CheminElectrique (Igra vještina) - SRO2002: 9 koraka

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

Danas vam predstavljam izradu igre koju sam napravio za zabavu na kraju školske godine za svog sina. U Francuskoj ove festivale nazivamo "kermesima", ne znam postoje li u drugim zemljama i kako se zovu …

Na tim zabavama često postoje iste igre, to bih ja nazvao klasičnim igrama, a ove godine sam odlučio napraviti moderniju verziju jedne od ovih klasičnih igara: "Chemin electrique" ili "Main chaude".

Cilj igre je vrlo jednostavan, postoji žica kroz koju prolazi električna struja, a zatim imate "joystick" sastavljen od metalnog kruga na njegovom kraju koji prolazi oko električne žice, a cilj igre je prijeći žicu s jednog kraja na drugi bez dodirivanja, u suprotnom će se ugasiti lampica upozorenja i/ili zvuk, a vi ste izgubili.

Tradicionalno ne postoji nikakva elektronika za stvaranje ove igre, dovoljna je jednostavna baterija od 12 V sa žaruljom i malo električne žice, ali ja sam imao neke cool ideje kako igru učiniti modernijom.

Pa da vidimo šta sam dodao kao funkcionalnost!

Korak 1: Karakteristike

Kao što sam upravo rekao, ova igra jednostavno pali svjetlo kada igrač nenamjerno dodirne žicu "joystickom", također se često događa da igra proizvodi zvuk tokom kontakta. U mojoj verziji igre bit će ukupno 6 blokova od 4 LED diode (zeleno-žuto-žuto-crveno) koje će zasvijetliti istovremeno, zujalica koja će proizvesti zvuk i također vibrator integriran u kontroler koji će aktivirati kada postoji kontakt između električne žice i "joysticka".

LED diode će postupno svijetliti od zelene do crvene ovisno o tome koliko dugo traje kontakt između žice i kontrolera.

Dodao sam i izbor nivoa težine (lako-normalno-teško), kao i mogućnost uključivanja/isključivanja vibracije i zvuka. Jačina zvuka će se takođe podesiti potenciometrom.

Izbor težine je zapravo jednostavno manje ili više dugo kašnjenje između trenutka kada postoji kontakt između žice i džojstika i trenutka kada igra počne svijetliti/zvoniti/vibrirati. Programiranjem sam postavio unaprijed definirana vremena, na primjer u jednostavnom načinu rada igra čeka 1 sekundu prije pokretanja upozorenja, dok će se u teškom načinu rada upozorenja odmah pokrenuti.

Dizajnirao sam igru tako da se lako demontira, pouzdana i prije svega da ne predstavlja nikakvu opasnost za djecu koja će je koristiti. Zaista, budući da električnu žicu prelazi struja i da je ogoljena, morao sam se pobrinuti da ne predstavlja nikakvu opasnost za korisnike igre.

Korak 2: Odricanje odgovornosti i dodatne informacije

Odricanje odgovornosti:

Igra će se napajati sa 4 baterije od 1,5V, ukupnog napona od 6V, također ograničavam struju koja prelazi preko žice na samo nekoliko mikroampera. Stoga se nalazimo u području vrlo niskog sigurnosnog napona (SELV) s izuzetno niskom vrijednošću struje dostupne korisniku.

No, dobro napominjem da nijedna vrijednost električne struje nije bezopasna, slaba struja u nekim slučajevima može biti opasna za osobu koja je naelektrizirana. Dosta sam istraživao o tome tijekom stvaranja ovog projekta, pa iako nema znanstvenog konsenzusa o graničnoj vrijednosti prije koje struja nema utjecaja na ljudsko tijelo, struja nekog mikroampera koja prelazi električni kabel ima vrlo malo šansa da povrijedite osobu.

Ali pažnja neću moći biti odgovorna u slučaju nesreće! Uvijek morate biti oprezni pri rukovanju električnim vodičima pod naponom, čak i pri vrlo niskim vrijednostima struje. Toplo vam savjetujem da se informirate što je više moguće o rizicima električne energije i mjerama opreza koje morate poduzeti

Dodatne informacije:

Ovaj projekt funkcionira jako dobro i ima sve značajke koje sam želio, ali ima nekih nedostataka. Kad stvaram elektronički projekt, trudim se da je sve što je moguće optimiziranije u smislu cijene, broja komponenti, prostora, a posebno da rad cjeline bude što je moguće "logičniji".

Dok sam radio ovaj projekt i nakon što sam ga završio, mislim da sam napravio neke odluke koje nisu najbolje, ali pritislo me je vrijeme, imao sam samo 2 sedmice da sve napravim od nule (dizajn, programiranje, naručivanje komponenti, kreiranje strukturu, a posebno sastavljanje svih elemenata).

Dok prolazim kroz proizvodne korake pokazat ću ono što mislim da bi se moglo optimizirati ako moram ponovo stvoriti ovu igru. Ali ponavljam, projekt je tako funkcionalan, ali sam perfekcionist …

Takođe mi je žao što nisam snimio više fotografija različitih faza projekta, ali sam se radije maksimalno posvetio projektu kako bih ga mogao završiti na vrijeme.

Zadovoljan sam ovim projektom jer je bio veliki uspjeh na školskoj zabavi mog sina, pa da vidimo šta je u utrobi zvijeri;)

Korak 3: Obaveze

- Mora se napajati baterijom (radi sigurnosti i mobilnosti)- Igra mora biti sigurna (koristiće je djeca od 2 do 10 godina)

- Postavke moraju biti dostupne (izbor aktivacije zvuka/vibracije i izbor težine)

- Postavke moraju biti jednostavne za razumijevanje i lako dostupne (mora se pretpostaviti da osoba koja će se brinuti o igri tokom zabave ne zna ništa o elektronici/tehnici)

- Zvuk mora biti dovoljno glasan (igra će se koristiti vani u prilično bučnom okruženju).

- Sistem mora biti maksimalno uklonjiv za skladištenje i lako zamjenjive fizičke dijelove (joystick, električna žica …)

- Mora biti privlačan djeci (to je glavni cilj za koji se igraju …:))

Korak 4: Komponente (BOM)

Za kućište:- drvena daska

- slikanje

- neki alati za bušenje i rezanje….

Za "joystick":- 1 vibrator

- utičnica za kabl 3,5 (stereo)

- priključak za priključak 3.5 (stereo)

- električna žica 2,5 mm²

- mala PVC cijev

Elektronske komponente:

Registarski broj - 16F628A

- 12F675

- ULN2003A

- 2 x 2N2222A

- Zener dioda 2.7V

- 12 plavih LED dioda

- 6 zelenih LED dioda

- 6 crvenih LED dioda

- 12 žutih LED dioda

- 5 otpornika 10K

- 2 otpornika 4,7K

- 1 otpornik 470 ohma

- 6 otpornika 2.2K

- 6 otpornika 510 ohma

- 18 otpornika 180 ohma

- 1 potenciometar 1K

- 1 ON-OFF prekidač

-2 ON-OFF-ON prekidač

- 1 zujalica

- 1 DC pretvarač pojačanja

- električna žica 2,5 mm²

- 2 konektora za banane muški

- 2 ženska konektora za banane

- priključak za priključak 3.5 (stereo)

- držač za 4 baterije LR6

- neke ploče za izradu prototipa PCB -a

Elektronski alati: - Programer za ubrizgavanje koda u Microchip 16F628A i 12F675 (npr. PICkit 2) -

Savjetujem vam da koristite Microchip MPLAB IDE (besplatni softver) ako želite izmijeniti kôd, ali trebat će vam i CCS kompajler (shareware). Možete koristiti i drugi kompajler, ali će vam trebati mnogo promjena u programu.

Ali ja ću vam pružiti. HEX datoteke tako da ih možete ubrizgati izravno u mikrokontrolere.

Korak 5: Analiza funkcija

Mikrokontroler 16F628A (Func1): To je "mozak" cijelog sistema, ta komponenta otkriva položaj prekidača za postavke, koja otkriva postoji li kontakt između "joystick -a" i električne žice i koja aktivira upozorenja (svjetlo, zvuk i vibracija). Odabrao sam ovu komponentu jer imam prilično velike zalihe i jer sam navikao programirati s njom, a budući da nisam imao puno vremena za ovaj projekt, radije sam uzeo materijal koji dobro poznajem.

Sučelje za napajanje ULN2003A (Func2): Ova komponenta služi kao sučelje za napajanje između 16F628A i krugova koji troše više energije nego što mikrokontroler može dati (LED, zujalica, vibrator).

Upravljanje zujalicom (Func3):

PIC 16F628A ne može osigurati dovoljno struje za napajanje zujalice, pogotovo jer se zujalica mora napajati preko pretvarača za pojačavanje kako bi se povećala zvučna snaga.

Zaista, budući da je sklop isporučen u 6V i da je za zujalicu potrebno 12V za maksimalno funkcioniranje, koristim pretvarač za dobivanje dobrog napona. Zato koristim tranzistor kao prekidač (način komutacije) za upravljanje napajanjem zujalice. Komponenta koju sam odabrao je klasična 2N2222A koja je vrlo pogodna za ovu upotrebu.

Evo karakteristika zujalice: 12V 25mA, to znači da mu je potrebna teoretska snaga P = UI = 12 x 25mA = 0.3W

Dakle, postoji potreba za snagom od 0,3 W iz DC pojačivača pretvarača, modul za pojačavanje istosmjerne struje ima efikasnost od 95%, tako da postoji gubitak od oko 5%. Stoga je na ulazu pretvarača potrebna minimalna snaga od 0,3 W + 5% = 0,315 W.

Sada možemo zaključiti trenutni Ic koji će prelaziti tranzistor Q1:

P = U * Ic

Ic = P / U

Ic = P / Vcc-Vcesat

Ic = 0, 315 / 6-0, 3

Ic = 52mA

Sada izračunavamo osnovni otpornik koji dopušta da tranzistor bude dobro zasićen:

Ibsatmin = Ic / Betamin

Ibsatmin = 52mA / 100

Ibsatmin = 0,5mA

Ibsat = K x Ibsatmin (biram koeficijent zasićenja K = 2)

Ibsat = 2 x Ibsatmin

Ibsat = 1mA

R12 = Ur12 / Ibsat

R12 = Vcc - Vbe

R12 = (6 - 0,6) / 1mA

R12 = 5,4K

Normalizirana vrijednost (E12) za R12 = 4,7K

Kontrola vibratora (Func4):

Što se tiče zujalice, 16F628A ne može opskrbiti dovoljno struje vibratora za koju je potrebna struja od 70 mA, štoviše, mora se napajati maksimalno naponom od 3V. Stoga sam odlučio upotrijebiti zener diodu zajedno s tranzistorom za izradu regulatora napona od 2,7 V za vibrator. Rad asocijacije zener-tranzistor je jednostavan, ziner fiksira napon od 2,7 V na bazi tranzistora i tranzistor "kopira" ovaj napon i napaja ga.

Struja koja će prijeći tranzistor Q2 jednaka je Ic = 70mA

Sada izračunavamo bazni otpor koji dopušta da tranzistor bude dobro zasićen:

Ibsatmin = Ic/Betamin

Ibsatmin = 70mA / 100

Ibsatmin = 0, 7mA

Ibsat = K x Ibsatmin (biram koeficijent presasićenja K = 2) Ibsat = 2 x Ibsatmin

Ibsat = 1, 4mA

Minimalna struja u zener diodi mora za svoj rad biti najmanje Iz = 1mA, tako da možemo zaključiti struju koja prolazi kroz otpornik R13:

Ir13 = Ibsat + Iz

Ir13 = 1, 4mA + 1mA

Ir13 = 2,4mA

Kako bi se osiguralo da je struja zener diode Iz uvijek u ispravnom radnom rasponu, uzima se sigurnosna granica sa: Ir13_fiksirano = 5mA (potpuno proizvoljan izbor vrijednosti)

Sada izračunajmo vrijednost R13:

R13 = U13 / Ir13_fiksirano

R13 = VCC-Vz / Ir13_fiksirano

R13 = 6-2, 7 / 5mA

R13 = 660 ohma

Normalizirana vrijednost (E12) za R13 = 470 ohma

Mogao sam odabrati 560 ohma u seriji E12, ali nisam imao tu vrijednost pa sam uzeo prethodnu vrijednost …

Može se optimizirati

Prilikom izrade projekta nisam razmišljao o Vbe tranzistora pa sam umjesto 2,7 V za napajanje vibratora imao samo 2,7 V-0,6 V = 2,1 V. Trebao sam na primjer uzeti zener od 3,3 V, vibrator bi bio malo snažniji čak i da je rezultat sasvim zadovoljavajući, ne iskorištavam svu snagu vibratora …

LED upozorenja (Func5):

LED diode su postavljene okomito kao da su formirale mjerač: crveno

Žuta2

Žuta1

Zeleno

Kada se otkrije kontakt između "joystick -a" i električne žice, oni postupno svijetle od zelene do crvene boje.

LED diode su spojene na VCC u grupama prema njihovoj boji:

- Sve anode zelenih LED dioda povezane su zajedno

- Sve anode žute LED diode povezane su zajedno

- Sve anode žute LED diode povezane su zajedno

- Sve anode crvenih LED dioda povezane su zajedno

Mikrokontroler ih zatim aktivira uzemljenjem njihove katode preko ULN2003A.

Bilješka:

Na shemi postoji samo jedna LED dioda svake boje sa simbolom "X6" pored nje jer koristim besplatnu verziju Cadence Capture i ograničen sam maksimalnim brojem komponenti po dijagramu tako da ne mogu prikazati sve LED diode …

Upravljanje nivoom zvuka zujalice (Func6):

To je jednostavno potenciometar u seriji sa zujalicom koji omogućuje podešavanje jačine zvuka.

"Ukrasne" LED diode (Func7 - Shema/Stranica 2):

Svrha ovih LED dioda je stvoriti potjeru za ukrašavanje igre. Svijetle s lijeva na desno. Postoji ukupno 12 plavih LED dioda: 6 na početku staze koje predstavljaju startnu liniju i 6 na kraju staze koje predstavljaju ciljnu liniju

Odlučio sam se za multipleksiranje ekrana za ove LED diode jer bi za njihovu naručivanje bilo potrebno mnogo više pinova (6 pinova sa višestrukim multipleksiranjem, 12 pinova bez multipleksiranja).

Štoviše, u njihovom je tehničkom listu naznačeno da je Vf 4V stoga nisam mogao staviti 2 LED diode u seriju (VCC je 6V), a niti sam mogao staviti paralelno jer Njima je TEORIČNO potrebno 20 mA i da mikrokontroler može napajati samo 25 mA max po pinu, stoga bi 40mA bilo nemoguće.

Ukratko, nisam mogao napraviti asocijaciju LED dioda (postavljenih serijski ili paralelno) i nisam imao dovoljno pin -a na mikrokontroleru da ih svejedno pokrećem … Zato sam odlučio koristiti drugi mikrokontroler (12F675) od 8 pinova kako bih mogao Zahvaljujući ovom mikrokontroleru kontroliram aktiviranje LED dioda postavljanjem visokog logičkog nivoa (VCC) na njihove anode i koristim PIC 16F628A i ULN2003A za izvođenje multipleksiranja.

Može se optimizirati:

Shvatio sam tijekom izvođenja testova na ploči da su za istu struju I = 20mA LED diode imale veliku razliku u svjetlini prema bojama. Na primjer s 20mA plave LED diode bile su mnogo svjetlije od zelenih. Nije mi se učinilo estetskim da su neke LED diode mnogo svjetlije od drugih, pa sam serijski mijenjao otpor plavim LED diodama sve dok nisam dobio istu svjetlosnu snagu kao i zelene LED diode napajane strujom od 20 mA.

Shvatio sam da plave LED diode imaju istu svjetlinu kao i zelene sa strujom od samo 1mA! Što znači da sam to znao prije da sam mogao odlučiti staviti plave LED diode u seriju (u grupama od 2). Trebala su mi samo još 3 pina na 16F675A (koji su dostupni), pa nisam morao dodati još jedan mikrokontroler posvećen upravljanju ovim LED diodama.

Ali u to vrijeme dizajna ja to nisam znao, ponekad postoji zanemariva razlika između karakteristika tehničke dokumentacije i stvarnih karakteristika komponenti …

Ograničavanje struje (Func0):

Ovaj dio uopće nisam planirao u vrijeme projektiranja, dodao sam ga tek na samom kraju projekta, kada je sve već bilo završeno. Na početku sam jednostavno spojio VCC izravno na električnu žicu jednostavnim povlačnim otpornikom kako bih stavio ulaz mikrokontrolera koji detektira kontakt na tlo.

Ali kao što sam već rekao, proveo sam mnogo istraživanja kako bih otkrio može li struja koja teče kroz električnu žicu biti opasna ako dođe u kontakt između žice i ljudskog tijela.

Nisam pronašao precizan odgovor na ovu temu pa sam radije dodao otpor između VCC -a i električne žice kako bih smanjio struju koja prelazi žicu što je više moguće.

Zato sam htio staviti otpornik velike vrijednosti kako bih smanjio struju na najmanju moguću vrijednost, ali kako sam već završio projekt i stoga sve zavarene i ožičene različite kartice više nisam mogao ukloniti padajući otpornik od 10Kohm. Stoga sam morao izabrati vrijednost otpora kako bih dobio 2/3 VCC -a na pinu BR0 (pin 6 od 16F628A) tako da mikrokontroler detektira iako je to visoka logička razina kada postoji kontakt između joysticka i električne žice. Da sam dodao previše otpora, imao bih rizik da mikrokontroler ne bi otkrio promjenu između niskog logičkog stanja i visokog logičkog stanja.

Stoga sam odlučio dodati otpor od 4,7K kako bih dobio napon od oko 4V na pinu kada postoji kontakt između joystick -a i električne žice. Ako se tome doda otpor ljudske kože u slučaju dodira električne žice s rukom, na primjer, struja koja teče kroz tijelo bila bi manja od 1 mA.

Čak i ako osoba dodirne žicu, bit će u kontaktu samo s pozitivnim polom baterija, a ne između pozitivnog i negativnog terminala, ali kao što sam rekao u odricanju od odgovornosti UVIJEK obratite pažnju na to što radite s električnom strujom.

Napomena: Dugo sam oklijevao da dodam ovaj otpor jer je električna struja koja je moguće dostupna korisniku (preko električne žice) slaba i da se sklop napaja iz baterije sa naponom od samo 6 V i da je možda krajnje nepotrebno ograničiti struju iz baterija, ali budući da je za djecu, radije sam poduzeo što više mjera opreza.

Korak 6: Programiranje

Programi su napisani na jeziku C sa MPLAB IDE -om, a kôd je kompajliran pomoću CCS C kompajlera.

Kôd je potpuno komentiran i prilično jednostavan za razumijevanje, ali brzo ću objasniti glavne funkcije 2 koda (za 16F628A i 12F675).

Prvi program -CheminElectrique.c- (16F628A):

Upravljanje LED multipleksiranjem: Funkcija: RTCC_isr ()

Koristim timer0 mikrokontrolera da uzrokujem prelijevanje svaka 2 ms što omogućava upravljanje multipleksiranjem LED dioda.

Upravljanje otkrivanjem kontakata:

Funkcija: void main ()

Ovo je glavna petlja, program otkriva postoji li kontakt između upravljačke palice i električne žice i aktivira LED diode/zujalicu/vibrator prema vremenu kontakta.

Poteškoće u upravljanju postavkama:

Funkcija: long GetSensitivityValue ()

Ova funkcija se koristi za provjeru položaja prekidača koji omogućuje odabir težine i vraća varijablu koja predstavlja vrijeme čekanja prije aktiviranja alarma.

Upravljanje postavkama alarma:

Funkcija: int GetDeviceConfiguration ()

Ova funkcija se koristi za provjeru položaja prekidača koji odabire aktiviranje zujalice i vibratora i vraća varijablu koja predstavlja alarme koji moraju biti aktivni.

Drugi program -LedStartFinishCard.c- (12F675):

Upravljanje aktivacijom plave LED diode: Funkcija: void main ()

Ovo je glavna petlja programa, aktivira LED diode jednu za drugom s lijeva na desno (za stvaranje potjere)

U nastavku pogledajte zip datoteku MPLAB projekta:

Korak 7: Lemljenje i montaža

"Fizički" dio: Počeo sam stvaranjem kutije, pa sam izrezao drvene ploče debljine oko 5 mm za vrh i stranice i odabrao dasku debljine 2 cm kako bi dno imalo veću težinu i da se igra ne pomiče.

Sastavio sam ploče između ljepila za drvo, nisam stavio vijke ili čavle i stvarno je čvrst!

Kako bih igru učinio privlačnijom od jednostavne obojene kutije, zamolio sam svoju suprugu da izradi dekor za vrh kutije (jer sam jako loš u grafičkom dizajnu …). Zamolio sam ga da napravi zavojitu cestu (da ima vezu sa žicom …) s limenkama/panelom na rubovima zavoja kako bih mogao ugraditi LED upozorenja. Plave LED diode ukrasa bit će poput startne i završne crte. Napravila je scenografiju u stilu "Route 66", s cestom koja prelazi neku vrstu pustinje, a nakon nekoliko utisaka da bismo pronašli dobru lokaciju LED dioda bili smo prilično zadovoljni rezultatom!

Zatim sam izbušio rupe za sve konektore, prekidače i naravno LED diode.

Električna žica je uvijena kako bi stvorila cik-cak kako bi se povećala težina igre, a svaki kraj je uvijen u muški konektor za banane. Konektori će se zatim spojiti na ženske konektore za banane koji su pričvršćeni na poklopac kućišta.

Elektronski dio:

Elektronski dio sam podijelio na nekoliko malih prototipnih kartica.

Oni su:

- karticu za 16F628A

- karticu za 12F675

- 6 LED kartica upozorenja

- 4 kartice za ukrasne LED diode (startna i krajnja linija)

Popravio sam sve ove kartice ispod poklopca kutije, a držač baterije stavio sam u donji dio kutije sa zujalicom i modulom za pojačavanje istosmjerne struje.

Svi su elektronički elementi povezani omatajućim žicama, grupirao sam ih što je više moguće prema njihovom smjeru te sam ih uvio i učvrstio vrućim ljepilom kako bi bili što čistiji, a posebno da postoje nema lažnih kontakata ili žica koje se prekidaju. Zaista mi je trebalo puno vremena za pravilno rezanje/skidanje/zavarivanje/postavljanje žica!

Dio "joystick":

Za džojstik sam uzeo mali komad PVC cijevi (promjera 1,5 cm i dužine 25 cm). Zatim sam zalemio ženski konektor ovako:

- terminal spojen na žicu na kraju upravljačke palice (ContactWire na shemi)

- terminal spojen na pozitivni priključak vibratora (2A na konektoru J1A na shemi)

- terminal spojen na negativni terminal vibratora (1A na konektoru J1A na shemi)

Zatim sam integrirao žicu, vibrator i konektor utičnice unutar cijevi i učvrstio utičnicu vrućim ljepilom kako bih se uvjerio da se ništa ne pomiče pri povezivanju kabela utičnice između joystick -a i drugog dijela sistema.

Korak 8: Video zapis

Korak 9: Zaključak

Sada je projekt završen, bilo je super raditi ovaj projekt iako žalim što imam jako malo vremena za to. Omogućilo mi je da se prihvatim novog izazova;) Nadam se da će ova igra raditi još mnogo godina i da će zabaviti mnogo djece koja će slaviti kraj svoje školske godine!

Dajem arhivsku datoteku koja sadrži sve dokumente koje sam koristio/kreirao za projekat.

Ne znam da li će moj stil pisanja biti ispravan jer djelimično koristim automatski prevoditelj kako bih brže išao, a budući da ne govorim engleski maternji jezik, mislim da će neke rečenice vjerovatno biti čudne za ljude koji savršeno pišu engleski.

Ako imate bilo kakvih pitanja ili komentara o ovom projektu, slobodno me obavijestite!