Faraday for Fun: ein elektronischer batterieloser Würfel - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:22

Das Interesse an muskelbetriebenen elektronischen Geräten ist groß, zum großen Teil aufgrund des Erfolgs von Perpetual TorchPerpetual Torch, auch bekannt als batterielose LED-Taschenlampe. Die batterielose Taschenlampe besteht aus einem Spannungsgenerator zur Stromversorgung der LEDs, einer elektronischen Schaltung zur Aufbereitung und Speicherung der vom Spannungsgenerator erzeugten Spannung und hocheffizienten weißen LEDs. Der muskelbetriebene Spannungsgenerator basiert auf dem Faradayschen Gesetz, bestehend aus einer Röhre mit zylindrischen Magneten. Das Rohr ist mit einer Spule aus Magnetdraht umwickelt. Beim Schütteln des Rohres durchqueren die Magnete die Länge des Rohres hin und her, wodurch der magnetische Fluss durch die Spule verändert wird und die Spule daher eine Wechselspannung erzeugt. Wir werden später im Instructable darauf zurückkommen. Dieses Instructable zeigt Ihnen, wie Sie einen elektronischen, schlaglosen Würfel bauen. Ein Foto der gebauten Einheit ist unten zu sehen. Aber zuerst einige Hintergrundinformationen -

Schritt 1: Ein elektronischer Würfel

Anstelle eines traditionellen Würfels ist es schön und cool, einen elektronischen Würfel zu verwenden. Normalerweise würde ein solcher Würfel aus einer elektronischen Schaltung und einer LED-Anzeige bestehen. Die LED-Anzeige könnte eine Sieben-Segment-Anzeige sein, die Zahlen zwischen 1 und 6 anzeigen könnte, wie unten gezeigt, oder vielleicht, um das traditionelle Würfelmuster nachzuahmen, könnte sie aus 7 LEDs bestehen, die wie in der zweiten Abbildung gezeigt angeordnet sind. Beide Würfeldesigns haben einen Schalter, den der Benutzer drücken muss, wenn er "würfeln" möchte (oder "würfeln"?). Der Schalter löst einen im Mikrocontroller programmierten Zufallszahlengenerator aus und die Zufallszahl wird dann auf der 7-Segment-Anzeige oder der LED-Anzeige angezeigt. Wenn der Benutzer eine neue Nummer möchte, muss der Schalter erneut gedrückt werden.

Schritt 2: Stromversorgung für die Würfel

Beide im vorigen Schritt gezeigten Ausführungen benötigen eine passende Stromversorgung, die aus einer Wandwarze abgeleitet werden kann, einen passenden Gleichrichter, Glättungskondensator und einen passenden +5V-Regler. Wenn der Benutzer die Tragbarkeit des Würfels wünscht, sollte der Wandwarzentransformator durch eine geeignete Batterie, beispielsweise eine 9V-Batterie, ersetzt werden. Es gibt auch andere Optionen für die Batterie, um beispielsweise die Würfel mit einer einzigen AA- oder AAA-Batterie betreiben zu können, ein normaler Linearregler wird nicht funktionieren. Um +5 V für den Chipbetrieb abzuleiten, muss ein geeigneter DC-DC-Wandler vom Boost-Typ verwendet werden. Die Abbildung zeigt eine +5-V-Stromversorgung, die für den Würfelbetrieb aus einer 9-V-Wandbatterie geeignet ist, und die andere Abbildung zeigt das Schema für eine +5-V-Stromversorgung aus einer 1,5-V-AA- oder AAA-Batterie unter Verwendung eines TPS61070-Boost-DC-DC-Wandlers.

Schritt 3: Freie Kraft: Verwenden Sie Ihre Muskeln…

Dieser Schritt beschreibt den muskelbetriebenen Spannungsgenerator. Der Generator besteht aus einem Plexiglasrohr von 6 Zoll Länge und einem Außendurchmesser von 15 mm. Der Innendurchmesser beträgt 12 mm. An der Außenfläche des Rohres wird eine Nut von etwa 1 mm Tiefe und 2 Zoll Länge eingearbeitet. Diese Nut wird mit ca. 1500 Windungen mit 30 SWG Magnetdraht gewickelt. Ein Satz von drei zylindrischen Seltenerdmagneten wird in die Röhre eingesetzt. Die Magnete haben einen Durchmesser von 10 mm und eine Länge von 10 mm. Nach dem Einsetzen der Magnete in das Rohr werden die Enden des Rohres mit runden Stücken aus blankem PCB-Material versiegelt und mit einem zweiteiligen Epoxid und mit einigen stoßdämpfenden Pads im Inneren (ich habe IC-Verpackungsschaum verwendet) verklebt. Eine solche Röhre ist von McMaster (mcmaster.com) erhältlich, Teilenummer: 8532K15. Magnete können bei amazingmagnets.com gekauft werden. Teile-Nr. D375D.

Schritt 4: Leistung des Spannungsgenerators

Wie gut funktioniert der Muskelkraft-Spannungsgenerator? Hier sind einige Oszilloskop-Screenshots. Bei sanften Schütteln liefert der Generator etwa 15 V Spitze-Spitze. Der Kurzschlussstrom beträgt ca. 680mA. Für dieses Projekt völlig ausreichend.

Schritt 5: Würfelschema

Dieser Schritt zeigt den Schaltplan für die Würfel. Es besteht aus einer Gleichrichterdioden-Brückenschaltung, um die vom Faraday-Generator erzeugte und mit einem 4700uF/25V-Elektrolytkondensator gefilterte Wechselspannung gleichzurichten. Die Kondensatorspannung wird mit einem LDO, LP-2950 mit einer 5V Ausgangsspannung geregelt, die dazu dient, den Rest der Schaltung, bestehend aus Mikrocontroller und LEDs, mit Spannung zu versorgen. Ich habe 7 hocheffiziente blaue 3-mm-LEDs in transparenter Verpackung verwendet, die in Würfelform angeordnet sind. Die LEDs werden von einem 8-Pin-AVR-Mikrocontroller, dem ATTiny13, gesteuert. Der Spannungsausgang des Faraday-Generators ist ein gepulster Ausgang. Dieser gepulste Ausgang wird mit Hilfe eines Widerstands (1,2KOhm) und einer Zenerdiode (4,7V) aufbereitet. Die aufbereiteten Spannungsimpulse werden vom Mikrocontroller erfasst, um festzustellen, ob die Röhre geschüttelt wird. Solange das Röhrchen geschüttelt wird, wartet der Mikrocontroller. Sobald der Benutzer aufhört, das Röhrchen zu schütteln, generiert der Mikrocontroller eine Zufallszahl, indem er einen internen 8-Bit-Timer verwendet, der im Freilaufmodus arbeitet und die Zufallszahl zwischen 1 und 6 auf den Ausgangs-LEDs ausgibt. Der Mikrocontroller wartet dann wieder darauf, dass der Benutzer das Röhrchen erneut schüttelt. Sobald die LEDs eine Zufallszahl anzeigen, reicht die verfügbare Ladung des Kondensators aus, um die LEDs für eine durchschnittliche Zeit von etwa 10 Sekunden zu leuchten. Um eine neue Zufallszahl zu erhalten, muss der Benutzer die Tube erneut einige Male schütteln.

Schritt 6: Programmierung des Mikrocontrollers

Der Tiny13-Mikrocontroller arbeitet mit einem internen RC-Oszillator, der so programmiert ist, dass er ein 128-kHz-Taktsignal erzeugt. Dies ist das niedrigste Taktsignal, das der Tiny13 intern erzeugen kann und wird gewählt, um den vom Mikrocontroller verbrauchten Strom zu minimieren. Der Controller wird in C mit dem AVRGCC-Compiler programmiert und das Flussdiagramm ist hier gezeigt hier gezeigt. Ich habe STK500 verwendet, um meinen Tiny zu programmieren, aber Sie können sich auf dieses Instructable beziehen, wenn Sie einen AVR Dragon-Programmierer bevorzugen: https://www.instructables.com/id/Help%3a-An-Absolute-Beginner_s-Guide- zu-8-Bit-AVR-Pr/

Schritt 7: Steuerungssoftware

/*Elektronische Batterie weniger Würfel*//*Dhananjay Gadre*//*20. September 2007*//*Tiny13 Prozessor @ 128KHz interner RC-Oszillator*//*7 LEDs wie folgt verbundenLED0 - PB1LED1, 2 - PB2LED3, 4 - PB3LED5, 6 - PB4D3 D2D5 D0 D6D1 D4Impulseingang von der Spule ist auf PB0*/#include #include #include #includeconst char ledcode PROGMEM= {0xfc, 0xee, 0xf8, 0xf2, 0xf0, 0xe2, 0xfeed}; char temp=0;int count=0;DDRB=0xfe; /*PB0 wird eingegeben*/TCCR0B=2; /*dividiere durch 8*/TCCR0A=0;TCNT0= 0;PORTB=254; /*alle LEDs deaktivieren*/while(1) {/*warten, bis der Puls hoch geht*/ while ((PINB & 0x01) == 0); _delay_loop_2(50); /*warten, bis der Puls niedrig wird*/ while ((PINB & 0x01) == 0x01); _delay_loop_2(50); Zählung = 5000; während ((Anzahl > 0) && ((PINB &0x01) ==0)) {Anzahl--; } if(count ==0) /* kein Puls mehr, also eine Zufallszahl anzeigen*/ { PORTB=0xfe; /*alle LEDs aus*/ _delay_loop_2(10000); temp=TCNT0; temp= temp%6; temp =pgm_read_byte(&ledcode[temp]); PORTB=temp; } }}

Schritt 8: Zusammenbau der Schaltung

Hier sind einige Bilder der Montageschritte des elektronischen Würfels. Die elektronische Schaltung ist auf einem Perfboard montiert, das schmal genug ist, um in ein Plexiglasrohr zu passen. Ein identisches Plexiglasrohr wie für den Spannungsgenerator verwendet, wird verwendet, um die elektronische Schaltung zu umschließen.

Schritt 9: Fertige Montage

Der Faraday-Spannungsgenerator und die elektronische Würfelschaltung sind jetzt mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Die Ausgangsklemmen der Spannungsgeneratorröhre sind mit dem 2-poligen Eingangsstecker der elektronischen Würfelschaltung verbunden. Beide Rohre sind mit einem Kabelbinder zusammengebunden und für zusätzliche Sicherheit mit einem 2-Komponenten-Epoxid verklebt. Ich habe AralditeAraldite verwendet.

Schritt 10: Verwenden des batterielosen elektronischen Würfels

Sobald die Montage abgeschlossen ist und die beiden Röhren miteinander verbunden sind, ist der Würfel einsatzbereit. Schütteln Sie es einfach ein paar Mal und eine Zufallszahl würde erscheinen. Schütteln Sie es erneut und ein weiteres Zufallsprodukt wird angezeigt. Ein Video der Würfel in Aktion ist hier, auch in diesem Instructables-Video veröffentlicht:

Schritt 11: Referenzen und Designdateien

Dieses Projekt basiert auf meinen zuvor veröffentlichten Artikeln. nämlich:

1. "Power Generator for Portable Applications", Circuit Cellar, Oktober 2006 2. "Kinetic Remote Control", Fabrikat:, November 2007, Ausgabe 12. Die C-Quellcodedatei ist hier verfügbar. Da das Projekt zum ersten Mal als Prototyp erstellt wurde, habe ich PCB mit Eagle hergestellt. So sieht es jetzt aus. Eagle-Schaltplan und Board-Dateien sind hier. Bitte beachten Sie, dass im Vergleich zum Prototyp die Komponenten auf der endgültigen Leiterplatte etwas anders angeordnet sind. Update (15. September 2008): Stücklistendatei hinzugefügt

Schritt 12: Ich weiß, dass du mehr willst

Ein elektronischer Würfel mit nur einem Display? Aber ich spiele viele Spiele, die zwei Würfel brauchen, sagen Sie. Okay, ich weiß, dass du das willst. Hier ist, was ich versucht habe zu bauen. Ich habe die Platine für diese neuere Version fertig und warte nur auf etwas freie Zeit, um den Code zu vervollständigen und das Board zu testen. Ich werde hier ein Projekt veröffentlichen, sobald es fertig ist … Bis dahin viel Spaß mit den einzelnen Würfeln.