ความคงอยู่ของ Vision Fidget Spinner: 8 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

นี่คือเครื่องหมุนวนที่อยู่ไม่สุขซึ่งใช้เอฟเฟกต์ Persistence of Vision ซึ่งเป็นภาพลวงตาโดยที่ภาพที่แยกจากกันหลายภาพมารวมกันเป็นภาพเดียวในจิตใจของมนุษย์

ข้อความหรือกราฟิกสามารถเปลี่ยนแปลงได้ผ่านลิงก์ Bluetooth Low Energy โดยใช้แอปพลิเคชัน PC ที่ฉันตั้งโปรแกรมไว้ใน LabVIEW หรือโดยใช้แอป BLE ของสมาร์ทโฟนที่มีให้ใช้งานฟรี

มีไฟล์ทั้งหมด แผนผังและเฟิร์มแวร์แนบมากับคำแนะนำนี้ ไฟล์ Gerber มีอยู่ที่ลิงค์นี้เนื่องจากฉันไม่สามารถอัพโหลดไฟล์ zip ที่นี่: Gerbers

ขั้นตอนที่ 1: ความแตกต่างระหว่างอุปกรณ์ POV อื่นๆ ในตลาด

ลักษณะที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งคือกราฟิกที่แสดงไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุน ต้องขอบคุณโซลูชันที่เป็นนวัตกรรมใหม่สำหรับการติดตามมุมการหมุน หมายความว่ากราฟิกที่แสดงจะมองเห็นได้เหมือนกันทั้งที่ความเร็วการหมุนที่สูงขึ้นและต่ำลง (เช่น เมื่อ fidget spinner ทำงานช้าลงเมื่อถืออยู่ในมือ) เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ในขั้นตอนที่ 3

นี่เป็นหนึ่งในความแตกต่างที่สำคัญระหว่างอุปกรณ์ POV ต่างๆ ในตลาด (นาฬิกา POV เป็นต้น) ซึ่งต้องมีความเร็วในการหมุนคงที่เพื่อให้ภาพแสดงได้อย่างถูกต้อง นอกจากนี้ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าส่วนประกอบทั้งหมดได้รับการคัดเลือกให้มีการใช้พลังงานน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

ขั้นตอนที่ 2: คำอธิบายทางเทคนิค

ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ Microchip PIC 16F1619 ที่ได้รับการปรับปรุงเป็นแกนหลัก MCU มีอุปกรณ์ต่อพ่วง Angular Timer ในตัวซึ่งใช้เซ็นเซอร์ Omnipolar Hall DRV5033 และแม่เหล็กหนึ่งตัวเพื่อติดตามมุมการหมุนในปัจจุบัน

กราฟิกจะแสดงโดยใช้ LED จำนวน 32 ดวง, สีเขียว 16 ดวงและไดโอดเปล่งแสงสีแดง 16 ดวง (กระแสไฟปกติ 2mA) ไดโอดถูกขับเคลื่อนโดยไดรเวอร์ TLC59282 กระแสคงที่ 16 ช่องสองตัวที่เชื่อมต่อในสายโซ่เดซี่ เพื่อให้มีการเข้าถึงอุปกรณ์จากระยะไกล มีโมดูล Bluetooth Low Energy RN4871 ซึ่งสื่อสารกับไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่านอินเทอร์เฟซ UART อุปกรณ์สามารถเข้าถึงได้จากคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลหรือสมาร์ทโฟน อุปกรณ์เปิดอยู่โดยใช้ปุ่มสัมผัสแบบ capacitive ซึ่งฝังอยู่ใต้หน้ากากประสานบนแผงวงจรพิมพ์ เอาต์พุตจาก IC PCF8883 แบบ capacitive ถูกป้อนไปยังลอจิกเกท OR BU4S71G2 อินพุตอื่นไปยังเกต OR เป็นสัญญาณจาก MCU เอาต์พุตจากเกท OR เชื่อมต่อกับพินเปิดใช้งานของตัวแปลงสเต็ปดาวน์ TPS62745 เมื่อใช้การตั้งค่านี้ ฉันสามารถเปิด/ปิดอุปกรณ์ได้โดยใช้ปุ่มสัมผัสเพียงปุ่มเดียว ปุ่มคาปาซิทีฟยังใช้เปลี่ยนโหมดการทำงานต่างๆ หรือเปิดวิทยุบลูทูธเมื่อจำเป็นเพื่อประหยัดพลังงานเท่านั้น

ตัวแปลงสเต็ปดาวน์ TPS62745 แปลงค่า 6V จากแบตเตอรี่เป็น 3.3V ที่เสถียร ฉันเลือกตัวแปลงนี้เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงพร้อมโหลดที่เบา กระแสไฟนิ่งต่ำ ทำงานด้วยคอยล์ 4.7uH ขนาดเล็ก มีสวิตช์แรงดันไฟฟ้าอินพุตในตัว ซึ่งฉันใช้วัดความจุของแบตเตอรี่โดยใช้กระแสไฟน้อยที่สุดและแรงดันเอาต์พุตคือผู้ใช้- สามารถเลือกได้โดยสี่อินพุตแทนที่จะเป็นตัวต้านทานป้อนกลับ (ลด BOM) อุปกรณ์เข้าสู่โหมดสลีปโดยอัตโนมัติหลังจากไม่มีการใช้งานเป็นเวลา 5 นาที การบริโภคในปัจจุบันในการนอนหลับน้อยกว่า 7uA

แบตเตอรี่อยู่ด้านหลังตามที่แสดงในภาพ

ขั้นตอนที่ 3: การติดตามมุมการหมุน

มุมการหมุนถูกติดตาม "โดยฮาร์ดแวร์" แทนที่จะเป็นซอฟต์แวร์ ซึ่งหมายความว่า CPU มีเวลามากขึ้นในการทำงานอื่น ๆ เพื่อที่ฉันได้ใช้อุปกรณ์ต่อพ่วง Angular Timer ซึ่งสร้างไว้ในไมโครคอนโทรลเลอร์ PIC 16F1619 ที่ใช้แล้ว

อินพุตไปยังตัวจับเวลาเชิงมุมเป็นสัญญาณจากเซ็นเซอร์ฮอลล์ DRV5033 เซ็นเซอร์ Hall จะสร้างชีพจรทุกครั้งที่มีแม่เหล็กเคลื่อนผ่าน เซ็นเซอร์ Hall อยู่ที่ส่วนหมุนของอุปกรณ์ ในขณะที่แม่เหล็กจะอยู่ที่ส่วนคงที่ที่ผู้ใช้ถืออุปกรณ์ เนื่องจากฉันใช้แม่เหล็กเพียงอันเดียว ซึ่งหมายความว่าเซ็นเซอร์ Hall จะสร้างพัลส์ที่ทำซ้ำทุกๆ 360° ในเวลาเดียวกัน Angular Timer จะสร้าง 180 พัลส์ต่อการปฏิวัติ ซึ่งทุกพัลส์แทนการหมุน 2° ฉันเลือก 180 พัลส์ ไม่ใช่ 360° เป็นตัวอย่าง เพราะฉันพบว่า 2° เป็นระยะห่างที่สมบูรณ์แบบระหว่างสองคอลัมน์ของอักขระที่พิมพ์ออกมา ตัวจับเวลาเชิงมุมจัดการการคำนวณทั้งหมดนั้นโดยอัตโนมัติและจะปรับโดยอัตโนมัติหากเวลาระหว่างพัลส์ของเซ็นเซอร์ทั้งสองเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากความเร็วการหมุนที่เปลี่ยนไป ตำแหน่งของแม่เหล็กและเซ็นเซอร์ Hall แสดงในรูปภาพที่แนบมา

ขั้นตอนที่ 4: การเข้าถึงระยะไกล

ฉันต้องการวิธีเปลี่ยนข้อความที่แสดงแบบไดนามิกและไม่ใช่แค่เพียงการเข้ารหัสลงในโค้ดเท่านั้น ฉันเลือก BLE เพราะใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย และชิปที่ใช้แล้ว RN4871 มีขนาดเพียง 9x11.5 มม.

ผ่านลิงก์ BT คุณสามารถเปลี่ยนข้อความที่แสดงและสีได้ - แดงหรือเขียว นอกจากนี้ยังสามารถตรวจสอบระดับแบตเตอรี่เพื่อให้ทราบเมื่อถึงเวลาต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่ อุปกรณ์สามารถควบคุมได้ผ่านแอปพลิเคชันคอมพิวเตอร์ที่ตั้งโปรแกรมในสภาพแวดล้อมการเขียนโปรแกรมกราฟิก LabVIEW หรือโดยการใช้แอปพลิเคชัน BLE ของสมาร์ทโฟนที่มีให้ใช้งานฟรีซึ่งมีความสามารถในการเขียนโดยตรงไปยังคุณลักษณะ BLE ที่เลือกของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ สำหรับการส่งข้อมูลจากพีซี/สมาร์ทโฟนไปยังอุปกรณ์ ฉันใช้บริการหนึ่งรายการโดยมีคุณลักษณะสามประการ โดยแต่ละรายการระบุด้วยหมายเลขอ้างอิง

ขั้นตอนที่ 5: แอปพลิเคชันพีซี

ที่มุมบนซ้าย เรามีตัวควบคุมสำหรับการเริ่มต้นแอปพลิเคชันเซิร์ฟเวอร์ National Instruments BLE นั่นคือแอปพลิเคชันบรรทัดคำสั่งจาก NI ซึ่งสร้างสะพานเชื่อมระหว่างโมดูล BLE บนคอมพิวเตอร์และ LabVIEW มันใช้โปรโตคอล HTTP ในการสื่อสาร เหตุผลในการใช้แอปพลิเคชันนี้คือ LabVIEW รองรับเฉพาะ Bluetooth Classic เท่านั้น ไม่ใช่สำหรับ BLE

เมื่อเชื่อมต่อสำเร็จแล้ว ที่อยู่ MAC ของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อจะแสดงทางด้านขวาและส่วนนั้นจะไม่เป็นสีเทาอีกต่อไป ที่นั่นเราสามารถตั้งค่ากราฟิกเคลื่อนไหวและสีของมันหรือเพียงแค่ส่งรูปแบบเพื่อเปิดหรือปิดไฟ LED เมื่ออุปกรณ์ไม่หมุน ฉันได้ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการทดสอบ

ขั้นตอนที่ 6: แบบอักษร

ฟอนต์ตัวอักษรภาษาอังกฤษถูกสร้างขึ้นโดยใช้ซอฟต์แวร์ "The Dot Factory" ที่มีให้ใช้ฟรี แต่ฉันจำเป็นต้องแก้ไขเล็กน้อยก่อนที่จะอัปโหลดไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์

เหตุผลก็คือเลย์เอาต์ PCB ซึ่ง "ไม่เป็นระเบียบ" หมายความว่าเอาต์พุต 0 จากไดรเวอร์ LED อาจไม่ได้เชื่อมต่อกับ LED 0 บน PCB, OUT 1 ไม่ได้เชื่อมต่อกับ LED 1 แต่เชื่อมต่อกับ LED15 เป็นต้นและ เหตุผลอื่นคือซอฟต์แวร์อนุญาตให้สร้างแบบอักษร 2x8 บิตเท่านั้น แต่อุปกรณ์มี LED 16 ดวงสำหรับแต่ละสีดังนั้นฉันจึงต้องใช้แบบอักษรสูง 16 บิต ดังนั้นฉันจึงจำเป็นต้องสร้างซอฟต์แวร์ที่จะเปลี่ยนบิตเล็กน้อยเพื่อชดเชยเค้าโครง PCB และรวมเป็นค่า 16 บิต ด้วยเหตุนี้ ฉันจึงพัฒนาแอปพลิเคชันแยกต่างหากใน LabVIEW ที่ใช้แบบอักษรที่สร้างใน "The Dot Factory" เป็นอินพุตและแปลงให้เหมาะกับความต้องการของโครงการนี้ เนื่องจากเลย์เอาต์ LED PCB สีแดงและสีเขียวแตกต่างกัน ฉันจึงต้องใช้แบบอักษรสองแบบ ผลลัพธ์สำหรับแบบอักษรสีเขียวจะแสดงในรูปด้านล่าง

ขั้นตอนที่ 7: การเขียนโปรแกรม Jig

ในภาพ คุณจะเห็นโปรแกรมจิ๊กที่ใช้ในการตั้งโปรแกรมอุปกรณ์

เนื่องจากหลังจากการเขียนโปรแกรมทุกครั้ง ฉันต้องหยิบอุปกรณ์ขึ้นมาแล้วหมุนเพื่อดูการเปลี่ยนแปลงที่ฉันไม่ต้องการใช้ส่วนหัวของการเขียนโปรแกรมมาตรฐานหรือเพียงแค่บัดกรีสายการเขียนโปรแกรม ฉันใช้หมุด Pogo ที่มีสปริงเล็กๆ อยู่ข้างใน ดังนั้นมันจึงพอดีกับจุดแวะบน PCB อย่างแน่นหนา ด้วยการใช้การตั้งค่านี้ ฉันสามารถตั้งโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์ได้อย่างรวดเร็ว และไม่ต้องกังวลกับการตั้งโปรแกรมสายไฟหรือบัดกรีที่เหลือหลังจากถอดสายเหล่านั้นออก

ขั้นตอนที่ 8: สรุป

โดยสรุป ฉันต้องการชี้ให้เห็นว่าการใช้อุปกรณ์ต่อพ่วง Angul Timer ทำให้ฉันได้อุปกรณ์ POV สำเร็จซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุน ดังนั้นคุณภาพของกราฟิกที่แสดงจะคงเดิมทั้งที่ความเร็วสูงขึ้นและลง

ด้วยการออกแบบอย่างรอบคอบ จึงสามารถใช้โซลูชันที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้ สำหรับข้อเสียของโครงการนี้ ฉันอยากจะชี้ให้เห็นว่าไม่มีทางที่จะชาร์จแบตเตอรี่ที่ใช้แล้ว ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่เป็นระยะๆ แบตเตอรี่ที่ไม่มีชื่อจากร้านค้าในพื้นที่ใช้งานได้ประมาณ 1 เดือนกับการใช้งานทุกวัน การใช้ประโยชน์: อุปกรณ์นี้สามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการส่งเสริมการขายต่างๆ หรือเป็นเครื่องช่วยสอนในวิชาไฟฟ้าหรือฟิสิกส์เป็นต้น นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นเครื่องช่วยในการรักษาเพื่อเพิ่มความสนใจสำหรับผู้ที่มีโรคสมาธิสั้น (ADHD) หรืออาการสงบวิตกกังวล

รางวัลที่หนึ่งในการท้าทายการออกแบบ PCB