نظام التوقيت القائم على الليزر من Arduino: 6 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

كجزء من تعليمي ، كنت بحاجة إلى نظام لقياس مدى سرعة تحرك السيارة النموذجية بدقة 10 أمتار. في البداية ، اعتقدت أنني سأشتري نظامًا رخيصًا جاهزًا من eBay أو Aliexpress ، تُعرف هذه الأنظمة عمومًا باسم بوابات الضوء أو بوابات الصور أو ما شابه ذلك. اتضح أن أنظمة توقيت البوابات المصممة مسبقًا باهظة الثمن في الواقع ، لذلك قررت بناء نظامي الخاص.

تشغيل نظام توقيت البوابة الخفيفة بسيط للغاية. تتكون كل بوابة ضوئية من وحدة ليزر على جانب واحد ، وهذا يعرض بقعة ليزر على وحدة مقاومة تعتمد على الضوء (LDR) في الجانب الآخر. من خلال قياس خرج LDR ، يمكن للنظام اكتشاف وقت كسر شعاع الليزر. باستخدام اثنتين من هذه البوابات ، يبدأ النظام الموقت عندما تنكسر الحزمة الأولى ويوقف المؤقت عندما يستشعر الشعاع الثاني قد تم كسره. يتم عرض الوقت المسجل الناتج على شاشة LCD.

يعد بناء نظام مثل هذا مع الطلاب مقدمة رائعة للترميز ، كما أنه مصدر مفيد حقًا في الفصل الدراسي بمجرد الانتهاء منه. يعد هذا النوع من النظام رائعًا لأنشطة STEM ويمكن استخدامه لقياس مدى سرعة انتقال أشياء مثل سيارات الشريط المطاطي أو سيارات مصيدة الفئران أو سيارات دربي خشب الصنوبر لمسافة محددة.

إخلاء المسؤولية: الحل المقدم هنا بعيد عن أن يكون هو الأمثل. أدرك أن بعض الأشياء يمكن أن تكون أفضل أو أكثر كفاءة. تم وضع هذا المشروع في البداية في موعد نهائي ضيق للغاية وعمل بشكل جيد للغاية للغرض المقصود. لدي خطط لإصدار كل من الإصدار 2 والإصدار 3 من هذا النظام مع التحسينات ، يرجى الاطلاع على الخطوة الأخيرة من التعليمات. تنفيذ الدائرة والكود على مسؤوليتك الخاصة.

اللوازم

• Arduino R3 (أو لوحة متوافقة) - 4.50 جنيه إسترليني
• لوح حماية جناح ريش Adafruit - جزء صغير من أي نوع من الألواح الأولية جيد أيضًا - 1 جنيه إسترليني
• درع لوحة مفاتيح LCD - تأكد من أن هذا يناسب إصدار Arduino لديك - 5 جنيهات إسترلينية
• 2 × وحدة مقاومة تعتمد على الضوء (LDR) - يجب أن يظهر البحث في موقع ئي باي عن "اردوينو LDR" الكثير من الخيارات - 2.30 جنيهًا إسترلينيًا لكل منها
• 2 × وحدة ليزر - يجب أن يُظهر البحث في موقع ئي باي عن "ليزر اردوينو" الكثير من الخيارات. تأكد من أن قوة الليزر لا تزيد عن 5 ميجاوات. - 2.25 جنيه إسترليني لثلاثة أشخاص
• 4 × حامل صغير - 3.50 جنيه إسترليني لكل منهما
• صامولة مقاس 4 × 1/4 بوصة - لتناسب خيط ثلاثي القوائم قياسي - 2 جنيه إسترليني
• أكريليك شفاف لحالة اردوينو 3 جنيهات إسترلينية
• صواميل ومسامير M3 - 2 جنيه إسترليني
• مواجهات PCD البلاستيكية - يمكن الحصول على مجموعات منها بسعر رخيص جدًا على موقع Ebay. - 6.80 جنيهًا إسترلينيًا
• 4 × حاويات مطبوعة ثلاثية الأبعاد - كانت تكلفة المواد حوالي 5 جنيهات إسترلينية.
• كابل الشريط - 5 جنيهات إسترلينية

كانت التكلفة الإجمالية حوالي 55 جنيهًا إسترلينيًا ، وهذا يفترض الوصول إلى كل من قاطع الليزر والطابعة ثلاثية الأبعاد. معظم التكلفة هنا مخصصة للحالات والصواميل والمسامير وما إلى ذلك. التكلفة الفعلية للإلكترونيات هي 22 جنيهًا إسترلينيًا فقط ، لذا ربما يكون هناك مجال للكثير من التحسين هنا.

الخطوة 1: برنامج Adrunio

قم بتحميل الكود أدناه إلى Arduino. إذا لم تكن معتادًا على كيفية القيام بذلك ، فراجع هذا الدليل الرائع.

المنطق الأساسي للكود هو كما يلي:

1. قم بتشغيل وحدات الليزر وتحقق مما يمكن لكل LDR "رؤية" شعاع الليزر.
2. انتظر حتى يكتشف LDR 1 انقطاعًا في شعاع الليزر ، ابدأ الموقت على الفور.
3. انتظر حتى يكتشف LDR 2 حدوث انقطاع في شعاع الليزر ، وأوقف المؤقت على الفور.
4. اعرض الوقت الناتج على شاشة LCD بالمللي ثانية.

تم تصميم الكود فقط لتوقيت تشغيل واحد ، بمجرد ملاحظة الوقت من الشاشة لأسفل ، يتم استخدام زر إعادة الضبط الموجود على الدرع لإعادة تشغيل البرنامج.

رابط إلى كود أردوينو

(لمعلوماتك: الرمز مستضاف على create.arduino.cc وأود أن أدرج الكود هنا ، لكن محرر Instructables لا يسمح لإطار iframe المضمن بالعرض أو العمل بشكل صحيح. إذا كان أي شخص في Instructables يقرأ هذا ، من فضلك تنفيذ هذا كميزة في المستقبل ، شكرا)

الخطوة الثانية: حاويات الطباعة ثلاثية الأبعاد

يجب تثبيت وحدتي الليزر و LDR في مكانهما لضمان عدم حدوث فواصل في الحزمة نتيجة لتحرك الوحدات. قم بطباعة العبوات ثلاثية الأبعاد أدناه وقم بتثبيت الوحدات في مكانها ، ستحتاج وحدة الليزر إلى التثبيت في مكانها بربطة مضغوطة حيث لا يوجد بها ثقب في الترباس.

تأكد من وضع صمولة 1/4 بوصة داخل كل حالة ، وسيتم استخدام هذا لاحقًا للسماح لهذه الحالات بالاتصال بالحوامل. يتم تثبيت نصفي العلبة مع صواميل ومسامير M3.

الخطوة 3: حقيبة اردوينو مقطوعة بالليزر

قطع الليزر الملفات أدناه من الأكريليك الشفاف بسمك 4 مم. قم بمحاذاة اردوينو R3 ولوح الحماية مع الثقوب الموجودة على قطع الأكريليك وثبتها في مكانها. اربط الجزء العلوي من العلبة بالجزء السفلي باستخدام مواجهات PCD كفواصل.

الخطوة 4: قم بتوصيل الدائرة الكهربائية

تم شرح درع LCD المستخدم في هذا المشروع بالتفصيل في هذه التعليمات الرائعة. تستخدم شاشة LCD وأزرار الإدخال بعض دبابيس الإدخال / الإخراج في اردوينو ، ولهذا السبب تستخدم جميع منافذ الإدخال / الإخراج لوحدات الليزر ودبابيس LDR 1 و 2 و 12 و 13 فقط.

هناك حاجة إلى القليل جدًا من الأسلاك ، ولكن تأكد من توصيل الدائرة كما هو موضح في الرسم التخطيطي. لقد أضفت بعض الموصلات من نوع JST إلى أسلاك وحدة الليزر ووحدة LDR للسماح لي بتفكيك وتخزين الإعداد بالكامل بسهولة.

نعم ، تعمل دبابيس اردوينو 1 و 2 على تشغيل وحدات الليزر مباشرة بدون مقاومة مضمنة. نظرًا لأن وحدات الليزر المحددة مصممة خصيصًا للاستخدام مع اردوينو ، فلا ينبغي أن تكون هذه مشكلة. تستهلك وحدات الليزر طاقة قصوى تبلغ 5 ميجاوات ، وهذا يعني أنه عند جهد إمداد الدبوس بجهد 5 فولت ، يجب أن ترسم الوحدة حوالي 1 مللي أمبير ، وهذا أقل بكثير من حد 40 مللي أمبير للإمداد الحالي على دبابيس إدخال / إخراج اردوينو.

الخطوة 5: التجميع والضبط

أخيرًا ، أنت جاهز لتجميع كل شيء.

1. قم بتركيب حقائب وحدة LDR و Laser على الحوامل الثلاثية الصغيرة.
2. ضع وحدات الليزر لتتألق مباشرة على مستشعر LDR

في هذه المرحلة ، ستحتاج إلى ضبط الأشياء قليلاً. تُخرج وحدات LDR إشارة رقمية ، إشارة عالية (5 فولت) تشير إلى عدم اكتشاف شعاع ليزر ، إشارة منخفضة (0 فولت) تشير إلى أنها تستطيع رؤية شعاع الليزر. يتم التحكم في عتبة شدة الضوء التي تتحول عندها الوحدة من إشارة خرج 5 فولت إلى 0 فولت (والعكس بالعكس) بواسطة مقياس جهد على لوحة LDR. ستحتاج إلى ضبط مقياس الجهد بحيث تنتقل الوحدة بين خرج 0 فولت و 5 فولت عندما تتوقع ذلك.

إما أن تقوم بضبط مقياس الجهد تدريجيًا حتى يعمل النظام كما هو متوقع ، أو استخدم مقياسًا متعددًا لقياس إخراج وحدة LDR وضبطها حسب الحاجة.

الخطوة 6: التشغيل والعمل الإضافي

يجب أن تكون الآن جاهزًا لاستخدام النظام! تظهر الصور مراحل العملية.

1. اضغط على زر التحديد لتهيئة النظام.
2. قم بمحاذاة الليزر بحيث يتألق مباشرة على مستشعر LDR.
3. النظام مسلح الآن. ضع لك طراز السيارة ذاهبًا.
4. سيبدأ النظام في التوقيت بمجرد كسر شعاع الليزر الأول.
5. سيتوقف النظام بمجرد كسر شعاع الليزر الثاني.
6. ثم يتم عرض الوقت بالمللي ثانية على الشاشة.
7. اضغط على زر إعادة الضبط لوقت تشغيل آخر.

من المحتمل أن أقوم بإنشاء إصدار 2.0 من هذا النظام حيث توجد بعض التحسينات الواضحة التي يمكن إجراؤها:

1. ليست هناك حاجة لتشغيل وحدات الليزر من Arduino ، يمكن أن تعمل بالبطارية ويتم تشغيلها ببساطة عند الحاجة. عندما صممت النظام ، بدا أن توصيل وحدات الليزر إلى Arduino للحصول على الطاقة هو الحل الأبسط ، من الناحية العملية ، ينتج عن هذا تشغيل طويل للكابلات يعيق الطريق.
2. العدسات المكثفة مطلوبة حقًا في علب LDR. يعد تبطين نقطة الليزر بالضبط مع مركز مستشعر LDR (صغير جدًا) أمرًا صعبًا للغاية ويمكن أن يستغرق أحيانًا عدة دقائق ، فإن استخدام عدسة مكثفة من شأنه أن يمنح المستخدم هدفًا أكبر بكثير للاستهداف بنقطة الليزر.

أفكر الآن أيضًا في إصدار 3.0 لاسلكي بالكامل ويتصل فقط بجهاز الكمبيوتر المحمول الخاص بي باستخدام Bluetooth ، وهذا مشروع أكبر بكثير ليوم آخر.

الوصيف في مسابقة STEM