Arduino laserbasiertes Timing-System - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Im Rahmen meiner Lehre brauchte ich ein System, um genau zu messen, wie schnell ein Modellfahrzeug 10 Meter zurückgelegt hat. Anfangs dachte ich, ich würde mir ein günstiges Fertigsystem von eBay oder Aliexpress kaufen, diese Systeme sind allgemein als Lichttore, Fototore oder ähnliches bekannt. Es stellte sich jedoch heraus, dass vorgefertigte Lichtschranken-Timing-Systeme tatsächlich ziemlich teuer sind, also beschloss ich, meine eigenen zu bauen.

Die Bedienung eines Lichtschranken-Zeitmesssystems ist ziemlich einfach. Jedes Lichtgate besteht auf einer Seite aus einem Lasermodul, dieses projiziert einen Laserspot auf ein lichtabhängiges Widerstandsmodul (LDR) auf der anderen Seite. Durch Messen der Ausgabe des LDR kann das System erkennen, wenn der Laserstrahl unterbrochen wurde. Bei Verwendung von zwei dieser Tore startet das System den Timer, wenn der erste Strahl unterbrochen wird, und stoppt den Timer, wenn es erkennt, dass der zweite Strahl unterbrochen wurde. Die resultierende aufgezeichnete Zeit wird auf dem LCD-Bildschirm angezeigt.

Der Aufbau eines solchen Systems mit Schülern ist eine großartige Einführung in das Programmieren, es ist auch eine wirklich nützliche Ressource für den Unterricht, wenn es fertig ist. Diese Art von System eignet sich hervorragend für MINT-Aktivitäten und kann verwendet werden, um zu messen, wie schnell Dinge wie Gummibandautos, Mausefallenautos oder Kiefernholz-Derbyautos eine bestimmte Distanz zurücklegen.

Haftungsausschluss: Die hier vorgestellte Lösung ist alles andere als optimal. Ich bin mir bewusst, dass einige Dinge viel besser oder effizienter sein könnten. Dieses Projekt wurde zunächst mit einem sehr engen Zeitplan erstellt und funktionierte für den beabsichtigten Zweck absolut einwandfrei. Ich habe Pläne, sowohl eine Version 2 als auch eine Version 3 dieses Systems mit Verbesserungen zu veröffentlichen, siehe den letzten Schritt der Anleitung. Die Implementierung der Schaltung und des Codes erfolgt auf eigene Gefahr.

Lieferungen

• Arduino R3 (oder kompatibles Board) - 4,50 €
• Adafruit Feather Wing Protoboard – Ein kleiner Abschnitt jeder Art von Protoboard ist auch in Ordnung – 1 £
• LCD-Tastaturschild - Stellen Sie sicher, dass dies für die Version des Arduinos geeignet ist, das Sie haben - £ 5
• 2 x lichtabhängiges Widerstandsmodul (LDR) - Die Suche bei eBay nach "arduino LDR" sollte viele Optionen zeigen - jeweils £ 2,30
• 2 x Lasermodul - Wenn Sie bei eBay nach "arduino laser" suchen, sollten viele Optionen angezeigt werden. Stellen Sie sicher, dass die Leistung des Lasers nicht mehr als 5 mW beträgt. - £2,25 für drei
• 4 x kleines Stativ - 3,50 £ pro Stück
• 4x 1/4 Zoll Mutter - Passend für ein Standard-Stativgewinde - £ 2
• Klares Acryl für Arduino-Gehäuse 3 €
• M3-Muttern und -Schrauben - £ 2
• Kunststoff-PCD-Abstandshalter - Kits davon sind bei Ebay recht günstig erhältlich. - £6.80
• 4 x 3D-gedruckte Gehäuse - Die Materialkosten betrugen etwa 5 £.
• Flachbandkabel - £ 5

Die Gesamtkosten betrugen etwa 55 £, dies setzt den Zugang zu einem Laserschneider und einem 3D-Drucker voraus. Die meisten Kosten fallen hier für Gehäuse, Muttern und Schrauben usw. an. Die tatsächlichen Kosten für die Elektronik betragen nur 22 GBP, sodass hier wahrscheinlich viel Optimierungsbedarf besteht.

Schritt 1: Adrunio. programmieren

Laden Sie den folgenden Code auf das Arduino hoch. Wenn Sie nicht damit vertraut sind, schauen Sie sich dieses großartige anweisbare an.

Die grundlegende Logik des Codes ist wie folgt:

1. Schalten Sie die Lasermodule ein und prüfen Sie, ob jeder LDR den Laserstrahl "sehen" kann.
2. Warten Sie, bis LDR 1 eine Unterbrechung des Laserstrahls erkennt, starten Sie sofort den Timer.
3. Warten Sie, bis LDR 2 eine Unterbrechung des Laserstrahls erkennt, stoppen Sie sofort den Timer.
4. Zeigen Sie die resultierende Zeit in Millisekunden auf dem LCD-Bildschirm an.

Der Code ist nur für die Zeitmessung eines einzelnen Laufs ausgelegt. Sobald die Zeit vom Bildschirm notiert wurde, wird die Reset-Taste auf dem Schild verwendet, um das Programm neu zu starten.

LINK ZUM ARDUINO-CODE

(Zu Ihrer Information: Der Code wird auf create.arduino.cc gehostet und ich hätte den Code gerne hier eingebettet, aber der Instructables-Editor lässt den eingebetteten iframe nicht richtig angezeigt oder funktioniert. Wenn jemand bei Instructables dies liest, bitte implementieren Sie dies in Zukunft als Feature, danke)

Schritt 2: 3D-Druck-Gehäuse

Die Laser- und LDR-Module müssen in Position gehalten werden, damit keine Strahlbrüche durch die Bewegung der Module auftreten. 3D-Drucken Sie die Gehäuse unten und schrauben Sie die Module fest. Das Lasermodul muss mit einem Kabelbinder an Ort und Stelle gehalten werden, da es kein Durchgangsloch hat.

Achten Sie darauf, in jedem Gehäuse eine 1/4-Zoll-Mutter festzuklemmen. Diese wird später verwendet, damit diese Gehäuse an den Stativen befestigt werden können. Die beiden Gehäusehälften werden mit M3-Muttern und -Schrauben zusammengehalten.

Schritt 3: Lasergeschnittenes Arduino-Gehäuse

Laserschneiden Sie die unten stehenden Dateien aus dem 4 mm dicken klaren Acryl. Richten Sie das Arduino R3 und das Protoboard mit den Löchern auf den Acrylteilen aus und schrauben Sie es fest. Schrauben Sie das Oberteil des Gehäuses mit den PCD-Abstandshaltern als Abstandshalter an den Boden.

Schritt 4: Verdrahten Sie die Schaltung

Der in diesem Projekt verwendete LCD-Schild wird in diesem großartigen instructable ausführlich erklärt. Der LCD-Bildschirm und die Eingabetasten verwenden jedoch einige der I / O-Pins des Arduino, aus diesem Grund verwenden alle I / O für die Lasermodule und die LDRs nur die Pins 1, 2, 12 und 13.

Es ist nur sehr wenig Verdrahtung erforderlich, aber stellen Sie sicher, dass der Stromkreis wie im Diagramm gezeigt angeschlossen ist. Ich habe den Kabeln des Laser- und LDR-Moduls einige JST-Anschlüsse hinzugefügt, damit ich das gesamte Setup leicht zerlegen und lagern kann.

Ja, die Arduino-Pins 1 und 2 versorgen die Lasermodule direkt ohne Inline-Widerstand. Da die ausgewählten Lasermodule speziell für die Verwendung mit Arduino entwickelt wurden, sollte dies jedoch kein Problem sein. Die Lasermodule ziehen eine maximale Leistung von 5mW, dies bedeutet, dass das Modul bei der 5V-Versorgungsspannung des Pins etwa 1mA ziehen sollte, dies liegt deutlich unter der ~40mA-Grenze für die Stromversorgung an Arduino-E / A-Pins.

Schritt 5: Zusammenbauen und abstimmen

Schließlich können Sie alles zusammenbauen.

1. Montieren Sie die LDR- und Lasermodulkoffer auf den kleinen Stativen.
2. Positionieren Sie die Lasermodule so, dass sie direkt auf den LDR-Sensor leuchten

In dieser Phase müssen Sie die Dinge ein wenig verfeinern. Die LDR-Module geben ein digitales Signal aus, ein hohes Signal (5 V) zeigt an, dass kein Laserstrahl erkannt wird, ein niedriges Zeichen (0 V) zeigt an, dass der Laserstrahl gesehen werden kann. Die Lichtintensitätsschwelle, bei der das Modul von einem 5V- auf ein 0V-Ausgangssignal (und umgekehrt) umschaltet, wird durch ein Potentiometer auf der LDR-Platine gesteuert. Sie müssen das Potentiometer so einstellen, dass das Modul zwischen einem 0V- und 5V-Ausgang umschaltet, wenn Sie es erwarten.

Stellen Sie entweder das Potentiometer schrittweise ein, bis das System wie erwartet funktioniert, oder verwenden Sie ein Multimeter, um den Ausgang des LDR-Moduls zu messen und nach Bedarf abzustimmen.

Schritt 6: Betrieb und weitere Arbeiten

Sie sollten jetzt bereit sein, das System zu verwenden! Die Bilder zeigen die Arbeitsschritte.

1. Drücken Sie die Auswahltaste, um das System zu initialisieren.
2. Richten Sie die Laser so aus, dass sie direkt auf den LDR-Sensor leuchten.
3. Das System ist jetzt scharfgeschaltet. Bringen Sie Ihr Modellauto in Schwung.
4. Das System beginnt mit der Zeitmessung, sobald der erste Laserstrahl unterbrochen ist.
5. Das System stoppt, sobald der zweite Laserstrahl unterbrochen wird.
6. Auf dem Bildschirm wird dann die Zeit in Millisekunden angezeigt.
7. Drücken Sie die Reset-Taste, um einen weiteren Lauf zu starten.

Ich werde wahrscheinlich eine Version 2.0 dieses Systems erstellen, da einige offensichtliche Verbesserungen vorgenommen werden könnten:

1. Die Lasermodule müssen nicht vom Arduino mit Strom versorgt werden, sie können batteriebetrieben und bei Bedarf einfach eingeschaltet werden. Als ich das System entwarf, schien die Verkabelung der Lasermodule mit dem Arduino für die Stromversorgung die einfachste Lösung zu sein, in der Praxis führt dies zu langen Kabelwegen, die im Weg sind.
2. Kondensorlinsen werden bei den LDR-Gehäusen wirklich benötigt. Das exakte Ausrichten des Laserpunktes mit der Mitte des (sehr kleinen) LDR-Sensors ist sehr schwierig und kann manchmal mehrere Minuten dauern, die Verwendung einer Kondensorlinse würde dem Benutzer ein viel größeres Ziel geben, auf das er mit dem Laserpunkt zielen kann.

Ich denke jetzt auch sogar über eine Version 3.0 nach, die vollständig kabellos ist und sich nur über Bluetooth mit meinem Laptop verbindet, dies ist jedoch ein viel größeres Projekt für einen anderen Tag.

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