Tacômetro de roda de hamster: 11 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

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Há cerca de três anos, os sobrinhos ganharam seu primeiro animal de estimação, um hamster chamado Nugget. A curiosidade sobre a rotina de exercícios do Nugget deu início a um projeto que durou muito tempo com o Nugget (RIP). Este Instructable descreve um tacômetro óptico de roda de exercício funcional. O tacômetro da roda do hamster (HWT) exibe a velocidade mais alta do hamster (RPM) e o número total de rotações. A família humana de Nugget queria algo simples de instalar e usar, mas não queria mais tempo na tela para as crianças. Dada a maneira mastigável dos roedores de interagir com o mundo, achei que a bateria autônoma seria boa. O HWT funcionará por cerca de 10 dias com carga. Pode registrar até 120 RPM dependendo do diâmetro da roda.

Etapa 1: Lista de peças

Adafruit # 2771 Feather 32u4 Basic Proto (com fiação suplementar - consulte a Etapa 4: Montar eletrônicos)

Adafruit # 3130 0,54 Quad Alfanumérico FeatherWing Display - Vermelho

Kit de Cabeçalho Adafruit # 2886 para Pena - Conjunto de Cabeçalho Feminino de 12 e 16 pinos

Interruptor deslizante SPDT compatível com placa de ensaio Adafruit # 805

Bateria de polímero de íon de lítio Adafruit # 3898 ideal para penas - 3,7 V 400 mAh

Vishay TSS4038 Módulo Sensor IR 2,5-5,5 V 38 kHz

Vishay TSAL4400 Emissor infravermelho T-1 pkg

Resistor, 470, 1 / 4w

Interruptor, botão de pressão, SPST, momentaneamente ligado, montagem em painel de 0,25 (Jameco P / N 26623 ou equivalente)

(4) Parafusos de máquina de nylon de 2,5 mm com porcas (ou parafuso de máquina 4-40 - consulte a Etapa 6: Monte o HWT)

Caixa do tacômetro da roda do hamster - impressa em 3D. (Arquivo TinkerCad público)

Moldura do tacômetro da roda do hamster - impressa em 3D. (Arquivo TinkerCad público)

Caixa do sensor do tacômetro da roda do hamster - impressa em 3D. (Arquivo TinkerCad público)

Filtro de contraste do display. Existem três opções:

1. (54mm x 34mm x 3,1mm) Policarbonato Fumado Cinza Transparente 1/8 "(estreetplastics ou equivalente).
2. Sem filtro de contraste
3. Imprima um filtro 3D usando PLA translúcido fino e este arquivo TinkerCad público.

Matéria escura: algum material reflexivo não infravermelho aderente. Usei feltro preto colado em uma loja de artesanato. Creatology Peel and Stick Black feltro de poliéster ou equivalente. Consulte também a Etapa 7: Calibração - Notas sobre a área escura.

Nota: Dentro do razoável, você pode substituir as peças. Tenho tendência a apoiar a Adafruit devido à sua qualidade e ao apoio da comunidade de criadores. Ah, e eu adoro almofadas de solda com brilho dourado.

Etapa 2: Teoria de Operação

O HWT usa luz infravermelha (IR) para contar as rotações de uma roda giratória de exercícios. A maioria das rodas de plástico para exercícios refletem a luz infravermelha muito bem, muito bem. Mesmo rodas de plástico que são translúcidas na luz visível podem refletir IR suficiente para acionar sensores IR. O usuário cria uma área escura na roda usando feltro preto adesivo (consulte a Etapa 7: Calibração - Notas sobre a área escura). Quando uma transição reflexiva para escura é detectada pelo HWT, uma revolução é contada.

O HWT usa um Módulo Sensor IR Vishay e um emissor LED IR. Em uma aplicação típica, o Vishay TSS4038 IR Sensor Module é usado para detecção de presença - há algo lá (refletindo IR) ou algo não está lá. Não é exatamente isso que o HWT está fazendo aqui. A roda de exercício de plástico está sempre lá. Estamos enganando o sensor adicionando uma área escura de infravermelho para fazer a roda 'desaparecer' na luz infravermelha. Além disso, o HWT usa o design do Módulo do sensor de infravermelho Vishay TSS4038 para fornecer uma distância operacional de faixa variável. Etapa 3: a seção de código e a listagem de código contém mais informações. A premissa básica é descrita na Nota de Aplicação Sensor TSSP4056 da Vishay para Sensoriamento de Proximidade Rápida.

O Adafruit Feather tem um microcontrolador Atmel MEGA32U4 e uma área de prototipagem através de orifício.

Soldado na área de prototipagem está um Vishay TSAL4400 IR LED que cria rajadas de sinais IR de 38 kHz (sob o controle do microcontrolador 32U4).

Também soldado na área de prototipagem está um Módulo Sensor Vishay TSS4038 IR para Sensor Refletivo, Barreira de Luz e Aplicações de Proximidade Rápida.

Este módulo sensor IR produz um sinal se uma rajada de luz IR de 38 kHz for recebida por um determinado período de tempo.

O microcontrolador 32U4 gera um burst de 38 kHz a cada 32 ms. A taxa de 32 ms determina a rotação máxima da roda de exercício que pode ser medida. O 32U4 também monitora o módulo do sensor IR. Com reflexão IV suficiente da roda do hamster, cada explosão deve fazer com que o módulo do sensor IV responda. Uma área escura da roda não produz nenhuma resposta do sensor de infravermelho que o 32U4 observa. Quando a roda do hamster se move para que haja reflexão IV suficiente, o código 32U4 registra a mudança e registra isso como uma revolução da roda (transição claro para escuro = 1 revolução).

Aproximadamente a cada minuto, o 32U4 verifica se as revoluções no último minuto excederam a contagem de RPM mais alta anterior e atualiza esta 'melhor pontuação pessoal', se necessário. O número de RPM no último minuto também é adicionado ao número total de revoluções da roda.

Um botão de pressão é usado para exibir o número de revoluções (consulte a Etapa 9: seção Modo normal) e usado para calibrar o HWT (consulte a Etapa 7: seção Modo de calibração).

Uma chave deslizante ON-OFF controla a energia para o HWT e tem uma função na calibração (consulte a Etapa 7: seção de calibração).

Se o diâmetro da roda de exercício for conhecido, a distância total percorrida é calculada como (Diâmetro * Total de rotações da roda * π).

Etapa 3: Código

Estou assumindo que o usuário conhece o Arduino IDE e a placa Adafruit Feather 32U4. Usei o IDE Arduino padrão (1.8.13) com a RocketScream Low Power Library. Esforcei-me para comentar o código profusamente e talvez com precisão.

Não documentei peculiaridades e interações do IDE Arduino e do sistema Adafruit Feather 32U4. Por exemplo, o 32U4 lida com a comunicação USB com o carregador Arduino. Fazer com que o PC host executando o Arduino IDE para localizar a conexão USB Feather 32U4 pode ser problemático. Existem tópicos de fóruns on-line detalhando problemas e soluções.

Particularmente na biblioteca RocketScream Low Power, as operações do Feather 32U4 USB são interrompidas. Portanto, para baixar o código do Arduino IDE para o 32U4, o usuário pode ter que pressionar o botão de reset do Feather 32U4 até que o IDE encontre uma porta serial USB. Isso é muito mais fácil de fazer antes de montar o HWT.

Etapa 4: montar eletrônicos

1. Monte Adafruit # 2771

   1. Se o menor consumo de energia for desejado, corte o traço entre R7 e o LED vermelho. Isso desativa o LED Feather.
   2. Instale o Adafruit # 2886 Header Kit no # 2771 Feather de acordo com o tutorial. Observe que existem várias opções para estilos de cabeçalho. O gabinete impresso HWT 3D é dimensionado para este cabeçalho.

   3. Instale os componentes ópticos no # 2771 Feather. Consulte as fotos e o esquema.

      • Vishay TSS4038 Módulo Sensor IR
      • Emissor infravermelho Vishay TSAL4400
      • Resistor, 470, 1 / 4w
      • Caixa do sensor do tacômetro da roda do hamster - impressa em 3D. (Arquivo TinkerCad público)
2. Solde o interruptor do botão de pressão da tela no conjunto da placa de circuito impresso Feather 32U4 (PCBA) de acordo com o esquema.
3. Monte o Adafruit # 3130 0,54 "Quad Alphanumeric FeatherWing Display de acordo com o tutorial.

4. Monte o conjunto do interruptor / bateria de acordo com as imagens e o esquema. Observação: os condutores da chave próximos à chave precisam estar livres de solda para que a chave se encaixe corretamente no gabinete do HWT.

   • Bateria LiPo Adafruit # 3898.
   • Interruptor deslizante Adafruit # 805 SPDT.
   • Fio de conexão.

   Nota: Sinta-se à vontade para conectar como desejar. Foi assim que montei o HWT para este Instructable. Outros protótipos tinham fios colocados de forma ligeiramente diferente. Contanto que sua fiação esteja de acordo com o esquema e o sensor Vishay e o invólucro do LED destacem a parte inferior do gabinete do HWT, você estará bem.

Etapa 5: Peças impressas 3-D

A caixa do HWT consiste em três peças impressas em 3D:

1. Caixa do tacômetro da roda do hamster - (arquivo público do TinkerCad)
2. Moldura do tacômetro da roda do hamster - (arquivo público do TinkerCad)
3. Caixa do sensor do tacômetro da roda do hamster - (arquivo público do TinkerCad)

A caixa HWT, a moldura da tela HWT e a caixa do sensor HWT foram criadas no Tinkercad e são arquivos públicos. Uma pessoa pode baixar cópias e modificar conforme desejado. Tenho certeza de que o design pode ser otimizado. Eles são impressos em um MakerGear M2 usando o controle Simplify3D. Adafruit tem um tutorial para uma caixa impressa em 3D para Adafruit Feather. Achei essas configurações de impressora 3D um bom ponto de partida para minha impressora M2 MakerGear.

Se necessário, um filtro de contraste do display pode ser impresso em 3D usando PLA translúcido fino e este arquivo TinkerCad público.

Etapa 6: montar o HWT

1. Conecte o conjunto de bateria / interruptor ao PCBA Feather # 2771. É muito mais fácil fazer isso agora do que quando o Feather # 2771 está aparafusado no gabinete do HWT.
2. Assente a chave deslizante em seu local no gabinete do HWT.
3. Passe os fios fora do caminho enquanto você coloca o Feather PCBA no gabinete.
4. A caixa do sensor deve ficar para fora da caixa do HWT.
5. As porcas de 2,5 mm são difíceis de prender aos parafusos de 2,5 mm. Você pode querer usar parafusos de máquina 4-40 conforme descrito no tutorial Adafruit.
6. Pressione o PCBA de exibição # 3130 no PCBA Feather # 2771. Observe se há pinos tortos ou desalinhados.
7. Conecte a chave ao painel frontal da tela.
8. Encaixe a moldura da tela no gabinete do HWT.

Etapa 7: Calibração

No modo Calibrar, o display mostra continuamente a saída do sensor IR. A calibração auxilia na verificação:

1. A roda do hamster está refletindo luz infravermelha suficiente.
2. A área escura está absorvendo luz infravermelha.
3. As configurações de alcance estão corretas para a distância até a roda de exercício.

• Para entrar no modo Calibrar:

  1. Desligue o HWT usando o botão liga / desliga.
  2. Pressione e segure o botão Exibir.
  3. Ligue o HWT usando o botão liga / desliga.
  4. O HWT entra no modo Calibrar e exibe CAL.
  5. Solte o botão Exibir. O HWT agora exibe uma letra que representa a configuração do intervalo (L, M ou S) e a leitura do sensor. Observe que a leitura do sensor não é a distância real da roda até o HWT. É uma medida da qualidade da reflexão.

• Como verificar os reflexos IR da roda:

  Com uma reflexão adequada, a exibição do sensor deve mostrar cerca de 28. Se a roda estiver muito longe do HWT, há reflexão insuficiente e a exibição do sensor ficará em branco. Nesse caso, mova a roda para mais perto do HWT. Gire a roda; as leituras irão flutuar conforme a roda gira. Um intervalo de 22 a 29 é normal. A leitura do sensor não deve ficar em branco. A letra do intervalo (L, M ou S) sempre será exibida.

• Como verificar a resposta da área escura:

  Uma área que absorve IR (área escura) fará com que a leitura do sensor fique em branco. Gire a roda para que a área escura seja apresentada ao HWT. A tela deve ficar em branco, o que significa que não há reflexo. Se forem exibidos números, a área escura está muito próxima do HWT OU o material escuro usado não absorve luz IV suficiente.

  Notas sobre a área escura

  Qualquer coisa que absorva luz infravermelha funcionará, por ex. tinta preta lisa ou fita preta lisa. Um acabamento liso ou fosco é importante! Um material preto brilhante pode ser muito reflexivo na luz infravermelha. A área escura pode estar na circunferência ou no lado plano da roda de exercícios. A escolha depende de onde você monta o HWT.

  A área escura precisa ter tamanho suficiente para que o sensor de infravermelho veja apenas a área escura, não o plástico reflexivo adjacente. O emissor IR projeta um cone de luz IR. O tamanho do cone é proporcional à distância entre o HWT e a roda. Uma proporção de um para um funciona. Se o HWT estiver a 3 polegadas da roda, a área escura deve ter 2-3 polegadas de largura. Desculpe pelas unidades imperiais.

  A imagem mostra o TSAL4400 IR LED iluminando um alvo a 3 polegadas de distância. A imagem foi tirada com uma câmera NOIR Raspberry Pi.

  Dica de seleção de material: Depois de montar um HWT, usei-o como um medidor de refletância IV (é isso que é). Durante o desenvolvimento, levei o HWT para pet shops, lojas de ferragens e lojas de tecidos. Muitos itens foram 'testados'. Eu examinei rodas de plástico para exercícios, os materiais escuros e os efeitos na distância dos materiais. Ao fazer isso, tive uma noção do desempenho e das limitações do HWT. Isso me permitiu localizar corretamente a roda de plástico na gaiola e escolher a configuração de faixa correta no modo de calibração. Sim, mais de uma vez, tive de explicar o que estava fazendo para confundir os funcionários da loja.

• Como mudar o alcance:

  1. No modo Calibrar, o primeiro caractere de exibição é a configuração do intervalo (L, M, S):

     • (L) faixa ong = 1,5 a 5"
     • (M) faixa média = 1,3 a 3,5"
     • (S) intervalo curto = 0,5 a 2 "(S maiúsculo parece um número 5)

     Nota: Esses intervalos dependem dos materiais alvo e são muito aproximados.

  2. Para alterar o intervalo, pressione o botão Exibir. O primeiro caractere de exibição mudará para mostrar o novo intervalo.
  3. Para manter esta nova faixa, pressione e segure o botão Display por 4 segundos. O display mostrará Savd por dois segundos quando a ação for concluída.

  Observação: o HWT se lembrará das configurações de intervalo após a redefinição e mesmo se a bateria acabar.

• Sucesso? Se a roda de exercícios refletir (a tela está em torno de 28) e a área escura for absorvida (a tela fica em branco), você terminou. Desligue e ligue o HWT para retomar o modo normal (consulte a Etapa 9: seção Modo normal). Caso contrário, altere a distância entre o HWT e a roda ou altere a faixa do HWT até obter sucesso.

Nota: Onde o HWT está instalado na gaiola e a calibração do HWT estão relacionados. Você pode não conseguir colocar a roda onde deseja na gaiola porque a localização da gaiola não está no intervalo do HWT. O material da roda e o material da área escura (feltro preto) que você escolheu também se tornam um fator.

Etapa 8: Instalação na gaiola

1. Calibre o HWT e use o processo de calibração para informar onde você colocará a roda de exercício e onde o HWT será instalado na gaiola.
2. O HWT pode ser amarrado na lateral da gaiola usando os orifícios de montagem do gabinete do HWT. Usei laços de pão de arame revestidos de plástico. Os laços de arame também funcionam.
3. Com o HWT instalado e a roda para exercícios posicionada, verifique se a roda para exercícios reflete a luz IV e se a área escura absorve IV.

4. Se necessário, a alteração da faixa é descrita na seção Calibração. Uma faixa de distâncias pode ser selecionada pelo usuário no HWT. Existem três intervalos sobrepostos:

   • (L) faixa ong = 1,5 a 5"
   • (M) faixa média = 1,3 a 3,5"
   • (S) intervalo curto = 0,5 a 2"
5. A caixa do sensor HWT (emissor / sensor IV) não deve ser obscurecida pelo fio da gaiola. Você pode ter que espalhar ligeiramente o fio da gaiola para permitir que o conjunto passe pelos fios da gaiola.
6. Verifique se o HWT registra as rotações da roda de exercício corretamente (consulte a Etapa 9: modo de operação normal).

Etapa 9: Modo de operação normal

1. No modo normal, o HWT conta as revoluções da roda de exercício.
2. Para entrar no modo normal, ligue o HWT usando o botão liga / desliga.

3. O display mostrará nu41 por um segundo, em seguida, exibirá a configuração de intervalo por um segundo.

   • Ra = L de longo alcance
   • Ra = M de alcance médio
   • Ra = S curto intervalo (S maiúsculo parece um número 5)
4. Durante a operação normal, um único segmento de LED do display piscará brevemente a cada minuto.
5. A cada minuto, a contagem desse minuto é comparada com a contagem máxima (o melhor pessoal do hamster) dos minutos anteriores. A contagem máxima é atualizada, se necessário. A cada minuto a contagem é adicionada a uma contagem total.

6. Pressione e solte o botão Exibir para ver a contagem das rodas. O display mostra o seguinte:

   • Agora = seguido pelo número de rotações da roda desde a verificação de último minuto. Nota: este número será adicionado ao total após o próximo tique de um minuto.
   • Máx = seguido pelo maior número de revoluções. O recorde pessoal de Nugget desde que a energia foi desligada e desligada pela última vez.
   • Tot = seguido pelo número total de revoluções desde o último ciclo de alimentação.

Desligando e ligando a alimentação do HWT, o HWT zera todas as contagens. Não há como recuperar esses números.

O HWT deve funcionar por cerca de dez dias com carga e, em seguida, a célula LiPo fará um desligamento automático. Para evitar a perda da contagem da roda de exercício, recarregue antes do desligamento automático da célula LiPo.

Etapa 10: Notas de célula LiPo:

1. As células LiPo armazenam muita energia usando produtos químicos voláteis. Só porque telefones celulares e laptops não os usam, eles não devem ser tratados com cuidado e respeito.
2. O HWT usa uma célula recarregável de polímero de lítio (LiPo) 3,7v. A parte superior das células Adafruit LiPo são envoltas em um plástico âmbar. Isso cobre um circuito de segurança de carga / descarga integral em um pequeno PCBA. Os terminais de células vermelho e preto com o conector JST são, na verdade, soldados ao PCBA. É um recurso de segurança muito bom ter o circuito de monitoramento entre o LiPo e o mundo exterior.
3. O HWT perderá energia se o circuito de segurança de carga / descarga integral LiPo decidir que a célula LiPo está muito baixa. A contagem das rodas de exercício será perdida!
4. Se o HWT parecer 'morto', ele provavelmente precisa de uma recarga de celular. Conecte o HWT usando um cabo micro USB a uma fonte de alimentação USB padrão.
5. Ao carregar, um LED amarelo ficará visível no invólucro de plástico do HWT.
6. O LiPo estará totalmente carregado em cerca de 4 a 5 horas.
7. O circuito de proteção da célula LiPo não permitirá que o LiPo sobrecarregue, mas desconecte o cabo micro-USB quando o LED amarelo apagar.
8. Conforme descrito na documentação do Adafruit # 3898, eu originalmente pretendia que a célula LiPo se encaixasse entre o PCBA Feather # 2771 e o PCBA de vídeo # 3130. Descobri que minha fiação na área do protótipo Feather # 2771 era muito alta para a célula LiPo caber sem amassar a célula LiPo. Isso me deixou nervoso. Recorri a colocar a bateria de lado ao lado dos PCBAs.
9. Os fios lidos e pretos do circuito de segurança de carga / descarga integral LiPo não gostam de ser flexionados. No decorrer do desenvolvimento, quebrei mais de um conjunto de fios. Para fornecer mais alívio de tensão, projetei e imprimi em 3D um alívio de tensão. Esse é o bloco cinza no topo da célula LiPo. Não é necessário, mas aqui está (arquivo TinkerCad público).

Etapa 11: Histórico de desenvolvimento:

Ao longo dos três anos de vida do projeto Nugget, várias versões resultaram:

1.x Prova de conceito e plataforma de coleta de dados.

A faixa de desempenho do Nugget foi caracterizada (RPM máx., Totais, tempos de atividade). Em seu auge, Nugget alcançou 100 RPM e era capaz de correr 0,3 milhas por noite. Planilha de cálculos de dados para várias rodas anexadas. Anexado também está um arquivo com os registros RPM reais do Nugget armazenados no cartão SD.

• Arduino Duemilanove
• Escudo do datalogger do cartão SD Adafruit # 1141
• Escudo LCD Adafruit # 714 + # 716
• Sensor óptico retrorrefletivo OMRON E3F2-R2C4
• Transformador de parede AC (Omron precisava de 12 volts)

2.x Sensores e hardware explorados.

Estabelecido o microcontrolador e exibe:

• Adafruit # 2771 Feather 32U4
• Adafruit # 3130 Telão LED de 14 segmentos Featherwing.

Esta combinação foi escolhida para baixo consumo de energia (modos de hibernação 32U4), gerenciamento de bateria (carregador LiPo integrado) e custo (LEDs baratos e menos energia do que LCD + luz de fundo).

• Sensores de par óptico discreto e magnético de efeito Hall (isto é, QRD1114) foram examinados. O alcance sempre foi insuficiente. Abandonado.
• Adafruit # 2821 Feather HUZZAH com ESP8266 que reportou a um painel de Adafruit IO. Mais tempo de tela não era o que o cliente queria. Abandonado.

3.x Trabalho do sensor:

Esta série também investigou sensores alternativos, como o uso de um motor de passo como um codificador semelhante a este Instructable. Viável, mas para baixa intensidade de sinal em baixo RPM. Um pouco mais de trabalho tornaria isso uma solução viável, mas não é um retrofit simples com o ambiente de hamster existente. Abandonado.

4.1 A solução de hardware / software descrita neste Instructable.

5.x Mais trabalho do sensor:

Examinou o sensor de distância digital Sharp GP2Y0D810Z0F com Pololu Carrier enquanto ainda usava Adafruit # 2771 Feather 32U4 e Adafruit # 3130 Tela LED de 14 segmentos Featherwing. Funcionou bem. Tornou o código trivial. Usou mais energia do que a solução Vishay TSSP4038. Abandonado.

6.x O futuro?

• Substitua algumas das saliências de montagem do gabinete HWT para o Adafruit # 2771 Feather por postes de montagem.
• Substitua a chave liga / desliga por uma chave de botão conectada à redefinição do Feather.
• O microcontrolador ATSAMD21 Cortex M0, como o encontrado no Proto básico Adafruit # 2772 Feather M0, tem muitos recursos atraentes. Eu examinaria isso de perto em outra revisão.
• Vishay tem um novo módulo de sensor IR, o TSSP94038. Tem necessidades atuais mais baixas e uma resposta mais definida.

Vice-campeão no concurso movido a bateria