Sistema de cronometragem baseado em laser Arduino: 6 etapas (com imagens)

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

Como parte do meu ensino, eu precisava de um sistema para medir com precisão a velocidade com que um modelo de veículo viajava 10 metros. Inicialmente, pensei em comprar um sistema pronto e barato do eBay ou Aliexpress, esses sistemas são comumente conhecidos como portões de luz, portões de fotos ou similares. Acontece que os sistemas de temporização de portas de luz pré-construídos são, na verdade, bastante caros, então decidi construir o meu próprio.

A operação de um sistema de temporização de porta de luz é bastante simples. Cada porta de luz consiste em um módulo de laser de um lado, que projeta um ponto de laser em um módulo de resistor dependente de luz (LDR) do outro lado. Ao medir a saída do LDR, o sistema pode detectar quando o feixe de laser foi interrompido. Usando duas dessas portas, o sistema inicia o cronômetro quando o primeiro feixe é quebrado e para o cronômetro quando detecta que o segundo feixe foi quebrado. O tempo gravado resultante é exibido na tela LCD.

Construir um sistema como este com os alunos é uma ótima introdução à codificação, mas também é um recurso muito útil para a sala de aula, uma vez concluído. Esse tipo de sistema é ótimo para atividades STEM e pode ser usado para medir a velocidade com que coisas como carros elásticos, carros ratoeira ou carros derby de pinho viajam uma distância definida.

Isenção de responsabilidade: a solução apresentada aqui está longe de ser ideal. Estou ciente de que algumas coisas podem ser muito melhores ou mais eficientes. Este projeto foi inicialmente elaborado com um prazo muito curto e funcionou perfeitamente bem para o propósito pretendido. Tenho planos de lançar a versão 2 e a versão 3 deste sistema com melhorias, consulte a última etapa do instrutível. A implementação do circuito e do código é por sua própria conta e risco.

Suprimentos

• Arduino R3 (ou placa compatível) - £ 4,50
• Protoboard com asa de pena de Adafruit - Uma pequena seção de qualquer tipo de protoboard também é suficiente - £ 1
• Protetor do teclado LCD - Certifique-se de que é feito para caber na versão do Arduino que você tem - £ 5
• 2 x Módulo de resistor dependente de luz (LDR) - Pesquisar no ebay por "arduino LDR" deve mostrar muitas opções - £ 2,30 cada
• 2 x Módulo de laser - Pesquisar no ebay por "laser arduino" deve mostrar muitas opções. Certifique-se de que a potência do laser não seja superior a 5mW. - £ 2,25 por três
• 4 x tripé pequeno - £ 3,50 cada
• 4 porca de 1/4 de polegada - Para encaixar em uma rosca de tripé padrão - £ 2
• Acrílico transparente para caixa Arduino £ 3
• Porcas e parafusos M3 - £ 2
• Suportes de PCD de plástico - Kits destes podem ser adquiridos por um preço muito baixo no Ebay.- £ 6,80
• 4 x caixas impressas em 3D - O custo do material foi de cerca de £ 5.
• Cabo de fita - £ 5

O custo total foi de cerca de £ 55, o que pressupõe o acesso a um cortador a laser e a uma impressora 3D. A maior parte do custo aqui é para gabinetes, porcas e parafusos, etc. o custo real da eletrônica é de apenas £ 22, então provavelmente há espaço para muita otimização aqui.

Etapa 1: Programa Adrunio

Faça upload do código abaixo para o Arduino. Se você não está familiarizado com como fazer isso, dê uma olhada neste ótimo instrutível.

A lógica básica do código é a seguinte:

1. Ligue os módulos de laser e verifique se cada LDR pode "ver" o feixe de laser.
2. Espere até que o LDR 1 detecte uma interrupção no feixe de laser, inicie imediatamente o cronômetro.
3. Espere até que o LDR 2 detecte uma interrupção no feixe de laser, pare imediatamente o cronômetro.
4. Mostra o tempo resultante na tela LCD em milissegundos.

O código é projetado apenas para cronometrar uma única execução, uma vez que o tempo da tela tenha sido anotado, o botão de reset no escudo é usado para reiniciar o programa.

LINK PARA O CÓDIGO ARDUINO

(Para sua informação: o código está hospedado em create.arduino.cc e eu adoraria ter incorporado o código aqui, mas o editor Instructables não permite que o iframe incorporado seja exibido ou funcione corretamente. Se alguém em Instructables estiver lendo isso, por favor implemente isso como um recurso no futuro, obrigado)

Etapa 2: Gabinetes de impressão 3D

Os módulos de laser e LDR precisam ser mantidos no lugar para garantir que nenhuma quebra de feixe ocorra como resultado da movimentação dos módulos. Imprima em 3D os gabinetes abaixo e aparafuse os módulos no lugar, o módulo a laser precisará ser mantido no lugar com uma braçadeira, pois não tem orifício de parafuso passante.

Certifique-se de prender uma porca de 1/4 de polegada dentro de cada uma das caixas; ela será usada posteriormente para permitir que essas caixas se conectem aos tripés. As duas metades do gabinete são mantidas juntas com porcas e parafusos M3.

Etapa 3: caixa do Arduino com corte a laser

Corte a laser as limas abaixo em acrílico transparente de 4 mm de espessura. Alinhe o arduino R3 e o protoboard com os orifícios nas peças de acrílico e fixe-o no lugar. Aparafuse a parte superior do gabinete na parte inferior usando os espaçadores PCD como espaçadores.

Etapa 4: conecte o circuito

O escudo LCD usado neste projeto é explicado em detalhes neste grande instrutível. A tela LCD e os botões de entrada usam alguns dos pinos de E / S do arduino, entretanto, por esta razão todas as E / S para os módulos de laser e LDRs usam os pinos 1, 2, 12 e 13 apenas.

Muito pouca fiação é necessária, mas certifique-se de que o circuito esteja conectado conforme mostrado no diagrama. Eu adicionei alguns conectores do tipo JST aos fios do módulo de laser e LDR para me permitir desmontar e armazenar facilmente toda a configuração.

Sim, os pinos 1 e 2 do Arduino estão alimentando diretamente os módulos de laser sem resistor em linha. Como os módulos laser selecionados são projetados especificamente para uso com o arduino, isso não deve ser um problema. Os módulos de laser consomem uma potência máxima de 5mW, isso significa que na tensão de alimentação de 5 V do pino, o módulo deve estar consumindo cerca de 1mA, isso está bem abaixo do limite de ~ 40mA para fornecimento de corrente nos pinos de E / S arduino.

Etapa 5: montar e ajustar

Finalmente, você está pronto para montar tudo.

1. Monte as caixas dos módulos LDR e Laser nos pequenos tripés.
2. Posicione os módulos de laser para brilhar diretamente no sensor LDR

Neste estágio, você precisará ajustar um pouco as coisas. Os módulos LDR emitem um sinal digital, um sinal alto (5 V) indicando que nenhum feixe de laser foi detectado, um sinal baixo (0 V) indicando que pode ver o feixe de laser. O limite de intensidade de luz no qual o módulo muda de um sinal de saída de 5 V para 0 V (e vice-versa) é controlado por um potenciômetro na placa LDR. Você precisará ajustar o potentionmeter para que o módulo alterne entre uma saída de 0 V e 5 V quando você espera.

Ajuste gradualmente o potenciômetro até que o sistema funcione conforme o esperado ou use um multímetro para medir a saída do módulo LDR e ajuste conforme necessário.

Etapa 6: Operação e Trabalho Adicional

Agora você deve estar pronto para usar o sistema! As imagens mostram as etapas da operação.

1. Pressione o botão de seleção para inicializar o sistema.
2. Alinhe os lasers para que brilhem diretamente no sensor LDR.
3. O sistema agora está armado. Defina seu modelo de carro indo.
4. O sistema começará a cronometrar assim que o primeiro feixe de laser for interrompido.
5. O sistema irá parar assim que o segundo feixe de laser for interrompido.
6. O tempo em milissegundos é então exibido na tela.
7. Pressione o botão de reset para cronometrar outra execução.

Provavelmente criarei uma versão 2.0 deste sistema, pois existem algumas melhorias óbvias que podem ser feitas:

1. Não há necessidade de alimentar os módulos a laser do Arduino, eles podem ser alimentados por bateria e simplesmente ligados quando necessário. Quando projetei o sistema, conectar os módulos de laser ao Arduino para obter energia parecia a solução mais simples; na prática, isso resulta em longos cabos que atrapalham.
2. As lentes condensadoras são realmente necessárias nas caixas LDR. Alinhar o ponto do laser exatamente com o centro do sensor LDR (muito pequeno) é muito complicado e às vezes pode levar vários minutos. Usar uma lente condensadora daria ao usuário um alvo muito maior para mirar com o ponto do laser.

Também estou pensando em uma versão 3.0 que seja totalmente sem fio e apenas se conecte ao meu laptop usando Bluetooth, este é um projeto muito maior para outro dia, no entanto.

Vice-campeão no concurso STEM