Hệ thống hẹn giờ dựa trên Laser Arduino: 6 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Là một phần trong quá trình giảng dạy của tôi, tôi cần một hệ thống để đo chính xác tốc độ một chiếc xe mô hình đã đi được 10 mét. Ban đầu, tôi nghĩ mình sẽ mua một hệ thống làm sẵn giá rẻ từ eBay hoặc Aliexpress, những hệ thống này thường được biết đến với tên gọi cổng đèn, cổng ảnh hoặc tương tự. Tuy nhiên, hóa ra các hệ thống tính thời gian cổng ánh sáng được xây dựng trước thực sự khá đắt tiền, vì vậy tôi quyết định xây dựng hệ thống của riêng mình.

Hoạt động của hệ thống định thời cổng đèn khá đơn giản. Mỗi cổng ánh sáng bao gồm một mô-đun laser ở một bên, mô-đun này chiếu một điểm laser lên mô-đun điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR) ở phía bên kia. Bằng cách đo đầu ra của LDR, hệ thống có thể phát hiện khi nào chùm tia laser bị phá vỡ. Sử dụng hai trong số các cổng này, hệ thống khởi động bộ đếm thời gian khi chùm tia thứ nhất bị hỏng và dừng bộ đếm thời gian khi cảm nhận được chùm tia thứ hai đã bị hỏng. Kết quả thời gian ghi được hiển thị trên màn hình LCD.

Việc xây dựng một hệ thống như thế này với sinh viên là một cách giới thiệu tuyệt vời về lập trình, nó cũng là một nguồn tài nguyên lớp học thực sự hữu ích sau khi hoàn thành. Loại hệ thống này rất phù hợp cho các hoạt động STEM và có thể được sử dụng để đo tốc độ của những thứ như ô tô quấn dây cao su, ô tô bẫy chuột hoặc ô tô derby bằng gỗ thông di chuyển trong một khoảng cách nhất định.

Tuyên bố từ chối trách nhiệm: Giải pháp được trình bày ở đây không phải là tối ưu. Tôi biết một số thứ có thể tốt hơn hoặc hiệu quả hơn rất nhiều. Dự án này ban đầu được đưa ra với một thời hạn rất chặt chẽ và hoạt động hoàn toàn tốt cho mục đích đã định. Tôi có kế hoạch phát hành cả phiên bản 2 và phiên bản 3 của hệ thống này với các cải tiến, vui lòng xem bước cuối cùng của hướng dẫn. Việc triển khai mạch và mã do bạn tự chịu rủi ro.

Quân nhu

• Arduino R3 (hoặc bảng tương thích) - £ 4,50
• Tấm protoboard có cánh lông vũ Adafruit - Một phần nhỏ của bất kỳ loại protoboard nào cũng được - £ 1
• Tấm chắn bàn phím LCD - Đảm bảo tấm chắn này được làm phù hợp với phiên bản arduino mà bạn có - £ 5
• 2 x Mô-đun Điện trở Phụ thuộc Ánh sáng (LDR) - Tìm kiếm trên ebay cho "arduino LDR" sẽ hiển thị nhiều tùy chọn - £ 2,30 mỗi tùy chọn
• 2 x Mô-đun Laser - Tìm kiếm trên ebay cho "arduino laser" sẽ hiển thị rất nhiều tùy chọn. Đảm bảo công suất của tia laser không lớn hơn 5mW. - £ 2,25 cho ba người
• 4 x giá ba chân nhỏ - £ 3,50 mỗi cái
• Đai ốc 4x 1/4 inch - Để phù hợp với sợi chân máy tiêu chuẩn - £ 2
• Acrylic rõ ràng cho hộp Arduino £ 3
• Đai ốc và bu lông M3 - £ 2
• Các phụ kiện nhựa PCD - Những bộ dụng cụ này có thể có với giá khá rẻ trên Ebay. - £ 6,80
• 4 x thùng loa in 3D - Chi phí vật liệu khoảng £ 5.
• Cáp ruy-băng - £ 5

Tổng chi phí vào khoảng £ 55, điều này giả sử có quyền truy cập vào cả máy cắt laser và máy in 3D. Hầu hết chi phí ở đây là cho các trường hợp, đai ốc và bu lông, v.v. chi phí thực tế của thiết bị điện tử chỉ là 22 bảng Anh nên có lẽ còn nhiều chỗ cho việc tối ưu hóa ở đây.

Bước 1: Lập trình Adrunio

Tải mã bên dưới lên Arduino. Nếu bạn không quen với cách làm điều này, hãy xem hướng dẫn tuyệt vời này.

Logic cơ bản của mã như sau:

1. Bật mô-đun laser và kiểm tra xem mỗi LDR có thể "nhìn thấy" chùm tia laser hay không.
2. Chờ cho đến khi LDR 1 phát hiện ra điểm đứt trong chùm tia laze, ngay lập tức khởi động bộ đếm thời gian.
3. Chờ cho đến khi LDR 2 phát hiện ra điểm đứt trong chùm tia laze, hãy dừng ngay bộ đếm thời gian.
4. Hiển thị thời gian kết quả trên màn hình LCD theo mili giây.

Mã chỉ được thiết kế để tính thời gian cho một lần chạy, khi thời gian từ màn hình đã được ghi chú xuống, nút đặt lại trên tấm chắn được sử dụng để khởi động lại chương trình.

LIÊN KẾT ĐẾN MÃ ARDUINO

(FYI: Mã được lưu trữ trên create.arduino.cc và tôi rất muốn nhúng mã vào đây, nhưng trình chỉnh sửa Hướng dẫn không cho phép iframe được nhúng hiển thị hoặc hoạt động chính xác. Nếu bất kỳ ai ở Hướng dẫn viên đang đọc nội dung này, vui lòng triển khai tính năng này như một tính năng trong tương lai, cảm ơn)

Bước 2: Vỏ bọc in 3D

Các mô-đun laser và LDR cần phải được giữ cố định để đảm bảo rằng không xảy ra hiện tượng đứt chùm do các mô-đun di chuyển. In 3D các hộp bên dưới và bắt vít các mô-đun vào vị trí, mô-đun laser sẽ cần được giữ cố định bằng dây buộc zip vì nó không có lỗ thông qua bu lông.

Hãy chắc chắn bẫy một đai ốc 1/4 inch bên trong mỗi vỏ, điều này sẽ được sử dụng sau này để cho phép các vỏ này kết nối với giá ba chân. Hai nửa của vỏ được giữ với nhau bằng đai ốc và bu lông M3.

Bước 3: Vỏ Arduino Laser Cut

Cắt laser các tệp bên dưới từ acrylic trong suốt dày 4mm. Xếp thẳng hàng của arduino R3 và protoboard với các lỗ trên miếng acrylic và bắt vít vào vị trí. Chốt phần trên cùng của hộp xuống đáy bằng cách sử dụng các giá đỡ PCD làm miếng đệm.

Bước 4: Nối mạch

Tấm chắn LCD được sử dụng trong dự án này được giải thích chi tiết trong tài liệu hướng dẫn tuyệt vời này. Tuy nhiên, màn hình LCD và các nút đầu vào sử dụng một số chân I / O của arduino, vì lý do này, tất cả I / O cho mô-đun laser và chỉ sử dụng các chân 1, 2, 12 và 13 của LDR.

Cần rất ít hệ thống dây điện, nhưng đảm bảo mạch được kết nối như trong sơ đồ. Tôi đã thêm một số đầu nối loại JST vào dây mô-đun laser và LDR để cho phép tôi dễ dàng tháo rời và lưu trữ toàn bộ thiết lập.

Có, chân 1 và 2 của arduino đang cấp nguồn trực tiếp cho các mô-đun laser mà không có điện trở trong dòng. Vì các mô-đun laser được chọn được thiết kế đặc biệt để sử dụng với arduino nên điều này không thành vấn đề. Các mô-đun laser tạo ra công suất tối đa là 5mW, điều này có nghĩa là ở điện áp cung cấp 5V của chân, mô-đun phải vẽ khoảng 1mA, mức này thấp hơn nhiều so với giới hạn ~ 40mA đối với dòng điện cung cấp trên các chân I / O của arduino.

Bước 5: Lắp ráp và điều chỉnh

Cuối cùng, bạn đã sẵn sàng để lắp ráp mọi thứ.

1. Gắn các vỏ mô-đun LDR và Laser trên các giá ba chân nhỏ.
2. Định vị các mô-đun Laser để chiếu trực tiếp vào cảm biến LDR

Ở giai đoạn này, bạn sẽ cần phải tinh chỉnh mọi thứ một chút. Các mô-đun LDR xuất ra tín hiệu kỹ thuật số, tín hiệu cao (5V) cho biết không phát hiện thấy chùm tia laser nào, dấu hiệu thấp (0V) cho biết nó có thể nhìn thấy chùm tia laser. Ngưỡng cường độ ánh sáng mà tại đó mô-đun chuyển từ tín hiệu đầu ra 5V sang 0V (và ngược lại) được điều khiển bởi một chiết áp trên bo mạch LDR. Bạn sẽ cần điều chỉnh điện trở kế để mô-đun chuyển đổi giữa đầu ra 0V và 5V khi bạn mong đợi.

Điều chỉnh dần dần chiết áp cho đến khi hệ thống hoạt động như mong đợi hoặc sử dụng đồng hồ vạn năng để đo đầu ra mô-đun LDR và điều chỉnh theo yêu cầu.

Bước 6: Vận hành và làm việc tiếp theo

Bây giờ bạn đã sẵn sàng để sử dụng hệ thống! Các hình ảnh cho thấy các giai đoạn hoạt động.

1. Nhấn nút chọn để khởi động hệ thống.
2. Căn chỉnh các tia laser để chúng chiếu trực tiếp vào cảm biến LDR.
3. Hệ thống hiện đã được trang bị. Đặt bạn mô hình xe đi.
4. Hệ thống sẽ bắt đầu tính thời gian sau khi tia laze đầu tiên bị phá vỡ.
5. Hệ thống sẽ dừng lại khi tia laze thứ hai bị phá vỡ.
6. Thời gian tính bằng mili giây sẽ được hiển thị trên màn hình.
7. Nhấn nút đặt lại để hẹn giờ lần chạy khác.

Tôi có thể sẽ tạo phiên bản 2.0 của hệ thống này vì có một số cải tiến rõ ràng có thể được thực hiện:

1. Không cần cấp nguồn cho các mô-đun laser từ Arduino, chúng có thể được cấp nguồn bằng pin và chỉ cần bật lên khi cần. Khi tôi thiết kế hệ thống, đấu dây các mô-đun laser với Arduino để cấp nguồn dường như là giải pháp đơn giản nhất, trên thực tế, điều này dẫn đến việc chạy cáp dài gây cản trở.
2. Thấu kính ngưng tụ thực sự cần thiết trên vỏ LDR. Đặt điểm laser lên chính xác với tâm của cảm biến LDR (rất nhỏ) là rất phức tạp và đôi khi có thể mất vài phút, việc sử dụng ống kính tụ điện sẽ cung cấp cho người dùng một mục tiêu lớn hơn nhiều để nhắm vào bằng điểm laser.

Bây giờ tôi cũng đang nghĩ về một phiên bản 3.0 hoàn toàn không dây và chỉ kết nối với máy tính xách tay của tôi bằng Bluetooth, tuy nhiên, đây là một dự án lớn hơn nhiều cho một ngày khác.

Về nhì trong Cuộc thi STEM