O coração de uma máquina (um micro-projetor a laser): 8 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Este Instructable é o sucessor espiritual de um experimento anterior em que construí um conjunto de direção a laser de espelho de eixo duplo a partir de peças e solenóides impressos em 3D.

Desta vez, eu queria ser minúsculo e tive a sorte de encontrar alguns módulos de direção a laser feitos comercialmente em uma loja online de excedentes científicos. Meu design começou a se parecer com um Dalek, então eu corri com a ideia e fiz um bot inspirado em Dalek de cinco centímetros de altura que atira lasers em você.

Mas não está tentando exterminá-lo - está apenas enviando um pouco de amor de seu coração eletromecânico!

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Etapa 1: algo pequeno do estado do Texas

O coração da máquina é um módulo TALP1000B da Texas Instruments, que é descrito como um "espelho apontador MEMS analógico de eixo duplo". Isso é bastante complicado, então vamos decompô-lo:

• Eixo duplo: Isso significa que o dispositivo pode ser inclinado nos eixos horizontal e vertical.
• Analógico: a inclinação ao longo de um eixo é controlada por uma tensão analógica, variando de -5 a 5 volts.
• MEMS: Significa Micro Electrical Mechanical System e significa que é muito pequeno!
• Espelho apontador: no centro do dispositivo está um espelho em balancins; o espelho pode ser apontado alguns graus em cada direção, permitindo direcionar o laser para qualquer lugar dentro de um cone de alguns graus.

Uma rápida navegação pela ficha técnica mostra que esta é uma peça sofisticada. Além de quatro bobinas de direção, há um emissor de luz, quatro sensores de posição e um sensor de temperatura. Embora não usaremos os sensores, mais tarde compartilharei de perto algumas fotos lindas de um TALP1000B danificado.

O TALP1000B foi descontinuado, mas você não consegue encontrá-lo, você mesmo poderia construir um espelho apontador de laser muito maior usando os planos que estabeleci em meu Instructable anterior: os princípios são exatamente os mesmos, mas você precisa construir uma vida grande Dalek para abrigá-lo!

Etapa 2: Lista de materiais

A seguir está a lista de materiais para este projeto:

• One Texas Instruments TALP1000B (descontinuado)
• Um Arduino Nano
• Um driver de motor SparkFun - Dual TB6612FNG (com cabeçalhos)
• Uma placa de ensaio
• Um trimpot (1kOhms)
• Quatro fios de ponte de 2,54 mm a 2 mm
• Cabeçalhos de 0,1 "(2,54 mm)
• Impressora 3D e filamento
• Apontador laser vermelho

O módulo TALPB é o mais difícil de encontrar. Tive sorte e comprei alguns em uma loja de excedentes científicos.

Você ainda pode encontrar um TALPB online a preços exorbitantes, mas não recomendo gastar muito dinheiro com eles pelos seguintes motivos:

• Eles são ridiculamente frágeis, você pode precisar de vários para o caso de quebrar alguns.
• Eles têm uma frequência ressonante baixa de 100 Hz, o que significa que você não pode acioná-los rápido o suficiente para shows de laser sem cintilação.
• Eles têm uma superfície banhada a ouro, o que significa que reflete apenas os lasers vermelhos. Isso exclui o uso de lasers verdes super brilhantes ou lasers violetas com telas que brilham no escuro para persistência.
• Embora essas peças tenham sensores de posição, não acho que um Arduino seja rápido o suficiente para acioná-los com uma espécie de feedback posicional.

Minha opinião é que, embora essas peças sejam incrivelmente pequenas e precisas, elas não parecem ser práticas o suficiente para projetos de hobby. Eu preferiria que a comunidade apresentasse designs DIY melhores!

Etapa 3: A formação do corpo

Modelei o corpo em OpenSCAD e imprimi-o em 3D. É um cone truncado com uma abertura na parte superior, uma ranhura na parte traseira para inserir o módulo TALB1000P e um grande orifício de luz na frente.

Você ilumina um laser de cima e ele é refletido na frente. Este corpo impresso em 3D não só parece legal, mas também é funcional. Ele mantém tudo alinhado e abriga o módulo TALB1000P ridiculamente frágil. Eu adicionei as saliências e saliências para facilitar a aderência depois que larguei um protótipo inicial e destruí um módulo TALB1000P.

Etapa 4: As muitas maneiras de quebrar um coração

O TALP1000B é uma peça extremamente frágil. Uma queda curta ou um toque descuidado irá destruir a peça (tocá-la acidentalmente é como destruí meu segundo módulo). É tão frágil que suspeito que mesmo um olhar forte pode matá-lo!

Se os perigos físicos não fossem suficientes, a folha de dados descreve um perigo adicional:

Tenha cuidado para evitar transientes de partida / parada ao iniciar ou parar a tensão de acionamento senoidal. Se definir a energia do acionamento de 50 Hz para uma tensão que produza uma grande rotação do espelho de 50 Hz (movimento mecânico de 4 a 5 graus), o espelho irá operar por muitos milhares de horas sem problema. No entanto, se alguém desligar a fonte de alimentação do seno ou em um momento em que a saída de tensão é significativa, então ocorre uma etapa de tensão que excitará a ressonância do espelho e pode resultar em ângulos de rotação bastante grandes (o suficiente para fazer com que o espelho bata na placa de circuito de cerâmica que serve como uma parada de rotação). Existem duas maneiras de evitar isso: a) ligue ou desligue somente quando a tensão do inversor estiver próxima de zero (mostrado no desenho abaixo), b) reduza a amplitude do seno antes de ligar ou desligar.

Então, basicamente, até desligar a energia pode destruí-lo. Oh muito!

Etapa 5: o circuito do marcapasso

O circuito de driver que fiz para ele consiste em um Arduino Nano e um driver de motor de canal duplo.

Embora os drivers de motor sejam feitos para motores, eles podem acionar bobinas magnéticas com a mesma facilidade. Quando conectado a uma bobina magnética, as funções de avanço e reverso do acionador fazem com que a bobina seja energizada nas direções para frente ou reversa.

As bobinas do TALP1000B requerem até 60mA para funcionar. Isso está além do máximo de 40mA que o Arduino pode fornecer, portanto, o uso de um driver é essencial.

Eu também adicionei um potenciômetro de compensação ao meu projeto e isso me permite controlar a amplitude do sinal de saída. Isso me permite reduzir as tensões do inversor a zero antes de desligar o circuito, para evitar as ressonâncias sobre as quais a folha de dados me avisou.

Etapa 6: Um driver que não funciona … e um que funciona

Para verificar se meu circuito estava gerando uma forma de onda suave, escrevi um programa de teste para produzir uma onda senoidal no eixo X e um cosseno no eixo Y. Liguei cada saída do meu circuito de unidade a um LED bipolar em série com um resistor de 220 ohms. Um LED bipolar é um tipo especial de LED de dois terminais que brilha em uma cor quando a corrente flui em uma direção e outra cor quando a corrente flui na direção oposta.

Este equipamento de teste me permitiu observar as mudanças de cor e garantir que não houvesse mudanças rápidas na cor. Logo de cara, observei flashes brilhantes enquanto uma cor desaparecia e antes que a outra cor desaparecesse.

O problema era que eu estava usando um chip L9110 como driver do motor. Este driver tem um pino de velocidade PWM e um pino de direção, mas o ciclo de trabalho do sinal de controle de velocidade PWM na direção direta é o inverso do ciclo de trabalho na direção reversa.

Para gerar zero quando o bit de direção está para frente, você precisa de um ciclo de trabalho de 0% PWM; mas quando o bit de direção é reverso, você precisa de um ciclo de trabalho PWM de 100% para uma saída de zero. Isso significa que para a saída permanecer zero durante uma mudança de direção, você deve alterar a direção e o valor PWM de uma vez - isso não pode acontecer simultaneamente, então não importa em que ordem você faça isso, você obterá picos de tensão durante a transição de negativo para positivo a zero.

Isso explica os flashes que vi e o circuito de teste provavelmente me salvou de ter destruído outro módulo TALB1000B!

Um motorista de motor SparkFun salva o dia

Descobrindo que o L9110 era impossível, decidi avaliar o SparkFun Motor Driver - Dual TB6612FNG (que eu havia ganhado em um Instructable anterior! Woot!).

Nesse chip, um PWM no pino de controle de velocidade de 0% significa que as saídas são acionadas a 0%, independentemente da direção. O TB6612FNG tem dois pinos de controle de direção que devem ser invertidos para inverter a direção, mas com o pino PWM em um ciclo de trabalho de zero, é seguro fazê-lo por meio de um estado intermediário em que In1 e In2 são ALTOS - isso coloca o driver em um modo intermediário de "freio curto" que energiza as bobinas de qualquer forma.

Com o TB6612FNG, consegui uma transição suave de polaridade além de zero sem nenhum flash. Sucesso!

Etapa 7: Executar o Arduino Sketch e teste de desempenho

Vice-campeão no Concurso de Óptica