Gerador de folha a laser interativo com Arduino: 11 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Lasers podem ser usados para criar efeitos visuais incríveis. Neste projeto, construí um novo tipo de display a laser que é interativo e toca música. O dispositivo gira dois lasers para formar duas folhas de luz semelhantes a vórtices. Incluí sensores de distância no dispositivo para que as folhas de laser pudessem ser manipuladas movendo a mão em direção a elas. Conforme a pessoa interage com os sensores, o dispositivo também reproduz música por meio de uma saída MIDI. Ele incorpora idéias de harpas a laser, vórtices de laser e visores POV.

O instrumento é controlado por um Arduino Mega que recebe as entradas dos sensores ultrassônicos e emite o tipo de folha de laser formada e a música gerada. Devido aos vários graus de liberdade dos lasers giratórios, existem toneladas de padrões de folha de laser diferentes que podem ser criados.

Fiz um brainstorming preliminar sobre o projeto com um novo grupo de arte / tecnologia em St. Louis chamado Dodo Flock. Emre Sarbek também fez alguns testes iniciais nos sensores usados para detectar movimento próximo ao dispositivo.

Se você construir um dispositivo de folha a laser, lembre-se de operar com segurança os lasers e os discos giratórios.

Atualização de 2020: percebi que a superfície criada com os lasers é um hiperbolóide.

Etapa 1: Lista de suprimentos

Materiais

Lasers -

Motor sem escova -

Controlador de velocidade eletrônico -

Servo motores -

Transistores

Madeira compensada

Acrílico

Sensores ultrassônicos

Slipring -

LEDs brancos -

Conversores Buck

Arame enrolado

Conector MIDI

Potenciômetro e botões -

Hardware - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. com / gp / product / B06XQMBDMX / ref = o…

Resistores

Cabos conectores JST -

Interruptor de alimentação AC

Fonte de alimentação 12V -

Cola de madeira

Super cola

Parafusos de madeira

Cabo de extensão USB -

Ferramentas:

Ferro de solda

Cortadores de arame

Jig serra

Serra circular

Micrômetro

Furadeira

Etapa 2: Visão geral e esquema

Um feixe de laser cria um feixe de luz bem colimado (isto é, estreito), então uma maneira de produzir uma folha de luz é mover rapidamente o feixe em algum padrão. Por exemplo, para criar uma folha de luz cilíndrica, você giraria um laser em torno de um eixo paralelo à direção em que está apontando. Para mover um laser rapidamente, você pode anexar um laser a uma prancha de madeira presa a um motor DC sem escova. Só com isso, você pode criar vórtices de laser cilíndricos fantásticos!

Outros projetos de vórtice de laser realizam isso montando um espelho inclinado no eixo de rotação com um laser estacionário direcionado ao espelho. Isso cria um cone de folha de laser. No entanto, com esse design, todas as folhas de laser parecerão se originar de uma única origem. Se os lasers estiverem posicionados fora do eixo como no design que eu construí, você pode criar folhas de laser convergentes, como a forma de ampulheta mostrada no vídeo.

Mas e se você quisesse que as folhas de luz fossem dinâmicas e interativas? Para fazer isso, conectei dois lasers aos servos e, em seguida, conectei os servos à prancha de madeira. Agora, os servos podem ajustar o ângulo do laser em relação ao eixo de rotação do motor. Por ter dois lasers em dois servos diferentes, você pode criar duas folhas de luz diferentes com o dispositivo.

Para controlar a velocidade do motor DC, conectei um potenciômetro a um Arduino que pega a entrada do potenciômetro e envia um sinal para o controlador elétrico de velocidade (ESC). O ESC então controla a velocidade do motor (um nome bastante apropriado, sim), dependendo da resistência do potenciômetro.

O estado ligado / desligado do laser é controlado conectando-os ao emissor de um transistor operando em saturação (isto é, operando como um interruptor elétrico). Um sinal de controle é enviado para a base do transistor, que controla a corrente através do laser. Aqui está uma fonte para controlar uma carga com um transistor com um arduino:

A posição dos servos também é controlada com o Arduino. Conforme a prancha gira, a lâmina leve pode ser manipulada alterando a posição do servo. Sem qualquer intervenção do usuário, isso sozinho pode criar folhas de luz dinâmicas que são hipnotizantes. Também existem sensores ultrassônicos posicionados ao redor da borda do dispositivo, que são usados para determinar se uma pessoa está colocando a mão perto das lâminas de luz. Essa entrada é então usada para mover os lasers para criar novas folhas de luz OU gerar um sinal MIDI. Um conector MIDI é conectado para transmitir o sinal MIDI para um dispositivo de reprodução MIDI.

Etapa 3: Controle do motor sem escova com Arduino

Para criar folhas de luz semelhantes a vórtices, você precisa girar o feixe de laser. Para conseguir isso, decidi tentar usar um motor DC sem escova. Aprendi que esses tipos de motores são muito populares entre aeromodelos e drones, então achei que seria muito fácil de usar. Encontrei alguns empecilhos ao longo do caminho, mas no geral estou feliz com a forma como o motor funciona para o projeto.

Primeiro, o motor precisa ser montado. Eu projetei uma peça customizada para segurar o motor e fixá-la em uma placa segurando o dispositivo. Depois que o motor estava seguro, conectei-o ao ESC. Pelo que li, parece muito difícil usar um motor sem escova sem ele. Para fazer o motor girar, usei um Arduino Mega. Inicialmente, não consegui fazer o motor girar porque estava apenas conectando o sinal de controle a 5 V ou terra, sem definir corretamente um valor de linha de base ou calibrar o ESC. Em seguida, segui um tutorial do Arduino com um potenciômetro e servo motor, e isso fez o motor girar! Aqui está um link para o tutorial:

Os fios ESC podem ser conectados de qualquer maneira ao motor brushless. Você precisará de alguns conectores de plugue banana fêmea. Os cabos vermelho e preto mais grossos no ESC são conectados a uma fonte de alimentação DC a 12 V, e os cabos preto e branco no conector de controle do ESC são conectados ao aterramento e um pino de controle no Arduino, respectivamente. Confira este vídeo para saber como calibrar o ESC:

Etapa 4: Construindo o Chassi da Folha de Laser

Depois de fazer o motor girar, é hora de montar o chassi de chapa leve. Cortei um pedaço de madeira compensada com uma máquina CNC, mas você também pode usar uma serra vertical. A madeira compensada contém os sensores ultrassônicos e tem um orifício para encaixar um pedaço de acrílico. O plexiglas deve ser fixado à madeira com epóxi. Furos são feitos para o anel deslizante passar.

Outra folha circular de madeira compensada é então cortada para segurar o motor brushless. Nessa lâmina de madeira, são feitos furos para que os fios possam passar mais tarde na construção. Depois de prender o suporte do motor e fazer os orifícios, as duas folhas de madeira compensada são presas por pranchas 1x3 cortadas com cerca de 15 cm de comprimento e suportes de metal. Na foto você pode ver como o plexiglas fica acima do motor e dos lasers.

Etapa 5: Conjunto de laser e servo motor

As folhas de luz variáveis são criadas movendo os lasers em relação ao eixo de rotação. Eu projetei e imprimi em 3D uma montagem que conecta um laser a um servo e uma montagem que conecta o servo à prancha giratória. Primeiro prenda o servo à montagem do servo usando dois parafusos M2. Em seguida, deslize uma porca M2 na montagem do laser e aperte um parafuso de fixação para manter o laser no lugar. Antes de conectar o laser ao servo, você deve se certificar de que o servo é girado para sua posição de operação centralizada. Usando o tutorial do servo, direcione o servo para 90 graus. Em seguida, monte o laser conforme mostrado na imagem usando um parafuso. Também tive que adicionar um pouco de cola para garantir que o laser não se movesse acidentalmente.

Usei um cortador a laser para criar a prancha, que tem dimensões em torno de 3cm x 20cm. O tamanho máximo da lâmina leve dependerá do tamanho da prancha de madeira. Um orifício foi então feito no centro da prancha para que ela se encaixasse no eixo do motor sem escovas.

Em seguida, colei o conjunto servo-laser na prancha para que os lasers ficassem centralizados. Certifique-se de que todos os componentes da prancha estão equilibrados em relação ao eixo de rotação da prancha. Solde os conectores JST aos lasers e servo cabos para que eles possam ser conectados ao slipring na próxima etapa.

Por fim, prenda a prancha com conjuntos servo a laser no motor sem escovas com uma arruela e porca. Neste ponto, teste o motor sem escovas para se certificar de que a prancha pode girar. Tenha cuidado para não acionar o motor muito rápido ou colocar a mão no caminho de rotação da prancha.

Etapa 6: Instalando o Slipring

Como você evita que os fios se enrosquem enquanto os componentes eletrônicos giram? Uma maneira é usar uma bateria como fonte de alimentação e conectá-la ao conjunto giratório, como neste POV instrutível. Outra forma é usar um slipring! Se você nunca ouviu falar ou usou uma funda antes, confira este ótimo vídeo que demonstra como ela funciona.

Primeiro, conecte as outras extremidades dos conectores JST ao slipring. Você não quer que os fios sejam muito longos porque há potencial para eles ficarem presos em algo quando a prancha girar. Anexei o slipring ao plexiglass acima do motor brushless para fazer furos para os parafusos. Tenha cuidado para não quebrar o plexiglass ao perfurar. Você também pode usar um cortador a laser para obter orifícios mais precisos. Assim que o slipring estiver conectado, conecte os conectores.

Neste ponto, você pode conectar os fios slipring aos pinos de um Arduino para fazer alguns testes preliminares com o gerador de folha a laser.

Etapa 7: soldando os eletrônicos

Cortei uma placa de protótipo para conectar todos os componentes eletrônicos. Como usei uma fonte de alimentação de 12 V, preciso usar dois conversores CC-CC: 5 V para os lasers, servos, potenciômetro e conector MIDI e 9 V para o Arduino. Tudo estava conectado conforme mostrado no diagrama por meio de soldagem ou envoltório de fio. A placa foi então conectada a uma parte impressa em 3D usando suportes PCD.

Etapa 8: Construindo a caixa de eletrônicos

Todos os eletrônicos estão alojados em uma caixa de madeira. Cortei madeira 1x3 para as laterais da caixa e cortei uma grande abertura em um lado para que os fios de um painel de controle pudessem passar. As laterais foram conectadas usando pequenos blocos de madeira, cola de madeira e parafusos. Depois que a cola secou, lixei as laterais da caixa para uniformizar todas as imperfeições da caixa. Em seguida, corto madeira fina para a frente, o verso e o fundo da caixa. A parte inferior foi pregada nas laterais, e a frente e as costas foram coladas na caixa. Por fim, medi e cortei as dimensões dos componentes no painel frontal da caixa: o conector do cabo de alimentação, o conector USB, o conector MIDI e o potenciômetro.

Etapa 9: Instalando os eletrônicos na caixa

Eu conectei a fonte de alimentação à caixa usando parafusos, o Arduino usando uma montagem personalizada e a placa de circuito criada na Etapa 7. O potenciômetro e o conector MIDI foram primeiro conectados à placa de circuito usando um fio de enrolamento e, em seguida, colados ao painel frontal. A tomada AC foi conectada à fonte de alimentação e a saída DC da fonte de alimentação foi conectada às entradas dos conversores Buck e cabos que se conectam ao motor brushless. O motor, o servo e os fios do laser passam por um orifício no compensado até a caixa de componentes eletrônicos. Antes de lidar com os sensores ultrassônicos, testei os componentes individualmente para ter certeza de que tudo estava conectado corretamente.

Eu comprei inicialmente um conector de alimentação CA, mas li alguns comentários muito ruins sobre derretimento, então eu tive orifícios de tamanhos incorretos no painel frontal. Portanto, projetei e imprimi em 3D alguns adaptadores de tomada para corresponder ao tamanho dos orifícios que cortei.

Etapa 10: Montagem e fiação dos sensores ultrassônicos

Neste ponto, os lasers, servos, motor brushless e conector MIDI estão todos conectados e podem ser controlados pelo Arduino. A última etapa do hardware é conectar os sensores ultrassônicos. Eu projetei e imprimi em 3D um sensor ultrassônico. Em seguida, conectei e conectei uniformemente os conjuntos de sensores ultrassônicos à folha de compensado superior do gerador de folha de luz. O fio do envoltório de arame foi executado até a caixa de eletrônicos por furos na folha de madeira compensada. Eu conectei o wire wrap aos pinos apropriados no Arduino.

Fiquei um pouco decepcionado com o desempenho do sensor ultrassônico. Eles funcionaram muito bem para distâncias entre 1cm - 30cm, mas a medição da distância é muito barulhenta fora dessa faixa. Para melhorar a relação sinal / ruído, tentei tirar a mediana ou média de várias medições. No entanto, o sinal ainda não era confiável o suficiente, então acabei definindo o corte para tocar uma nota ou alterando a folha de laser em 25cm.

Etapa 11: Programação do Vórtice Laser Dinâmico

Depois que toda a fiação e montagem estiverem concluídas, é hora de programar o dispositivo de folha leve! Existem muitas possibilidades, mas a ideia geral é receber as entradas dos sensores ultrassônicos e enviar sinais para MIDI e controlar os lasers e servos. Em todos os programas, a rotação da prancha é controlada girando o botão do potenciômetro.

Você precisará de duas bibliotecas: NewPing e MIDI

Em anexo está o código Arduino completo.

Segundo prêmio no Desafio de Invenção 2017