Makecourse: Con thuyền cô đơn: 11 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Tài liệu hướng dẫn này được tạo ra để đáp ứng yêu cầu dự án của Makecourse tại Đại học Nam Florida (www.makecourse.com).

Bạn mới sử dụng thiết kế của Arduino, in 3D và thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD)? Dự án này là một cách tuyệt vời để tìm hiểu tất cả những điều cơ bản đằng sau những chủ đề này và cung cấp chỗ cho sự sáng tạo của bạn để biến nó thành của riêng bạn! Nó có rất nhiều mô hình CAD cho cấu trúc của con thuyền, giới thiệu về các hệ thống tự hành và giới thiệu khái niệm chống thấm các bản in 3D!

Bước 1: Danh sách vật liệu

Để bắt đầu dự án, trước tiên bạn phải biết mình sẽ làm việc với cái gì! Dưới đây là những tài liệu bạn nên có trước khi bắt đầu:

• 1x vi điều khiển Arduino Uno R3 và cáp USB (Liên kết Amazon)
• Bộ điều khiển động cơ 1x L298N (Liên kết Amazon)
• 4x (2 là bản sao lưu) Động cơ DC 3-6V (Liên kết Amazon)
• 2x 28BYJ-48 Động cơ bước và mô-đun ULN2003 (Liên kết Amazon)
• 1x Bộ sạc điện thoại di động để cung cấp năng lượng (Đây là cái tôi đã sử dụng, tuy nhiên nó hơi lớn. Bạn có thể sử dụng một cái khác nếu thích: Amazon Link)
• 1x cảm biến HCSR04 siêu âm (Liên kết này có một số tính năng bổ sung được đưa vào với một số dây nhảy: Liên kết Amazon)
• 3x gói dây Jumper (Nam-nữ, nam-nam, nữ-nữ. Liên kết Amazon)
• 1x Can of Flex Seal (16-oz, Liên kết Amazon)
• 1x Painter's Tape (Liên kết Amazon)
• 1x Giấy nhám Fine Grit (khoảng 300 là tốt)
• Một vài que kem và bàn chải để dán keo flex

• Truy cập vào tính năng in 3D. (Đây là một máy in 3D tương đối rẻ và hiệu quả - Liên kết Amazon)

  • Red Filament để in 3D (Liên kết Amazon
  • Sợi đen để in 3D (Liên kết Amazon)

Vui lòng thêm bất kỳ tài liệu nào bạn nghĩ ra cho phiên bản dự án của bạn!

Bước 2: Các bộ phận và thiết kế in 3D

Phần đầu tiên của dự án này là tạo ra một hệ thống cơ khí để nó hoạt động. Điều này sẽ bao gồm nhiều bộ phận, bao gồm thân tàu, nắp, cánh khuấy, trục cho động cơ đến cánh khuấy, giá đỡ cho cảm biến và trục trên đó giá đỡ cảm biến.

Các thành phần được thiết kế trong SolidWorks và được ghép lại với nhau thành một bộ phận lắp ráp. Tất cả các tệp bộ phận và lắp ráp đã được đưa vào tệp zip, bạn có thể tìm thấy tệp này ở cuối bước này. Lưu ý rằng SolidWorks không phải là phần mềm CAD duy nhất bạn có thể sử dụng, vì nhiều chương trình như Inventor và Fusion360 có thể được sử dụng cho CAD. Bạn có thể nhập các bộ phận của SolidWorks vào chúng.

Điều quan trọng cần lưu ý là các trục giữ mái chèo phải đồng tâm với các lỗ trên thân tàu để tránh làm cong trục và khiến nó đi thẳng ra khỏi thuyền.

Mọi thứ trong dự án này đều được in 3D (không bao gồm các thành phần điện), vì vậy kích thước rất quan trọng. Tôi đã đưa ra dung sai khoảng 0,01 inch trên các bộ phận, để đảm bảo mọi thứ khớp với nhau (giống như khớp lỏng lẻo). Có ít dung sai hơn đối với các trục đi tới động cơ để chúng có thể vừa khít. Các mái chèo được lắp chặt vào trục để khi các động cơ được khởi động, các mái chèo sẽ chuyển động và đẩy thuyền.

Khi xem CAD, bạn sẽ nhận thấy các nền tảng cho các thành phần điện. Điều này là để các thành phần "bật" vào nền tảng của chúng để ngăn chúng di chuyển xung quanh.

Các bản in lớn nhất là vỏ và nắp, vì vậy hãy ghi nhớ điều này khi thiết kế. Bạn có thể phải chia nó thành nhiều phần, vì nó sẽ quá lớn để in cùng một lúc.

Bước 3: Mạch điều khiển

Ở đây chúng ta sẽ thảo luận về mạch điện điều khiển con thuyền. Tôi có một giản đồ từ Fritzing, đây là một phần mềm hữu ích mà bạn có thể tải xuống tại đây. Nó giúp tạo sơ đồ điện.

Không phải tất cả các thành phần được sử dụng trong dự án này đều ở dạng Fritzing, vì vậy chúng được thay thế. Cảm biến quang màu đen đại diện cho cảm biến HCSR04 và nửa cầu nhỏ là bộ điều khiển động cơ L298N.

HCSR04 và L298N được kết nối với các thanh nguồn trên breadboard, lần lượt được kết nối với phía nguồn của Arduino (trên chân 5V và chân nối đất). Các chân echo và trigger của HCSR04 lần lượt đi đến các chân 12 và 13 trên Arduino.

Các chân cho phép (tốc độ điều khiển đó) cho L298 được kết nối với các chân 10 và 11 (Bật A / Động cơ A) và 5 và 6 (ENB / Động cơ B). Sau đó, nguồn và cơ sở cho động cơ được kết nối với các cổng trên L298N.

Arduino tất nhiên sẽ nhận điện từ bộ sạc điện thoại di động của chúng tôi. Khi bật nguồn mạch, các động cơ được đặt ở tốc độ tối đa theo hướng được chỉ định bởi cảm biến tiệm cận của chúng tôi. Điều này sẽ được đề cập trong phần mã hóa. Điều này sẽ di chuyển thuyền.

Bước 4: Mã Arduino

Bây giờ chúng ta đi đến thực tế về những gì làm cho dự án này hoạt động: mã! Tôi đã đính kèm một tệp zip chứa mã cho dự án này, bạn có thể tìm thấy mã này ở cuối bước này. Nó được nhận xét đầy đủ cho bạn xem qua!

- Mã viết cho Arduino được viết trong một chương trình được gọi là môi trường phát triển tích hợp Arduino (IDE). Đó là thứ mà bạn nên tải xuống từ trang web chính thức của Arduino, có thể tìm thấy tại đây. IDE được viết bằng ngôn ngữ lập trình C / C ++.

Mã được viết và lưu thông qua IDE được gọi là bản phác thảo. Bao gồm trong các bản phác thảo và tệp lớp và thư viện mà bạn có thể đưa vào từ trực tuyến hoặc những tệp bạn tự tạo. Bạn có thể tìm thấy giải thích chi tiết về những điều này và cách lập trình trong Arduino tại đây.

- Như đã thấy ở đầu bước này, tôi có một video trên YouTube về bản phác thảo chính của dự án, bạn có thể xem tại đây! Điều này sẽ xem xét bản phác thảo chính và các chức năng của nó.

- Bây giờ tôi sẽ lướt qua thư viện mà tôi đã tạo để điều khiển cảm biến tiệm cận. Thư viện giúp dễ dàng lấy dữ liệu từ cảm biến với ít dòng mã hơn trong bản phác thảo chính của tôi.

Tệp.h (HCSR04.h) là những gì liệt kê các hàm và biến mà chúng ta sẽ sử dụng trong thư viện này và xác định ai có thể truy cập chúng. Chúng tôi bắt đầu với một hàm tạo, là một dòng mã xác định một đối tượng (trong trường hợp của chúng tôi là "HCSR04ProxSensor" mà chúng tôi đang sử dụng) chứa các giá trị mà chúng tôi nhập vào trong dấu ngoặc đơn. Các giá trị này sẽ là chân echo và chân kích hoạt mà chúng tôi đang sử dụng, sẽ được gắn với đối tượng cảm biến mà chúng tôi tạo (có thể được đặt tên bất kỳ thứ gì chúng tôi thích bằng cách bao gồm "HCSR04ProxSensor NameOfOurObject"). Những thứ nằm trong định nghĩa "công cộng" có thể được truy cập bởi bất kỳ thứ gì, cả trong thư viện và bên ngoài (như bản phác thảo chính của chúng tôi). Đây là nơi chúng tôi sẽ liệt kê các chức năng mà chúng tôi gọi trong bản phác thảo chính. Trong "private", chúng tôi lưu trữ các biến làm cho thư viện chạy. Các biến này chỉ có thể được sử dụng bởi các hàm trong thư viện của chúng tôi. Về cơ bản, đó là một cách để các chức năng của chúng tôi theo dõi các biến và giá trị nào được liên kết với từng đối tượng cảm biến mà chúng tôi tạo ra.

Bây giờ chúng ta chuyển sang tệp "HCSR04.cpp". Đây là nơi chúng tôi thực sự xác định các hàm và biến cũng như cách chúng hoạt động. Nó tương tự như nếu bạn đang viết mã trong bản phác thảo chính của mình. Lưu ý rằng các hàm nên được chỉ định cho những gì chúng trả về. Đối với "readSensor ()", nó sẽ trả về một số (dưới dạng float), vì vậy chúng tôi xác định đánh dấu hàm bằng "float HCSR04ProxSensor:: readSensor ()". Lưu ý rằng chúng ta phải bao gồm "HCSR04ProxSensor::", tên của đối tượng được liên kết với chức năng này. Chúng tôi xác định các chân của mình bằng cách sử dụng hàm tạo của chúng tôi, tìm khoảng cách của một đối tượng bằng cách sử dụng hàm "readSensor ()" và nhận giá trị đọc cuối cùng của chúng tôi bằng hàm "getLastValue ()".

Bước 5: In 3D tất cả các bộ phận và lắp ráp

Sau khi hai mảnh của thân tàu đã được in, bạn có thể dán chúng lại với nhau bằng băng keo của họa sĩ. Điều này nên giữ nó lại với nhau. Sau đó, bạn có thể lắp ráp tất cả các bộ phận khác như bình thường dựa trên thiết kế CAD của chúng tôi.

Máy in 3D chạy trên mã g, bạn có thể lấy mã này bằng cách sử dụng phần mềm máy cắt đi kèm với máy in. Phần mềm này sẽ lấy một tệp.stl (của một phần bạn đã tạo trong CAD) và chuyển đổi nó thành mã để máy in đọc (phần mở rộng cho tệp này khác nhau giữa các máy in). Máy thái in 3D phổ biến bao gồm Cura, FlashPrint, v.v.!

Khi in 3D, điều quan trọng cần biết là tốn rất nhiều thời gian, vì vậy hãy đảm bảo lập kế hoạch phù hợp. Để tránh thời gian in lâu và các bộ phận nặng hơn, bạn có thể in với lượng mực in khoảng 10%. Lưu ý rằng lượng mực in cao hơn sẽ giúp chống nước xâm nhập vào bản in, vì sẽ có ít lỗ rỗng hơn, nhưng điều này cũng sẽ làm cho các bộ phận nặng hơn và mất nhiều thời gian hơn.

Về tất cả các bản in 3D không thích hợp tốt với nước, vì vậy chúng tôi cần phải chống thấm nước cho chúng. Trong dự án này, tôi đã chọn áp dụng Flex Seal, vì nó khá đơn giản và hoạt động cực kỳ hiệu quả để ngăn nước ra khỏi bản in.

Bước 6: Chống thấm bản in

Việc chống thấm nước cho bản in này là rất quan trọng, vì bạn không muốn các thiết bị điện tử đắt tiền của mình bị hỏng!

Để bắt đầu, chúng tôi sẽ chà nhám bên ngoài và đáy của thân tàu. Điều này là để tạo ra các rãnh để con dấu uốn có thể thấm vào, giúp bảo vệ tốt hơn. Bạn có thể sử dụng một số loại giấy nhám cao / mịn. Chú ý đừng để cát nhiều quá, vài nhát là được.

Bước 7: Chà nhám thân tàu

Bạn sẽ biết khi nào nên dừng lại khi thấy các vạch trắng bắt đầu xuất hiện.

Bước 8: Áp dụng con dấu linh hoạt

Bạn có thể sử dụng que kem hoặc cọ để dán keo uốn. Đảm bảo không bỏ sót bất kỳ điểm nào và phải kỹ lưỡng. Bạn chỉ cần nhúng dụng cụ của mình vào hộp đã mở và chà xát lên thân tàu.

Bước 9: Để con dấu linh hoạt ngồi

Bây giờ chúng ta chờ đợi! Thông thường, mất khoảng 3 giờ để con dấu uốn hơi khô một chút, nhưng tôi sẽ để nó ngồi trong 24 giờ để chắc chắn. Bạn có thể phủ thêm một lớp keo flex seal nữa sau khi nó khô xong để bảo vệ thân tàu hơn nữa, nhưng điều này hơi quá mức cần thiết (đối với tôi thì 1 lớp làm việc rất tốt).

Bước 10: Lắp ráp và kiểm tra

Bây giờ con dấu uốn đã hoàn thành khô, tôi khuyên bạn nên thử thân tàu trong nước trước khi thêm các thành phần điện (nếu vỏ tàu KHÔNG thấm nước, điều đó có thể gây rắc rối cho Arduino của bạn!). Chỉ cần mang nó vào bồn rửa hoặc hồ bơi của bạn và xem liệu con thuyền có thể nổi hơn 5 phút mà không bị rò rỉ hay không.

Một khi chúng tôi chắc chắn rằng thân tàu của chúng tôi không thấm nước, chúng tôi có thể bắt đầu thêm tất cả các bộ phận của chúng tôi! Đảm bảo đấu dây chính xác Arduino, L298N và phần còn lại của các thành phần vào các chân thích hợp của chúng.

Để có dây phù hợp với động cơ DC, tôi đã hàn các dây dẫn nam với các dây dẫn trên động cơ để đảm bảo chúng luôn hoạt động. Hàn cũng hữu ích để đảm bảo tất cả các kết nối của bạn được an toàn hoặc nếu bạn cần tạo một dây dài hơn. Nếu bạn chưa bao giờ hàn trước đây, bạn có thể tìm hiểu thêm về nó tại đây!

Khi mọi thứ đã ổn định, hãy đặt tất cả các thành phần vào thân tàu và thực hiện một số thử nghiệm! Bạn sẽ muốn kiểm tra cảm biến hoạt động như dự định bằng cách đọc các giá trị khoảng cách trên màn hình nối tiếp, kiểm tra động cơ có quay chính xác không, những thứ tương tự như vậy.

Bước 11: Sản phẩm cuối cùng

Và bây giờ bạn đã hoàn thành! Kiểm tra bất kỳ lỗi nào trong quá trình lái thử (kiểm tra phao và thân tàu trước khi áp dụng thiết bị điện tử) và bạn đã sẵn sàng!