'ultimo passaggio dell'istruzione. L'implementazione del circuito e del codice è a proprio rischio.

Forniture

• Arduino R3 (o scheda compatibile) - £4,50
• Scheda prototipi Adafruit Feather Wing - Va bene anche una piccola sezione di qualsiasi tipo di scheda prototipi - £ 1
• Schermo della tastiera LCD - Assicurati che sia fatto per adattarsi alla versione dell'arduino che hai - £ 5
• Modulo 2 x Light Dependent Resistor (LDR) - La ricerca su eBay per "arduino LDR" dovrebbe mostrare molte opzioni - £ 2,30 ciascuno
• 2 x Modulo laser - La ricerca su eBay di "arduino laser" dovrebbe mostrare molte opzioni. Assicurati che la potenza del laser non sia superiore a 5 mW. - £ 2,25 per tre
• 4 x Treppiede piccolo - £ 3,50 ciascuno
• Dado 4x 1/4 di pollice - Per adattarsi a una filettatura standard per treppiede - £ 2
• Acrilico trasparente per custodia Arduino £ 3
• Dadi e bulloni M3 - £ 2
• Distanziatori PCD in plastica - I kit di questi possono essere acquistati a un prezzo abbastanza economico su Ebay.- £ 6,80
• 4 x custodie stampate in 3D - Il costo del materiale era di circa £ 5.
• Cavo a nastro - £ 5

Il costo totale era di circa £ 55, questo presuppone l'accesso sia a un laser cutter che a una stampante 3D. La maggior parte del costo qui è per custodie, dadi e bulloni, ecc. Il costo effettivo dell'elettronica è solo £ 22, quindi probabilmente qui c'è spazio per molte ottimizzazioni.

Passaggio 1: programma Adrunio

Carica il codice qui sotto su Arduino. Se non hai familiarità con come farlo, dai un'occhiata a questo fantastico tutorial.

La logica di base del codice è la seguente:

1. Accendere i moduli laser e verificare che ogni LDR possa "vedere" il raggio laser.
2. Attendere fino a quando LDR 1 rileva un'interruzione nel raggio laser, avviare immediatamente il timer.
3. Attendere fino a quando LDR 2 rileva un'interruzione del raggio laser, arrestare immediatamente il timer.
4. Mostra il tempo risultante sullo schermo LCD in millisecondi.

Il codice è progettato solo per cronometrare una singola esecuzione, una volta annotato il tempo dallo schermo il pulsante di ripristino sullo scudo viene utilizzato per riavviare il programma.

LINK AL CODICE ARDUINO

(Cordiali saluti: il codice è ospitato su create.arduino.cc e mi piacerebbe averlo incorporato qui, ma l'editor di Instructables non consente all'iframe incorporato di essere visualizzato o funzionare correttamente. Se qualcuno in Instructables sta leggendo questo, per favore implementalo come funzionalità in futuro, grazie)

Passaggio 2: custodie per stampa 3D

I moduli laser e LDR devono essere tenuti in posizione per garantire che non si verifichino interruzioni del raggio a causa dello spostamento dei moduli. Stampa in 3D le custodie sottostanti e fissa i moduli in posizione, il modulo laser dovrà essere tenuto in posizione con una fascetta in quanto non ha un foro passante.

Assicurati di intrappolare un dado da 1/4 di pollice all'interno di ciascuna delle custodie, questo verrà utilizzato in seguito per consentire a queste custodie di connettersi ai treppiedi. Le due metà della custodia sono tenute insieme con dadi e bulloni M3.

Passaggio 3: custodia Arduino tagliata al laser

Taglia al laser i file sottostanti dall'acrilico trasparente spesso 4 mm. Allinea l'arduino R3 e il protoboard con i fori sui pezzi acrilici e avvitali in posizione. Avvitare la parte superiore del case al fondo utilizzando i distanziatori PCD come distanziatori.

Passaggio 4: cablare il circuito

Lo schermo LCD utilizzato in questo progetto è spiegato in dettaglio in questo fantastico tutorial. Lo schermo LCD e i pulsanti di input utilizzano alcuni dei pin I/O di Arduino, tuttavia, per questo motivo tutti gli I/O per i moduli laser e gli LDR utilizzano solo i pin 1, 2, 12 e 13.

È necessario un cablaggio minimo, ma assicurarsi che il circuito sia collegato come mostrato nello schema. Ho aggiunto alcuni connettori di tipo JST ai cavi del modulo laser e LDR per consentirmi di smontare e memorizzare facilmente l'intera configurazione.

Sì, i pin 1 e 2 di Arduino alimentano direttamente i moduli laser senza resistore in linea. Poiché i moduli laser selezionati sono progettati specificamente per l'uso con arduino, questo non dovrebbe essere un problema. I moduli laser assorbono una potenza massima di 5 mW, ciò significa che alla tensione di alimentazione di 5 V del pin, il modulo dovrebbe assorbire circa 1 mA, questo è ben al di sotto del limite di ~ 40 mA per l'alimentazione di corrente sui pin I/O di Arduino.

Passaggio 5: assemblare e regolare

Finalmente sei pronto per montare il tutto.

1. Montare le custodie dei moduli LDR e Laser sui piccoli treppiedi.
2. Posiziona i moduli laser per illuminare direttamente il sensore LDR

In questa fase, dovrai perfezionare un po' le cose. I moduli LDR emettono un segnale digitale, un segnale alto (5V) che indica che non viene rilevato alcun raggio laser, un segnale basso (0V) che indica che può vedere il raggio laser. La soglia di intensità luminosa alla quale il modulo passa da un segnale di uscita 5V a 0V (e viceversa) è controllata da un potenziometro sulla scheda LDR. Sarà necessario regolare il potenziometro in modo che il modulo passi tra un'uscita 0V e 5V quando previsto.

Regolare gradualmente il potenziometro fino a quando il sistema non funziona come previsto oppure utilizzare un multimetro per misurare l'uscita del modulo LDR e regolare come richiesto.

Passaggio 6: funzionamento e ulteriore lavoro

Ora dovresti essere pronto per usare il sistema! Le immagini mostrano le fasi di funzionamento.

1. Premere il pulsante di selezione per inizializzare il sistema.
2. Allinea i laser in modo che brillino direttamente sul sensore LDR.
3. Il sistema è ora armato. Metti in moto il tuo modellino di auto.
4. Il sistema inizierà a cronometrare una volta interrotto il primo raggio laser.
5. Il sistema si fermerà una volta interrotto il secondo raggio laser.
6. Il tempo in millisecondi viene quindi visualizzato sullo schermo.
7. Premere il pulsante di ripristino per cronometrare un'altra corsa.

Probabilmente creerò una versione 2.0 di questo sistema poiché ci sono alcuni ovvi miglioramenti che potrebbero essere apportati:

1. Non è necessario alimentare i moduli laser da Arduino, potrebbero essere alimentati a batteria e semplicemente accesi quando necessario. Quando ho progettato il sistema, il cablaggio dei moduli laser all'Arduino per l'alimentazione sembrava la soluzione più semplice, in pratica questo si traduce in lunghi percorsi di cavi che si intromettono.
2. Le lenti a condensatore sono davvero necessarie sugli alloggiamenti LDR. Allineare il punto laser esattamente con il centro del sensore LDR (molto piccolo) è molto complicato e a volte può richiedere diversi minuti, l'uso di una lente a condensatore darebbe all'utente un obiettivo molto più grande a cui mirare con il punto laser.

Ora sto anche pensando a una versione 3.0 completamente wireless e che si collega semplicemente al mio laptop tramite Bluetooth, tuttavia questo è un progetto molto più grande per un altro giorno.

Secondo classificato al concorso STEM