เครื่องกำเนิดแผ่นเลเซอร์แบบโต้ตอบกับ Arduino: 11 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

เลเซอร์สามารถใช้เพื่อสร้างเอฟเฟกต์ภาพที่น่าทึ่ง ในโครงการนี้ ฉันได้สร้างจอแสดงผลเลเซอร์รูปแบบใหม่ที่สามารถโต้ตอบและเล่นเพลงได้ อุปกรณ์หมุนเลเซอร์สองตัวเพื่อสร้างแผ่นแสงคล้ายกระแสน้ำวนสองแผ่น ฉันได้รวมเซ็นเซอร์วัดระยะทางไว้ในอุปกรณ์เพื่อให้สามารถจัดการแผ่นเลเซอร์ได้โดยการขยับมือเข้าหาพวกเขา ในขณะที่บุคคลนั้นโต้ตอบกับเซ็นเซอร์ อุปกรณ์จะเล่นเพลงผ่านเอาต์พุต MIDI ด้วย ประกอบด้วยแนวคิดจากพิณเลเซอร์ เลเซอร์วอร์เท็กซ์ และการแสดง POV

เครื่องมือนี้ควบคุมด้วย Arduino Mega ซึ่งรับอินพุตของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกและส่งออกประเภทของแผ่นเลเซอร์ที่สร้างขึ้นและเพลงที่สร้างขึ้น เนื่องจากเลเซอร์หมุนได้อิสระหลายระดับ จึงมีรูปแบบแผ่นเลเซอร์ที่แตกต่างกันมากมายที่สามารถสร้างได้

ฉันได้ระดมความคิดเบื้องต้นเกี่ยวกับโครงการนี้กับกลุ่มศิลปะ/เทคโนโลยีใหม่ในเซนต์หลุยส์ที่ชื่อ Dodo Flock Emre Sarbek ยังทำการทดสอบเบื้องต้นกับเซ็นเซอร์ที่ใช้ตรวจจับการเคลื่อนไหวใกล้กับอุปกรณ์

หากคุณสร้างอุปกรณ์แผ่นเลเซอร์ โปรดอย่าลืมใช้เลเซอร์และจานหมุนอย่างปลอดภัย

อัปเดตปี 2020: ฉันตระหนักว่าพื้นผิวที่สร้างด้วยเลเซอร์นั้นเป็นไฮเปอร์โบลอยด์

ขั้นตอนที่ 1: รายการวัสดุสิ้นเปลือง

วัสดุ

เลเซอร์ -

มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน -

เครื่องควบคุมความเร็วแบบอิเล็กทรอนิกส์ -

เซอร์โวมอเตอร์ -

ทรานซิสเตอร์

ไม้อัด

ลูกแก้ว

เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก

ลื่นไถล -

ไฟ LED สีขาว -

ตัวแปลงบั๊ก

ลวดพันลวด

ขั้วต่อ MIDI

โพเทนชิโอมิเตอร์และลูกบิด -

ฮาร์ดแวร์ - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. com/gp/product/B06XQMBDMX/ref=o…

ตัวต้านทาน

สายต่อ JST -

สวิตช์ไฟกระแสสลับ

เพาเวอร์ซัพพลาย 12V -

กาวไม้

ซุปเปอร์กาว

สกรูไม้

สายต่อ USB -

เครื่องมือ:

หัวแร้ง

เครื่องตัดลวด

จิ๊กซอว์

เลื่อยวงเดือน

ไมโครมิเตอร์

สว่านไฟฟ้า

ขั้นตอนที่ 2: ภาพรวมและแผนผัง

ลำแสงเลเซอร์จะสร้างลำแสงที่จัดชิดกัน (เช่น แคบ) ดังนั้นวิธีหนึ่งในการผลิตแผ่นแสงคือการเคลื่อนลำแสงอย่างรวดเร็วในรูปแบบบางอย่าง ตัวอย่างเช่น ในการสร้างแผ่นไฟทรงกระบอก คุณจะต้องหมุนเลเซอร์ไปรอบแกนที่ขนานกับทิศทางที่มันชี้ไป ในการเคลื่อนเลเซอร์อย่างรวดเร็ว คุณสามารถติดเลเซอร์เข้ากับแผ่นไม้ที่ติดกับมอเตอร์กระแสตรงไร้แปรงถ่าน ด้วยสิ่งนี้เพียงอย่างเดียว คุณสามารถสร้างกระแสน้ำวนเลเซอร์ทรงกระบอกสุดเจ๋งได้!

โครงการน้ำวนเลเซอร์อื่น ๆ ทำได้โดยการติดตั้งกระจกเอียงที่แกนของการหมุนด้วยเลเซอร์ที่อยู่กับที่ซึ่งมุ่งไปที่กระจก สิ่งนี้จะสร้างกรวยแผ่นเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม ด้วยการออกแบบนี้ แผ่นเลเซอร์ทั้งหมดจะมีต้นกำเนิดจากแหล่งกำเนิดเดียว หากเลเซอร์อยู่ในตำแหน่งนอกแกนเช่นเดียวกับการออกแบบที่ฉันสร้าง คุณสามารถสร้างแผ่นเลเซอร์ที่บรรจบกันได้ เช่น รูปร่างนาฬิกาทรายที่แสดงในวิดีโอ

แต่ถ้าคุณต้องการให้แผ่นแสงเป็นไดนามิกและโต้ตอบได้ล่ะ ในการทำสิ่งนี้ให้สำเร็จ ฉันติดเลเซอร์สองตัวบนเซอร์โวแล้วติดเซอร์โวเข้ากับแผ่นไม้ ตอนนี้เซอร์โวสามารถปรับมุมของเลเซอร์ตามแกนการหมุนของมอเตอร์ได้ ด้วยการใช้เลเซอร์สองตัวบนเซอร์โวที่แตกต่างกันสองตัว คุณสามารถสร้างแผ่นไฟที่แตกต่างกันสองแผ่นด้วยอุปกรณ์

เพื่อควบคุมความเร็วของมอเตอร์กระแสตรง ฉันเชื่อมต่อโพเทนชิออมิเตอร์กับ Arduino ที่รับอินพุตของโพเทนมิเตอร์และส่งสัญญาณไปยังตัวควบคุมความเร็วไฟฟ้า (ESC) จากนั้น ESC จะควบคุมความเร็วของมอเตอร์ (ชื่อที่ค่อนข้างเหมาะสมใช่) ขึ้นอยู่กับความต้านทานของโพเทนชิออมิเตอร์

สถานะเปิด/ปิดของเลเซอร์ถูกควบคุมโดยการเชื่อมต่อเข้ากับอีซีแอลของทรานซิสเตอร์ที่ทำงานในสภาวะอิ่มตัว (เช่น การทำงานเป็นสวิตช์ไฟฟ้า) สัญญาณควบคุมจะถูกส่งไปยังฐานของทรานซิสเตอร์ซึ่งควบคุมกระแสผ่านเลเซอร์ นี่คือที่มาสำหรับควบคุมโหลดด้วยทรานซิสเตอร์ด้วย Arduino:

ตำแหน่งเซอร์โวยังถูกควบคุมด้วย Arduino เมื่อแผ่นไม้หมุน แผ่นแสงสามารถจัดการได้โดยการเปลี่ยนตำแหน่งเซอร์โว หากไม่มีผู้ใช้ป้อนข้อมูล การทำเช่นนี้เพียงอย่างเดียวก็สามารถสร้างแผ่นไฟแบบไดนามิกที่ชวนให้หลงใหล นอกจากนี้ยังมีเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกที่ตำแหน่งรอบขอบของอุปกรณ์ ซึ่งใช้เพื่อตรวจสอบว่ามีคนเอามือเข้าไปใกล้แผ่นไฟหรือไม่ จากนั้นอินพุตนี้จะใช้เพื่อย้ายเลเซอร์เพื่อสร้างแผ่นไฟใหม่หรือสร้างสัญญาณ MIDI แจ็ค MIDI เชื่อมต่อเพื่อส่งสัญญาณ MIDI ไปยังอุปกรณ์เล่น MIDI

ขั้นตอนที่ 3: การควบคุมมอเตอร์ไร้แปรงถ่านด้วย Arduino

ในการสร้างแผ่นไฟที่เหมือนกระแสน้ำวน คุณต้องหมุนลำแสงเลเซอร์ เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ ฉันตัดสินใจลองใช้มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มีแปรงถ่าน ฉันได้เรียนรู้ว่ามอเตอร์ประเภทนี้ได้รับความนิยมอย่างมากในโมเดลเครื่องบินและโดรน ดังนั้นฉันจึงคิดว่ามันค่อนข้างจะใช้งานง่าย ฉันเจออุปสรรคเล็กน้อยระหว่างทาง แต่โดยรวมแล้ว ฉันมีความสุขกับการทำงานของมอเตอร์สำหรับโปรเจ็กต์นี้

ขั้นแรกต้องติดตั้งมอเตอร์ ฉันออกแบบชิ้นส่วนเพื่อยึดมอเตอร์และติดเข้ากับบอร์ดที่ยึดอุปกรณ์ หลังจากที่มอเตอร์ติดแน่นแล้ว ผมก็ต่อมอเตอร์เข้ากับ ESC จากสิ่งที่ฉันอ่าน ฟังดูยากมากที่จะใช้มอเตอร์ไร้แปรงถ่านโดยไม่มีมอเตอร์ เพื่อให้มอเตอร์หมุนได้ ฉันใช้ Arduino Mega ในตอนแรก ฉันไม่สามารถทำให้มอเตอร์หมุนได้เพราะฉันเพิ่งเชื่อมต่อสัญญาณควบคุมกับ 5V หรือกราวด์ โดยไม่ได้ตั้งค่าพื้นฐานอย่างเหมาะสมหรือปรับเทียบ ESC จากนั้นฉันก็ทำตามบทช่วยสอน Arduino ด้วยโพเทนชิออมิเตอร์และเซอร์โวมอเตอร์ และนั่นทำให้มอเตอร์หมุนได้! นี่คือลิงค์ไปยังบทช่วยสอน:

สาย ESC สามารถเชื่อมต่อกับมอเตอร์แบบไม่มีแปรงได้ทุกทาง คุณจะต้องมีขั้วต่อปลั๊กกล้วยบางตัว สายสีแดงและสีดำที่หนากว่าบน ESC เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ DC ที่ 12V และสายสีดำและสีขาวบนขั้วต่อควบคุมของ ESC เชื่อมต่อกับกราวด์และพินควบคุมบน Arduino ตามลำดับ ดูวิดีโอนี้เพื่อเรียนรู้วิธีปรับเทียบ ESC:

ขั้นตอนที่ 4: การสร้าง Laser Sheet Chassis

หลังจากหมุนมอเตอร์แล้ว ก็ถึงเวลาสร้างโครงแบบแผ่นบาง ฉันตัดไม้อัดชิ้นหนึ่งโดยใช้เครื่อง CNC แต่คุณสามารถใช้จิ๊กซอว์ได้เช่นกัน ไม้อัดถือเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกและมีรูในนั้นเพื่อให้พอดีกับลูกแก้ว ควรติดลูกแก้วเข้ากับไม้โดยใช้อีพ็อกซี่ เจาะรูเพื่อให้แหวนสลิปเข้าได้

จากนั้นตัดไม้อัดแผ่นกลมอีกแผ่นเพื่อยึดมอเตอร์แบบไม่มีแปรง ในแผ่นไม้นี้มีการเจาะรูเพื่อให้สายไฟสามารถผ่านได้ในภายหลังในการก่อสร้าง หลังจากติดแท่นยึดมอเตอร์และรูเจาะแล้ว ไม้อัดสองแผ่นจะถูกยึดด้วยแผ่นไม้ขนาด 1x3 ที่ตัดยาวประมาณ 15 ซม. และขายึดโลหะ ในภาพ คุณจะเห็นว่าลูกแก้วอยู่เหนือมอเตอร์และเลเซอร์อย่างไร

ขั้นตอนที่ 5: การประกอบเลเซอร์และเซอร์โวมอเตอร์

แผ่นแสงแบบปรับได้ถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนเลเซอร์ตามแกนของการหมุน ฉันออกแบบและพิมพ์ 3 มิติเมาท์ที่ติดเลเซอร์กับเซอร์โวและเมาท์ที่เชื่อมต่อเซอร์โวกับไม้กระดานหมุน ขั้นแรกให้ติดเซอร์โวเข้ากับเมาท์เซอร์โวโดยใช้สกรู M2 สองตัว จากนั้น เลื่อนน็อต M2 เข้าไปในเมาท์เลเซอร์ แล้วขันสกรูชุดให้แน่นเพื่อให้เลเซอร์เข้าที่ ก่อนเชื่อมต่อเลเซอร์กับเซอร์โว คุณต้องแน่ใจว่าเซอร์โวถูกหมุนไปยังตำแหน่งการทำงานที่อยู่ตรงกลาง ใช้บทช่วยสอนเซอร์โว กำหนดทิศทางเซอร์โวไปที่ 90 องศา จากนั้นติดเลเซอร์ตามที่แสดงในภาพโดยใช้สกรู ฉันต้องเพิ่มกาวเล็กน้อยเพื่อให้แน่ใจว่าเลเซอร์จะไม่เลื่อนโดยไม่ได้ตั้งใจ

ฉันใช้เครื่องตัดเลเซอร์ทำแผ่นไม้ ซึ่งมีขนาดประมาณ 3 ซม. x 20 ซม. ขนาดสูงสุดของแผ่นไฟจะขึ้นอยู่กับขนาดของแผ่นไม้ จากนั้นเจาะรูตรงกลางแผ่นเพื่อให้พอดีกับเพลามอเตอร์แบบไม่มีแปรง

ต่อไปฉันติดส่วนประกอบเลเซอร์เซอร์โวลงบนแผ่นกระดานเพื่อให้เลเซอร์อยู่ตรงกลาง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทั้งหมดบนแผ่นไม้มีความสมดุลตามแกนการหมุนของแผ่นไม้ บัดกรีตัวเชื่อมต่อ JST กับเลเซอร์และสายเซอร์โวเพื่อให้สามารถเชื่อมต่อกับสลิปริงได้ในขั้นตอนต่อไป

ขั้นสุดท้าย ติดแผ่นไม้ด้วยส่วนประกอบเลเซอร์เซอร์โวที่แนบมากับมอเตอร์ไร้แปรงถ่านด้วยแหวนรองและน็อต ณ จุดนี้ ให้ทดสอบมอเตอร์ไร้แปรงถ่านเพื่อให้แน่ใจว่าแผ่นไม้สามารถหมุนได้ ระวังอย่าขับมอเตอร์เร็วเกินไปหรือวางมือของคุณในเส้นทางการหมุนของแผ่นกระดาน

ขั้นตอนที่ 6: การติดตั้ง Slipring

คุณจะป้องกันไม่ให้สายไฟพันกันเมื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หมุนได้อย่างไร วิธีหนึ่งคือใช้แบตเตอรี่สำหรับแหล่งจ่ายไฟและเชื่อมต่อกับชุดประกอบการหมุน เช่นเดียวกับในคำสั่ง POV นี้ อีกวิธีคือใช้สลิปเปอร์! หากคุณไม่เคยได้ยินเกี่ยวกับสลิงหรือใช้สลิงมาก่อน ลองดูวิดีโอที่ยอดเยี่ยมนี้ซึ่งสาธิตวิธีการทำงาน

ขั้นแรก ติดปลายอีกด้านของตัวเชื่อมต่อ JST เข้ากับสลิปริง คุณไม่ต้องการให้สายไฟยาวเกินไปเพราะมีโอกาสที่พวกมันจะติดอะไรบางอย่างเมื่อแผ่นกระดานหมุน ฉันติดสลิปไว้กับลูกแก้วเหนือมอเตอร์แบบไม่มีแปรงเพื่อเจาะรูสำหรับสกรู ระวังอย่าให้ลูกแก้วแตกเมื่อเจาะ คุณยังสามารถใช้เครื่องตัดเลเซอร์เพื่อให้ได้รูที่แม่นยำยิ่งขึ้น เมื่อติดสลิปแล้วให้เชื่อมต่อตัวเชื่อมต่อ

ณ จุดนี้ คุณสามารถเชื่อมต่อสายสลิปริงกับหมุดของ Arduino เพื่อทำการทดสอบเบื้องต้นกับเครื่องกำเนิดแผ่นเลเซอร์

ขั้นตอนที่ 7: บัดกรีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ฉันตัดบอร์ดต้นแบบเพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด เนื่องจากฉันใช้แหล่งจ่ายไฟ 12V ฉันจึงต้องใช้ตัวแปลง dc-dc สองตัว: 5V สำหรับเลเซอร์ เซอร์โว โพเทนชิออมิเตอร์ และแจ็ค MIDI และ 9V สำหรับ Arduino ทุกอย่างเชื่อมต่อตามแผนภาพโดยการบัดกรีหรือการพันลวด จากนั้นบอร์ดเชื่อมต่อกับชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติโดยใช้ PCD standoffs

ขั้นตอนที่ 8: การสร้างกล่องอิเล็กทรอนิกส์

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดอยู่ในกล่องไม้ ฉันตัดไม้ 1x3 ที่ด้านข้างของกล่อง และตัดช่องขนาดใหญ่ที่ด้านหนึ่งเพื่อให้สายไฟบนแผงควบคุมสามารถทะลุผ่านได้ ด้านข้างเชื่อมต่อกันโดยใช้ท่อนไม้เล็กๆ กาวไม้ และสกรู หลังจากที่กาวแห้งแล้ว ฉันก็ขัดด้านข้างของกล่องเพื่อขจัดความไม่สมบูรณ์ทั้งหมดในกล่อง จากนั้นฉันก็ตัดไม้บาง ๆ สำหรับด้านหน้า ด้านหลัง และด้านล่างของกล่อง ด้านล่างถูกตอกตะปูที่ด้านข้าง และด้านหน้าและด้านหลังติดกาวเข้ากับกล่อง สุดท้าย ฉันวัดและเจาะรูขนาดของส่วนประกอบที่แผงด้านหน้าของกล่อง: แจ็คสายไฟ แจ็ค usb แจ็ค MIDI และโพเทนชิออมิเตอร์

ขั้นตอนที่ 9: การติดตั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในกล่อง

ฉันต่อแหล่งจ่ายไฟเข้ากับกล่องโดยใช้สกรู ต่อ Arduino โดยใช้เมาท์ที่ออกแบบเอง และแผงวงจรที่สร้างขึ้นในขั้นตอนที่ 7 โพเทนชิออมิเตอร์และแจ็ค MIDI เชื่อมต่อกับแผงวงจรก่อนโดยใช้ลวดพันลวด จากนั้นจึงติดกาว แผงด้านหน้า แจ็ค AC เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ และเอาต์พุต DC ของแหล่งจ่ายไฟเชื่อมต่อกับอินพุตของตัวแปลงบั๊กและสายเคเบิลที่เชื่อมต่อกับมอเตอร์แบบไม่มีแปรง จากนั้นมอเตอร์ เซอร์โว และสายเลเซอร์จะวิ่งผ่านรูในไม้อัดลงไปที่กล่องอิเล็กทรอนิกส์ ก่อนที่จะจัดการกับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก ฉันได้ทดสอบส่วนประกอบทีละส่วนเพื่อให้แน่ใจว่าทุกอย่างถูกต่อสายอย่างถูกต้อง

ตอนแรกฉันซื้อแจ็คไฟ AC แต่อ่านบทวิจารณ์ที่ไม่ดีเกี่ยวกับการละลายดังนั้นฉันจึงมีรูขนาดไม่ถูกต้องที่แผงด้านหน้า ดังนั้นฉันจึงออกแบบและพิมพ์แจ็คอะแดปเตอร์ 3 มิติเพื่อให้ตรงกับขนาดของรูที่ฉันตัด

ขั้นตอนที่ 10: การติดตั้งและเดินสาย Ultrasonic Sensors

ณ จุดนี้ เลเซอร์ เซอร์โว มอเตอร์ไร้แปรงถ่าน และแจ็ค MIDI ทั้งหมดเชื่อมต่อและสามารถควบคุมได้โดย Arduino ขั้นตอนฮาร์ดแวร์สุดท้ายคือการเชื่อมต่อเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก ฉันออกแบบและพิมพ์ 3 มิติเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก จากนั้นฉันก็ต่อสายและประกอบชุดเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกเข้ากับแผ่นไม้อัดด้านบนของเครื่องกำเนิดแสง ลวดพันลวดวิ่งลงไปที่กล่องอิเล็กทรอนิกส์โดยเจาะรูในแผ่นไม้อัด ฉันเชื่อมต่อสายพันกับหมุดที่เหมาะสมบน Arduino

ฉันรู้สึกผิดหวังเล็กน้อยกับประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก พวกเขาทำงานได้ดีสำหรับระยะทางระหว่าง 1 ซม. - 30 ซม. แต่การวัดระยะทางนั้นดังมากนอกช่วงนั้น เพื่อปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน ฉันพยายามหาค่ามัธยฐานหรือค่าเฉลี่ยของการวัดหลายๆ ค่า อย่างไรก็ตาม สัญญาณยังคงไม่น่าเชื่อถือเพียงพอ ดังนั้นฉันจึงตั้งค่าจุดตัดสำหรับเล่นโน้ตหรือเปลี่ยนแผ่นเลเซอร์ที่ 25 ซม.

ขั้นตอนที่ 11: การเขียนโปรแกรม Dynamic Laser Vortex

หลังจากเดินสายและประกอบเสร็จเรียบร้อยแล้ว ก็ถึงเวลาตั้งโปรแกรมอุปกรณ์แผ่นไฟ! มีความเป็นไปได้มากมาย แต่แนวคิดโดยรวมคือการป้อนข้อมูลของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกและส่งสัญญาณสำหรับ MIDI และควบคุมเลเซอร์และเซอร์โว ในทุกโปรแกรม การหมุนของแผ่นกระดานจะถูกควบคุมโดยการหมุนปุ่มโพเทนชิออมิเตอร์

คุณจะต้องมีสองไลบรารี: NewPing และ MIDI

สิ่งที่แนบมาคือรหัส Arduino แบบเต็ม

รางวัลรองชนะเลิศในการประกวดสิ่งประดิษฐ์ประจำปี 2560