Arduino Laser-based Timing System: 6 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

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

ในการสอนของฉัน ฉันต้องการระบบเพื่อวัดความแม่นยำของความเร็วของรถจำลองที่วิ่งได้ 10 เมตร ตอนแรก ฉันคิดว่าจะซื้อระบบสำเร็จรูปราคาถูกจาก eBay หรือ Aliexpress ระบบเหล่านี้รู้จักกันทั่วไปในชื่อ light gates, photo gate หรือที่คล้ายกัน ปรากฎว่าระบบจับเวลาแบบ light gate ที่สร้างไว้ล่วงหน้านั้นค่อนข้างแพง ดังนั้นฉันจึงตัดสินใจสร้างเอง

การทำงานของระบบจับเวลาแบบ light gate นั้นค่อนข้างง่าย ประตูไฟแต่ละบานประกอบด้วยโมดูลเลเซอร์ที่ด้านหนึ่ง ซึ่งจะฉายจุดเลเซอร์บนโมดูลตัวต้านทานแบบพึ่งพาแสง (LDR) ที่อีกด้านหนึ่ง โดยการวัดเอาท์พุตของ LDR ระบบสามารถตรวจจับได้เมื่อลำแสงเลเซอร์แตก การใช้สองประตูเหล่านี้ ระบบจะเริ่มจับเวลาเมื่อลำแสงแรกขาด และหยุดตัวจับเวลาเมื่อรู้สึกว่าลำแสงที่สองถูกทำลาย เวลาที่บันทึกที่ได้จะแสดงขึ้นบนหน้าจอ LCD

การสร้างระบบเช่นนี้กับนักเรียนเป็นการแนะนำที่ดีในการเขียนโค้ด อีกทั้งยังเป็นแหล่งข้อมูลในห้องเรียนที่มีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อเสร็จสิ้น ระบบประเภทนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับกิจกรรม STEM และสามารถใช้วัดความเร็วของสิ่งต่างๆ เช่น รถยางรัดหนู รถดักหนู หรือรถดาร์บี้ไม้สนเดินทางในระยะทางที่กำหนด

ข้อจำกัดความรับผิดชอบ: โซลูชันที่นำเสนอนี้อยู่ห่างไกลจากความเหมาะสม ฉันทราบดีว่าบางสิ่งอาจดีขึ้นมากหรือมีประสิทธิภาพมากขึ้น โปรเจ็กต์นี้เริ่มต้นขึ้นภายในกำหนดเวลาที่แน่นมากและทำงานได้ดีตามวัตถุประสงค์ที่ตั้งใจไว้ ฉันมีแผนที่จะปล่อยทั้งเวอร์ชัน 2 และเวอร์ชัน 3 ของระบบนี้พร้อมการปรับปรุง โปรดดูขั้นตอนสุดท้ายของคำแนะนำ การนำวงจรและรหัสไปใช้ถือเป็นความเสี่ยงของคุณเอง

เสบียง

• Arduino R3 (หรือบอร์ดที่เข้ากันได้) - 4.50 ปอนด์
• โปรโตบอร์ดปีกขนนก Adafruit - ส่วนเล็กของโปรโตบอร์ดประเภทใดก็ได้ก็ใช้ได้เช่นกัน - 1
• แผงปุ่มกด LCD - ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์นี้ทำขึ้นเพื่อให้พอดีกับรุ่นของ Arduino ที่คุณมี - £5
• โมดูลตัวต้านทานแบบพึ่งพาแสง (LDR) 2 ตัว - การค้นหา ebay สำหรับ "arduino LDR" ควรแสดงตัวเลือกมากมาย - อันละ 2.30 ปอนด์
• 2 x โมดูลเลเซอร์ - การค้นหา ebay สำหรับ "arduino laser" ควรแสดงตัวเลือกมากมาย ตรวจสอบให้แน่ใจว่ากำลังของเลเซอร์ไม่เกิน 5mW - 2.25 ปอนด์สำหรับสาม
• 4 x ขาตั้งกล้องขนาดเล็ก - อันละ 3.50 ปอนด์
• น็อต 4x 1/4 นิ้ว - สำหรับใส่เกลียวขาตั้งกล้องมาตรฐาน - £2
• อะคริลิคใสสำหรับเคส Arduino £3
• น๊อตและสลักเกลียว M3 - £2
• ความขัดแย้งของ PCD พลาสติก - สามารถซื้อชุดอุปกรณ์เหล่านี้ได้ในราคาถูกบน Ebay - 6.80 ปอนด์สเตอลิงก์
• 4 x กล่องพิมพ์ 3 มิติ - ค่าวัสดุอยู่ที่ประมาณ 5 ปอนด์
• สายริบบิ้น - 5 ปอนด์

ค่าใช้จ่ายทั้งหมดอยู่ที่ประมาณ 55 ปอนด์ ซึ่งถือว่าเข้าถึงได้ทั้งเครื่องตัดเลเซอร์และเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ค่าใช้จ่ายส่วนใหญ่ในที่นี้มีไว้สำหรับเคส น็อตและสลักเกลียว ฯลฯ ค่าใช้จ่ายจริงของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อยู่ที่ 22 ปอนด์เท่านั้น ดังนั้นจึงอาจมีที่ว่างสำหรับการปรับให้เหมาะสมมากมายที่นี่

ขั้นตอนที่ 1: โปรแกรม Adrunio

อัปโหลดโค้ดด้านล่างไปยัง Arduino หากคุณไม่คุ้นเคยกับวิธีการทำเช่นนี้ ลองดูคำแนะนำที่ยอดเยี่ยมนี้

ตรรกะพื้นฐานของรหัสมีดังนี้:

1. เปิดโมดูลเลเซอร์และตรวจสอบว่า LDR แต่ละตัวสามารถ "มองเห็น" ลำแสงเลเซอร์ได้
2. รอจนกระทั่ง LDR 1 ตรวจพบการแตกในลำแสงเลเซอร์ ให้เริ่มจับเวลาทันที
3. รอจนกว่า LDR 2 ตรวจพบการแตกหักในลำแสงเลเซอร์ ให้หยุดตัวจับเวลาทันที
4. แสดงเวลาที่เกิดขึ้นบนหน้าจอ LCD หน่วยเป็นมิลลิวินาที

รหัสได้รับการออกแบบให้จับเวลาเพียงครั้งเดียวเท่านั้น เมื่อบันทึกเวลาจากหน้าจอแล้ว ปุ่มรีเซ็ตบนแผงป้องกันจะใช้ในการรีสตาร์ทโปรแกรม

ลิงค์ไปยังรหัส ARDUINO

(สำหรับข้อมูล: โค้ดนี้โฮสต์อยู่บน create.arduino.cc และฉันชอบที่จะฝังโค้ดไว้ที่นี่ แต่ตัวแก้ไข Instructables ไม่อนุญาตให้ iframe แบบฝังแสดงหรือทำงานอย่างถูกต้อง หากใครก็ตามที่ Instructables กำลังอ่านข้อความนี้ โปรด ใช้สิ่งนี้เป็นคุณสมบัติในอนาคต ขอบคุณ)

ขั้นตอนที่ 2: 3D Print Enclosures

จำเป็นต้องยึดโมดูลเลเซอร์และ LDR ให้เข้าที่ เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีลำแสงขาดอันเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของโมดูล พิมพ์ 3 มิติที่กล่องหุ้มด้านล่างและสลักโมดูลให้เข้าที่ โมดูลเลเซอร์จะต้องยึดไว้กับที่ด้วยสายรัด เนื่องจากไม่มีรูสลัก

ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ใส่น็อตขนาด 1/4 นิ้วไว้ในแต่ละเคส ซึ่งจะใช้ในภายหลังเพื่อให้เคสเหล่านี้เชื่อมต่อกับขาตั้งกล้องได้ สองส่วนของกล่องหุ้มถูกยึดไว้ด้วยกันด้วยน็อตและสลักเกลียว M3

ขั้นตอนที่ 3: Laser Cut Arduino Case

ตัดไฟล์ด้านล่างด้วยเลเซอร์จากอะครีลิกใสหนา 4 มม. จัดเรียง Arduino R3 และโปรโตบอร์ดกับรูบนชิ้นอะคริลิกแล้วสลักเข้าที่ ยึดชิ้นส่วนด้านบนของเคสกับด้านล่างโดยใช้ PCD standoffs เป็นตัวเว้นระยะ

ขั้นตอนที่ 4: ต่อวงจร

โล่ LCD ที่ใช้ในโปรเจ็กต์นี้มีคำอธิบายโดยละเอียดในคำแนะนำที่ยอดเยี่ยมนี้ หน้าจอ LCD และปุ่มอินพุตใช้พิน I/O ของ Arduino บางตัว ด้วยเหตุนี้ I/O ทั้งหมดสำหรับโมดูลเลเซอร์และ LDR จึงใช้พิน 1, 2, 12 และ 13 เท่านั้น

จำเป็นต้องมีการเดินสายเพียงเล็กน้อย แต่ให้แน่ใจว่าได้ต่อวงจรตามที่แสดงในแผนภาพ ฉันเพิ่มตัวเชื่อมต่อประเภท JST ลงในสายเลเซอร์และโมดูล LDR เพื่อให้ฉันสามารถถอดแยกชิ้นส่วนและจัดเก็บการตั้งค่าทั้งหมดได้อย่างง่ายดาย

ใช่ พิน Arduino 1 และ 2 กำลังจ่ายไฟให้กับโมดูลเลเซอร์โดยตรงโดยไม่มีตัวต้านทานอินไลน์ เนื่องจากโมดูลเลเซอร์ที่เลือกได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับใช้กับ Arduino จึงไม่น่าเป็นปัญหา โมดูลเลเซอร์ดึงกำลังสูงสุด 5mW ซึ่งหมายความว่าที่แรงดันไฟฟ้า 5V ของพิน โมดูลควรวาดที่ประมาณ 1mA ซึ่งต่ำกว่าขีดจำกัด ~40mA สำหรับการจ่ายกระแสไฟบนพิน Arduino I/O

ขั้นตอนที่ 5: ประกอบและปรับแต่ง

ในที่สุด คุณก็พร้อมที่จะประกอบทุกอย่างแล้ว

1. ติดตั้ง LDR และเคสโมดูลเลเซอร์บนขาตั้งกล้องขนาดเล็ก
2. วางตำแหน่งโมดูลเลเซอร์ให้ส่องแสงโดยตรงที่เซ็นเซอร์ LDR

ในขั้นตอนนี้ คุณจะต้องปรับแต่งสิ่งต่างๆ เล็กน้อย โมดูล LDR จะส่งสัญญาณดิจิตอล สัญญาณสูง (5V) แสดงว่าตรวจไม่พบลำแสงเลเซอร์ สัญญาณต่ำ (0V) แสดงว่าสามารถเห็นลำแสงเลเซอร์ได้ เกณฑ์ความเข้มของแสงที่โมดูลเปลี่ยนจากสัญญาณเอาต์พุต 5V เป็น 0V (และในทางกลับกัน) ถูกควบคุมโดยโพเทนชิออมิเตอร์บนบอร์ด LDR คุณจะต้องปรับโพเทนต์มิเตอร์เพื่อให้โมดูลสลับระหว่างเอาต์พุต 0V และ 5V เมื่อคุณคาดหวัง

ค่อยๆ ปรับโพเทนชิออมิเตอร์จนกว่าระบบจะทำงานตามที่คาดไว้ หรือใช้มัลติมิเตอร์เพื่อวัดเอาต์พุตของโมดูล LDR และปรับแต่งตามต้องการ

ขั้นตอนที่ 6: การทำงานและการทำงานเพิ่มเติม

ตอนนี้คุณควรพร้อมที่จะใช้ระบบแล้ว! ภาพแสดงขั้นตอนการทำงาน

1. กดปุ่มเลือกเพื่อเริ่มต้นระบบ
2. จัดตำแหน่งเลเซอร์ให้ส่องแสงโดยตรงบนเซ็นเซอร์ LDR
3. ขณะนี้ระบบติดอาวุธ กำหนดรูปแบบรถของคุณไป
4. ระบบจะเริ่มจับเวลาเมื่อลำแสงเลเซอร์ตัวแรกขาด
5. ระบบจะหยุดเมื่อลำแสงเลเซอร์อันที่สองถูกทำลาย
6. เวลาในหน่วยมิลลิวินาทีจะแสดงบนหน้าจอ
7. กดปุ่มรีเซ็ตเพื่อจับเวลาการทำงานอื่น

ฉันอาจจะสร้างเวอร์ชัน 2.0 ของระบบนี้ เนื่องจากมีการปรับปรุงที่ชัดเจนบางอย่างที่สามารถทำได้:

1. ไม่จำเป็นต้องจ่ายไฟให้กับโมดูลเลเซอร์จาก Arduino เนื่องจากอาจใช้แบตเตอรี่และเปิดเครื่องเมื่อจำเป็น เมื่อฉันออกแบบระบบ การเดินสายโมดูลเลเซอร์กับ Arduino สำหรับการจ่ายไฟดูเหมือนเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ง่ายที่สุด ในทางปฏิบัติ ส่งผลให้การเดินสายเคเบิลยาวจนเกะกะขวางทาง
2. เลนส์คอนเดนเซอร์จำเป็นอย่างยิ่งกับตัวเรือน LDR การจัดวางเลเซอร์ให้เป็นจุดศูนย์กลางของเซ็นเซอร์ LDR (เล็กมาก) นั้นทำได้ยากมาก และบางครั้งอาจใช้เวลาหลายนาที การใช้เลนส์คอนเดนเซอร์จะทำให้ผู้ใช้มีเป้าหมายที่ใหญ่กว่ามากในการเล็งด้วยจุดเลเซอร์

ตอนนี้ฉันยังคิดเกี่ยวกับเวอร์ชัน 3.0 ที่ไร้สายอย่างสมบูรณ์และเพียงแค่เชื่อมต่อกับแล็ปท็อปของฉันโดยใช้บลูทูธ นี่เป็นโครงการที่ใหญ่กว่ามากสำหรับวันอื่น

รองชนะเลิศการประกวด STEM