Interaktivni laserski generator ploča s Arduinom: 11 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Laseri se mogu koristiti za stvaranje nevjerojatnih vizualnih efekata. U ovom projektu sam konstruisao novu vrstu laserskog ekrana koji je interaktivan i reprodukuje muziku. Uređaj rotira dva lasera kako bi formirao dva svjetlosna lista nalik na vrtlog. U uređaj sam uključio senzore udaljenosti kako bi se laserskim listovima moglo manipulirati pomicanjem ruke prema njima. Dok osoba komunicira sa senzorima, uređaj reproducira i muziku putem MIDI izlaza. Uključuje ideje iz laserskih harfova, laserskih vrtloga i POV ekrana.

Instrumentom se upravlja pomoću Arduino Mega koji prima ulaze ultrazvučnih senzora i odašilje vrstu laserskog lima i generiranu muziku. Zbog mnogih stupnjeva slobode lasera koji se okreću, postoji mnoštvo različitih laserskih obrazaca koji se mogu stvoriti.

Uradio sam preliminarnu ideju o projektu s novom umjetničkom/tehnološkom grupom u St. Louisu pod nazivom Dodo Flock. Emre Sarbek je također proveo neka početna ispitivanja na senzorima koji se koriste za detekciju pokreta u blizini uređaja.

Ako konstruirate laserski uređaj, imajte na umu da na siguran način koristite lasere i diskove za predenje.

Ažuriranje za 2020: Shvatio sam da je površina stvorena laserima hiperboloid.

Korak 1: Lista zaliha

Materijali

Laseri -

Motor bez četkica -

Elektronički regulator brzine -

Servo motori -

Tranzistori

Šperploča

Pleksiglas

Ultrazvučni senzori

Slipring -

Bijele LED diode -

Pretvarači dolara

Žičana folija

MIDI konektor

Potenciometar i dugmad -

Hardver - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. com/gp/product/B06XQMBDMX/ref = o…

Otpornici

Priključni kablovi JST -

Prekidač za napajanje naizmeničnom strujom

Napajanje 12V -

Ljepilo za drvo

super ljepilo

Vijci za drvo

USB produžni kabel -

Alati:

Lemilica

Rezači žice

Jig je vidio

Kružna pila

Mikrometar

Električna bušilica

Korak 2: Pregled i shema

Laserski snop stvara dobro kolimirani (tj. Uski) snop svjetlosti, pa je jedan od načina za stvaranje svjetlosnog sloja brzo pomicanje snopa u određenom uzorku. Na primjer, da biste stvorili cilindrični svjetlosni list, trebali biste okretati laser oko osi paralelne sa smjerom u kojem je usmjeren. Za brzo pomicanje lasera možete pričvrstiti laser na drvenu dasku pričvršćenu na DC motor bez četkica. Samo tako možete stvoriti hladne cilindrične laserske vrtloge!

Drugi projekti laserskog vrtloga to postižu postavljanjem nagnutog ogledala na osi rotacije sa stacionarnim laserom usmjerenim prema ogledalu. Time se stvara laserski konus. Međutim, s ovim dizajnom, čini se da svi laserski listovi potječu iz jednog podrijetla. Ako su laseri postavljeni izvan osi, prema dizajnu koji sam izgradio, moći ćete stvoriti konvergentne laserske ploče, poput oblika pješčanog sata prikazanog u videu.

Ali što ako želite da svjetlosne ploče budu dinamične i interaktivne? Da bih to postigao, pričvrstio sam dva lasera na servo pogone, a zatim ih pričvrstio na drvenu dasku. Sada servomotori mogu prilagoditi kut lasera u odnosu na os rotacije motora. Ako imate dva lasera na dva različita servo uređaja, s uređajem možete stvoriti dva različita svjetlosna lista.

Da bih kontrolirao brzinu istosmjernog motora, spojio sam potenciometar na Arduino koji uzima ulaz potenciometra i šalje signal u električni regulator brzine (ESC). ESC tada kontrolira brzinu motora (prilično prikladan naziv, da), ovisno o otporu potenciometra.

Uključeno/isključeno stanje lasera kontrolira se povezivanjem na emiter tranzistora koji radi u zasićenju (tj. Radi kao električni prekidač). Upravljački signal se šalje na bazu tranzistora koji kontrolira struju kroz laser. Evo izvora za upravljanje opterećenjem tranzistora s arduinom:

Položaj servo upravljača također kontrolira Arduino. Dok se daska okreće, svjetlosnim listom se može manipulirati promjenom položaja servo -a. Bez unosa korisnika, samo ovo može stvoriti dinamičke svjetlosne listove koji su očaravajući. Postoje i ultrazvučni senzori postavljeni oko ruba uređaja, koji se koriste za utvrđivanje stavlja li osoba ruku blizu svjetlosnih plahti. Ovaj ulaz se zatim koristi za pomicanje lasera za stvaranje novih svjetlosnih ploča ILI za generiranje MIDI signala. MIDI priključak je povezan za prijenos MIDI signala na MIDI uređaj za reprodukciju.

Korak 3: Upravljanje motorom bez četkica s Arduinom

Da biste stvorili svjetlosne ploče nalik vrtlogu, morate rotirati laserski zrak. Da bih to postigao, odlučio sam pokušati koristiti istosmjerni motor bez četkica. Naučio sam da su ove vrste motora jako popularne kod modela aviona i bespilotnih letjelica, pa sam zaključio da će biti prilično jednostavan za upotrebu. Usput sam naišao na nekoliko poteškoća, ali generalno sam zadovoljan kako motor radi na projektu.

Prvo je potrebno montirati motor. Prilagođen sam dio koji drži motor i pričvršćuje ga na ploču koja drži uređaj. Nakon što je motor bio siguran, spojio sam motor na ESC. Koliko sam pročitao, zvuči zaista teško koristiti motor bez četkica bez njega. Za pokretanje motora koristio sam Arduino Mega. U početku nisam mogao natjerati motor da se okreće jer sam samo spajao upravljački signal na 5V ili masu, a da nisam ispravno postavio osnovnu vrijednost ili kalibrirao ESC. Zatim sam slijedio Arduino vodič s potenciometrom i servo motorom i motor se okrenuo! Evo veze do vodiča:

ESC žice se zapravo mogu na bilo koji način spojiti na motor bez četkica. Trebat će vam ženski utikači za banane. Deblji crveni i crni kabeli na ESC -u spojeni su na istosmjerno napajanje na 12V, a crni i bijeli kabeli na upravljačkom konektoru ESC -a spojeni su na masu, odnosno kontrolni pin na Arduinu. Pogledajte ovaj video da biste saznali kako kalibrirati ESC:

Korak 4: Konstrukcija kućišta laserskog lima

Nakon što se motor okreće, vrijeme je za izradu šasije od laganih ploča. Rezao sam komad šperploče pomoću CNC stroja, ali možete koristiti i ubodnu pilu. Šperploča drži ultrazvučne senzore i ima rupu u koju stane komad pleksiglasa. Pleksiglas treba pričvrstiti na drvo epoksidom. Izbušene su rupe za provlačenje kliznog prstena.

Zatim se izrezuje još jedan kružni list šperploče koji drži motor bez četkica. U ovom drvenom listu izbušene su rupe kako bi žice mogle proći kasnije u izgradnji. Nakon pričvršćivanja nosača motora i bušenja rupa, dva lista šperploče pričvršćuju se pomoću 1x3 dasaka izrezanih oko 15 cm i metalnih nosača. Na fotografiji možete vidjeti kako je pleksiglas iznad motora i lasera.

Korak 5: Sklop laserskog i servo motora

Varijabilni svjetlosni listovi stvaraju se pokretnim laserom u odnosu na os rotacije. Dizajnirao sam i 3D štampao nosač koji pričvršćuje laser na servo i nosač koji povezuje servo sa prednjom daskom. Prvo pričvrstite servo na servo nosač pomoću dva vijka M2. Zatim gurnite maticu M2 u nosač lasera i zategnite pričvrsni vijak kako bi laser ostao na mjestu. Prije spajanja lasera na servo, morate se uvjeriti da je servo okrenut u svoj centrirani radni položaj. Koristeći servo vodič, usmjerite servo na 90 stepeni. Zatim pomoću vijka montirajte laser kao što je prikazano na slici. Morao sam dodati i mrvicu ljepila kako se laser ne bi nenamjerno pomaknuo.

Koristio sam laserski rezač za izradu daske dimenzija oko 3 x 20 cm. Maksimalna veličina svjetlosnog lima ovisit će o veličini drvene daske. Zatim je u sredini daske izbušena rupa tako da stane na osovinu motora bez četkica.

Zatim sam zalijepio laserski servo sklop na dasku tako da su laseri centrirani. Uvjerite se da su sve komponente na dasci uravnotežene u odnosu na os rotacije daske. Lemite JST konektore na lasere i servo kablove tako da se u sljedećem koraku mogu spojiti na klizni kabel.

Na kraju pričvrstite dasku s pričvršćenim laserskim servo sklopovima na motor bez četkica s podloškom i maticom. U ovom trenutku testirajte motor bez četkica kako biste bili sigurni da se daska može okretati. Pazite da ne vozite motor prebrzo ili da stavite ruku na put rotacije daske.

Korak 6: Instaliranje opruge

Kako spriječiti da se žice zapetljaju dok se elektronika okreće? Jedan od načina je da koristite bateriju za napajanje i spojite je na sklop za predenje, kao u ovom POV uputstvu. Drugi način je upotreba klizanja! Ako prije niste čuli za praćku ili je koristili, pogledajte ovaj sjajni video koji pokazuje kako to funkcionira.

Prvo, pričvrstite druge krajeve JST konektora na kliznu spojnicu. Ne želite da žice budu preduge jer postoji mogućnost da se zakače za nešto kad se daska okreće. Pričvrstio sam klizni okvir na pleksiglas iznad motora bez četkica i bušio rupe za vijke. Pazite da ne puknete pleksiglas prilikom bušenja. Za preciznije rupe možete koristiti i laserski rezač. Nakon što je spojnica pričvršćena, spojite konektore.

U ovom trenutku možete spojiti klizne žice na pinove Arduina kako biste obavili neka preliminarna ispitivanja s laserskim generatorom ploča.

Korak 7: Lemljenje elektronike

Prerezao sam prototipnu ploču kako bih povezao svu elektroniku. Budući da sam koristio napajanje od 12 V, moram koristiti dva DC-DC pretvarača: 5 V za lasere, servosisteme, potenciometar i MIDI priključak i 9 V za Arduino. Sve je povezano, kako je prikazano na dijagramu, lemljenjem ili omatanjem žice. Ploča je zatim spojena na 3D štampani dio pomoću PCD stakala.

Korak 8: Konstrukcija elektroničke kutije

Sva elektronika smještena je u drvenu kutiju. Izrezao sam 1x3 drva za stranice kutije i izrezao veliki otvor s jedne strane kako bi žice na upravljačkoj ploči mogle proći. Stranice su spojene malim drvenim blokovima, drvenim ljepilom i vijcima. Nakon što se ljepilo osušilo, obrusio sam stranice kutije kako bih izravnao sve nedostatke u kutiji. Zatim sam rezao tanko drvo za prednju, stražnju i donju stranu kutije. Dno je prikovano sa strane, a prednji i stražnji dio su zalijepljeni na kutiju. Na kraju sam izmjerio i izrezao rupe dimenzija komponenti na prednjoj ploči kutije: priključak za kabel za napajanje, USB priključak, MIDI priključak i potenciometar.

Korak 9: Instaliranje elektronike u kutiju

Priključio sam napajanje na kutiju pomoću vijaka, Arduino pomoću prilagođenog nosača i ploču napravljenu u koraku 7. Potenciometar i MIDI utičnica prvo su spojeni na ploču pomoću žice za omatanje, a zatim su zalijepljeni na prednji panel. AC utičnica je spojena na izvor napajanja, a istosmjerni izlaz napajanja je spojen na ulaze Buck pretvarača i kabele koji se spajaju na motor bez četkica. Žice motora, servo i lasera zatim se provlače kroz rupu u šperploči do kutije za elektroniku. Prije nego što sam se pozabavio ultrazvučnim senzorima, pojedinačno sam testirao komponente kako bih se uvjerio da je sve ispravno ožičeno.

U početku sam kupio utičnicu za napajanje naizmjeničnom strujom, ali sam pročitao neke prilično loše kritike o njenom topljenju pa sam imao rupe pogrešne veličine na prednjoj ploči. Stoga sam dizajnirao i 3D ispisao neke adaptere za utičnice koji odgovaraju veličini rupa koje sam izrezao.

Korak 10: Montiranje i ožičenje ultrazvučnih senzora

U ovom trenutku, laseri, servo motori, motor bez četkica i MIDI utičnica povezani su i mogu se kontrolirati pomoću Arduina. Posljednji hardverski korak je povezivanje ultrazvučnih senzora. Dizajnirao sam i 3D štampao ultrazvučni senzor. Zatim sam ožičio i ravnomjerno spojio sklopove ultrazvučnih senzora na gornji list šperploče generatora svjetlosnih ploča. Žica za omotavanje žice spuštena je do elektroničke kutije bušenjem rupa u listu šperploče. Spojio sam žičanu foliju na odgovarajuće pinove na Arduinu.

Bio sam pomalo razočaran performansama ultrazvučnog senzora. Radili su prilično dobro na udaljenostima između 1 cm - 30 cm, ali mjerenje udaljenosti je vrlo bučno izvan tog raspona. Da bih poboljšao omjer signala i šuma, pokušao sam uzeti srednju vrijednost ili prosjek nekoliko mjerenja. Međutim, signal još uvijek nije bio dovoljno pouzdan, pa sam na kraju postavio granični limit za sviranje note ili promjenu laserskog lista na 25 cm.

Korak 11: Programiranje dinamičkog laserskog vrtloga

Nakon što su ožičenje i montaža završeni, vrijeme je za programiranje uređaja sa svjetlosnim listovima! Postoji mnogo mogućnosti, ali opća je ideja uzeti ulaze ultrazvučnih senzora i poslati signale za MIDI i upravljanje laserima i servo -ovima. U svim programima rotacija daske kontrolira se okretanjem dugmeta potenciometra.

Trebat će vam dvije biblioteke: NewPing i MIDI

U privitku je cijeli Arduino kod.

Druga nagrada u Invention Challengeu 2017