Persistência da visão Fidget Spinner: 8 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Este é um spinner de fidget que usa o efeito Persistence of Vision, que é uma ilusão de ótica em que várias imagens discretas se misturam em uma única imagem na mente humana.

O texto ou os gráficos podem ser alterados via link Bluetooth Low Energy usando um aplicativo para PC que programei no LabVIEW ou usando um aplicativo BLE para smartphone disponível gratuitamente.

Todos os arquivos estão disponíveis. O esquema e o firmware estão anexados a este Instructable. Os arquivos Gerber estão disponíveis neste link, pois não posso enviar arquivos zip aqui: Gerbers

Etapa 1: diferença entre outros dispositivos POV no mercado

Uma das características mais importantes é que os gráficos exibidos não dependem da velocidade de rotação graças à sua solução inovadora para manter o controle do ângulo de rotação. O que significa que o gráfico exibido é percebido da mesma forma em velocidades de rotação mais altas e mais baixas (por exemplo, quando o botão giratório está diminuindo quando segurado na mão). Mais sobre isso na Etapa 3.

Esta também é uma das principais diferenças entre os vários dispositivos POV do mercado (relógios POV, etc.) que devem ter uma velocidade de rotação constante para que a imagem seja exibida corretamente. Também é importante notar que todos os componentes são selecionados para ter o menor uso de energia possível em um esforço para prolongar a vida útil da bateria

Etapa 2: Descrição Técnica

Ele usa o microcontrolador Microchip PIC 16F1619 aprimorado como seu núcleo. O MCU tem um periférico de temporizador angular integrado que usa o sensor omnipolar Hall DRV5033 e um ímã para manter o controle do ângulo de rotação atual.

Os gráficos são exibidos usando um total de 32 LEDs, 16 diodos emissores de luz verdes e 16 vermelhos (corrente nominal 2mA). Os diodos são acionados por dois drivers de registro de deslocamento de corrente constante de 16 canais TLC59282 conectados em cadeia. Para ter acesso remoto ao dispositivo, existe um módulo Bluetooth Low Energy RN4871 que se comunica com o microcontrolador via interface UART. O dispositivo pode ser acessado de um computador pessoal ou de um smartphone. O dispositivo é ligado por meio de um botão de toque capacitivo embutido sob a máscara de solda na placa de circuito impresso. A saída do IC capacitivo PCF8883 é alimentada para a porta lógica OR BU4S71G2. A outra entrada para as portas OR é um sinal do MCU. A saída das portas OR é conectada ao pino de habilitação de um conversor abaixador TPS62745. Usando esta configuração, posso ligar / desligar o dispositivo usando apenas um botão de toque. O botão capacitivo também pode ser usado para alternar entre os diferentes modos de operação ou, por exemplo, para ligar o rádio bluetooth apenas quando necessário, a fim de economizar energia.

O conversor abaixador TPS62745 converte 6 V nominal das baterias em 3,3 V estável. Escolhi este conversor porque ele tem alta eficiência com cargas leves, baixa corrente quiescente, opera com uma bobina minúscula de 4,7uH, tem interruptor de tensão de entrada integrado que uso para medir a capacidade da bateria com consumo mínimo de corrente e a tensão de saída é do usuário selecionável por quatro entradas em vez de resistores de feedback (reduz o BOM). O dispositivo entra em hibernação automaticamente após 5 minutos de inatividade. O consumo atual durante o sono é inferior a 7uA.

As baterias estão localizadas na parte traseira, conforme mostrado na foto.

Etapa 3: mantendo o controle do ângulo de rotação

O ângulo de rotação é rastreado "por hardware" e não por software, o que significa que a CPU tem muito mais tempo à sua disposição para fazer outras tarefas. Para isso usei o periférico Angular Timer que está integrado no microcontrolador PIC 16F1619 usado.

A entrada para o temporizador angular é um sinal do sensor Hall DRV5033. O sensor Hall irá gerar um pulso cada vez que um ímã passar por ele. O sensor Hall está localizado na parte giratória do dispositivo, enquanto o ímã está localizado em uma parte estática na qual o usuário segura o dispositivo. Como usei apenas um ímã, isso significa que o sensor Hall produzirá um pulso que se repete a cada 360 °. Ao mesmo tempo, o Angular Timer gerará 180 pulsos por revolução, em que cada pulso representa 2 ° de rotação. Escolho 180 pulsos, e não 360 °, por exemplo, porque descobri que 2 ° é a distância perfeita entre as duas colunas de um caractere impresso. O cronômetro angular lida com todos os cálculos automaticamente e se ajustará automaticamente se o tempo entre os dois pulsos do sensor mudar devido à mudança da velocidade de rotação. A posição do ímã e do sensor Hall é mostrada na foto anexa.

Etapa 4: acesso remoto

Eu queria uma maneira de alterar a exibição do texto dinamicamente e não apenas codificando-o no código. Eu escolhi o BLE porque ele usa uma quantidade muito pequena de energia e o chip usado RN4871 tem apenas 9x11,5 mm de dimensão.

Através do link BT é possível alterar o texto exibido e sua cor - vermelho ou verde. O nível da bateria também pode ser monitorado para saber quando é hora de substituir as baterias. O dispositivo pode ser controlado por meio de um aplicativo de computador programado no ambiente de programação gráfica LabVIEW ou usando um aplicativo BLE de smartphone disponível gratuitamente, que tem a capacidade de escrever diretamente nas características BLE selecionadas de um dispositivo conectado. Para enviar as informações de um PC / smartphone para o aparelho usei um Serviço com três Características, cada uma identificada por um Handle.

Etapa 5: Aplicativo para PC

No canto superior esquerdo, temos controles para iniciar o aplicativo de servidor BLE da National Instruments. Este é um aplicativo de linha de comando da NI que cria uma ponte entre o módulo BLE em um computador e o LabVIEW. Ele usa o protocolo HTTP para se comunicar. A razão para usar este aplicativo é que o LabVIEW tem suporte nativo apenas para Bluetooth Classic e não para BLE.

Após a conexão bem-sucedida, o endereço MAC de um dispositivo conectado é exibido à direita e essa parte não fica mais esmaecida. Lá podemos definir os gráficos em movimento e sua cor ou apenas enviar algum padrão para ligar ou desligar os LEDs quando o dispositivo não estiver girando, usei para fins de teste.

Etapa 6: Fonte

A fonte do alfabeto inglês foi gerada usando um software disponível gratuitamente "The Dot Factory", mas eu precisei fazer algumas modificações antes de carregá-la no microcontrolador.

A razão para isso é o layout da PCB que "não está em ordem", o que significa que a saída 0 do driver de LED talvez não esteja conectada ao LED 0 na PCB, OUT 1 não está conectada ao LED 1, mas sim ao LED 15, por exemplo, e etc. O outro motivo é que o software só permite gerar fonte 2x8 bits, mas o dispositivo tem 16 LEDs para cada cor, então eu precisava de uma fonte alta de 16 bits. Então, eu precisei fazer um software que mudaria alguns bits para compensar o layout do PCB e combiná-los em um valor de 16 bits Por causa disso, desenvolvi um aplicativo separado no LabVIEW que pega a fonte gerada em "The Dot Factory" como entrada e a transforma para se adequar às necessidades deste projeto. Como os layouts de PCB de LED vermelho e verde são diferentes, precisei usar duas fontes. A saída para a fonte verde é mostrada na imagem abaixo.

Etapa 7: Jig de programação

Na foto você pode ver o gabarito de programação que foi usado para programar o dispositivo.

Já que, depois de cada programação, preciso pegar o dispositivo e girá-lo para ver as mudanças, não queria usar cabeçalhos de programação padrão ou apenas soldar os fios de programação. Usei pinos Pogo que têm uma pequena mola dentro deles para que se encaixem bem nas vias do PCB. Ao usar essa configuração, posso programar o microcontrolador muito rápido e não preciso me preocupar com a programação dos fios ou com a solda que sobrou depois de dessoldar esses fios.

Etapa 8: Conclusão

Para resumir, gostaria de salientar que, usando o periférico Angul Timer, alcancei com sucesso um dispositivo POV que não depende da velocidade de rotação, de modo que a qualidade dos gráficos exibidos é mantida a mesma em velocidades mais altas e mais baixas.

Por meio de um projeto cuidadoso, foi possível implementar uma solução de baixo consumo de energia que prolongará a vida útil das baterias. Quanto aos contras deste projeto, gostaria de salientar que não há como carregar as baterias usadas, então a substituição da bateria de vez em quando é necessária. Baterias sem nome da loja local duraram cerca de 1 mês com uso diário. Usos: Este dispositivo pode ser usado em vários fins promocionais ou como auxiliar de ensino em aulas de eletrotécnica ou física por exemplo. Também pode ser usado como um auxílio terapêutico para aumentar a atenção para aqueles com Transtorno de Déficit de Atenção e Hiperatividade (TDAH) ou para acalmar os sintomas de ansiedade.

Primeiro Prêmio no Desafio de Design PCB