Tacómetro de rueda de hámster: 11 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

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Hace unos tres años, los sobrinos obtuvieron su primera mascota, un hámster llamado Nugget. La curiosidad por la rutina de ejercicios de Nugget inició un proyecto que ha durado mucho tiempo que Nugget (RIP). Este Instructable describe un tacómetro óptico de rueda de ejercicio funcional. El tacómetro de rueda de hámster (HWT) muestra la velocidad más alta del hámster (RPM) y el número total de revoluciones. La familia humana de Nugget quería algo simple de instalar y usar, pero no quería más tiempo de pantalla para los niños. Dada la forma masticable de los roedores de interactuar con el mundo, pensé que la energía de la batería autónoma sería buena. El HWT funcionará durante unos 10 días con un cargo. Puede registrar hasta 120 RPM dependiendo del diámetro de la rueda.

Paso 1: Lista de piezas

Adafruit # 2771 Feather 32u4 Basic Proto (con cableado suplementario; consulte el Paso 4: Ensamblaje de componentes electrónicos)

Adafruit # 3130 Pantalla alfanumérica cuádruple FeatherWing de 0.54 - Rojo

Adafruit # 2886 Kit de cabezal para pluma - Juego de cabezal hembra de 12 y 16 pines

Interruptor deslizante SPDT compatible con placa de pruebas Adafruit # 805

Adafruit # 3898 Batería de polímero de iones de litio ideal para plumas - 3.7V 400mAh

Módulo de sensor de infrarrojos Vishay TSS4038 2.5-5.5v 38kHz

Vishay TSAL4400 Emisor de infrarrojos T-1 paquete

Resistencia, 470, 1 / 4w

Interruptor, botón pulsador, SPST, encendido momentáneo, montaje en panel de 0.25 (Jameco P / N 26623 o equivalente)

(4) tornillos de máquina de nailon de 2,5 mm con tuercas (o tornillo de máquina 4-40; consulte el Paso 6: Montaje del HWT)

Caja del tacómetro de rueda de hámster - Impreso en 3D. (Archivo público de TinkerCad)

Bisel del tacómetro de rueda de hámster - Impreso en 3D. (Archivo público de TinkerCad)

Carcasa del sensor del tacómetro de rueda de hámster - Impreso en 3D. (Archivo público de TinkerCad)

Filtro de contraste de pantalla. Hay tres opciones:

1. (54 mm x 34 mm x 3,1 mm) Policarbonato ahumado gris transparente de 1/8 "(plástico estético o equivalente).
2. Sin filtro de contraste
3. Imprima en 3D un filtro usando PLA translúcido delgado y este archivo Public TinkerCad.

Materia oscura: material adhesivo no reflectante de infrarrojos. Usé fieltro negro adhesivo de una tienda de artesanías. Creatology Peel and Stick Fieltro de poliéster negro o equivalente. Consulte también el Paso 7: Calibración: notas sobre el área oscura.

Nota: dentro de lo razonable, puede sustituir piezas. Tiendo a apoyar a Adafruit por su calidad y apoyo a la comunidad de creadores. Ah, y me encantan las almohadillas de soldadura con destellos dorados.

Paso 2: teoría de funcionamiento

El HWT utiliza luz infrarroja (IR) para contar las revoluciones de una rueda de ejercicio giratoria. La mayoría de las ruedas de ejercicio de plástico reflejan la luz IR bastante bien, demasiado bien. Incluso las ruedas de plástico que son translúcidas a la luz visible pueden reflejar suficiente IR para activar los sensores de infrarrojos. El usuario crea un área oscura en la rueda con fieltro adhesivo negro (consulte el Paso 7: Calibración - Notas sobre el área oscura). Cuando el HWT detecta una transición de reflectante a oscura, se contabiliza una revolución.

El HWT utiliza un módulo de sensor de infrarrojos Vishay y un emisor de LED de infrarrojos. En una aplicación típica, el módulo de sensor de infrarrojos Vishay TSS4038 se utiliza para la detección de presencia: hay algo allí (reflectante de infrarrojos) o algo que no está allí. Eso no es exactamente lo que está haciendo el HWT aquí. La rueda de ejercicio de plástico siempre está ahí. Estamos engañando al sensor al agregar un área oscura IR para hacer que la rueda 'desaparezca' en la luz IR. Además, el HWT utiliza el diseño del módulo de sensor de infrarrojos Vishay TSS4038 para proporcionar una distancia de funcionamiento de rango variable. Paso 3: la sección de códigos y la lista de códigos tienen más información. La premisa básica se describe en la Nota de aplicación del sensor TSSP4056 de Vishay para detección rápida de proximidad.

El Adafruit Feather tiene un microcontrolador Atmel MEGA32U4 y un área de creación de prototipos con orificio pasante.

Soldado en el área de creación de prototipos hay un LED IR Vishay TSAL4400 que crea ráfagas de señales IR de 38 kHz (bajo el control del microcontrolador 32U4).

También soldado en el área de creación de prototipos se encuentra un módulo de sensor de infrarrojos Vishay TSS4038 para aplicaciones de sensor reflectante, barrera de luz y proximidad rápida.

Este módulo de sensor de infrarrojos produce una señal si se recibe una ráfaga de luz de infrarrojos de 38 kHz durante un cierto período de tiempo.

El microcontrolador 32U4 genera una ráfaga de 38 kHz cada 32 mS. La frecuencia de 32 mS determina las RPM máximas de la rueda de ejercicio que se pueden medir. El 32U4 también monitorea el módulo del sensor de infrarrojos. Con suficiente reflexión de infrarrojos de la rueda de hámster, cada ráfaga debería hacer que el módulo del sensor de infrarrojos responda. Un área oscura de la rueda no produce una respuesta del sensor de infrarrojos que el 32U4 nota. Cuando la rueda de hámster se ha movido para que haya suficiente reflexión de infrarrojos, el código 32U4 anota el cambio y lo cuenta como una revolución de la rueda (transición de luz a oscuridad = 1 revolución).

Aproximadamente cada minuto, el 32U4 comprueba si las revoluciones en el último minuto han superado el recuento de RPM más alto anterior y actualiza esta puntuación de "mejor marca personal" si es necesario. El número de RPM en el último minuto también se suma al número total de revoluciones de la rueda.

Se utiliza un botón para mostrar el número de revoluciones (consulte la sección Paso 9: Modo normal) y se utiliza para calibrar el HWT (consulte la sección Paso 7: Modo de calibración).

Un interruptor deslizante de ENCENDIDO-APAGADO controla la alimentación del HWT y tiene una función en la calibración (consulte el Paso 7: sección Calibración).

Si se conoce el diámetro de la rueda de ejercicio, la distancia total recorrida se calcula como (Diámetro * Total de revoluciones de la rueda * π).

Paso 3: Código

Supongo que el usuario conoce el IDE de Arduino y la placa Adafruit Feather 32U4. Usé el IDE estándar de Arduino (1.8.13) con la biblioteca de bajo consumo de RocketScream. Me esforcé por comentar el código profusamente y quizás con precisión.

No he documentado peculiaridades e interacciones del Arduino IDE y el sistema Adafruit Feather 32U4. Por ejemplo, el 32U4 maneja la comunicación USB con el cargador Arduino. Hacer que la PC host ejecute el IDE de Arduino para encontrar la conexión USB Feather 32U4 puede ser problemático. Hay hilos de foros en línea que detallan problemas y soluciones.

Particularmente en la biblioteca RocketScream Low Power, las operaciones USB Feather 32U4 se ven interrumpidas. Por lo tanto, para descargar el código del IDE de Arduino al 32U4, es posible que el usuario tenga que presionar el botón de reinicio Feather 32U4 hasta que el IDE encuentre un puerto serie USB. Esto es mucho más fácil de hacer antes de ensamblar el HWT.

Paso 4: Ensamble la electrónica

1. Ensamblar Adafruit # 2771

   1. Si se desea un consumo de energía más bajo, corte la traza entre R7 y el LED rojo. Esto desactiva el LED de pluma.
   2. Instale el kit de encabezado Adafruit # 2886 en el # 2771 Feather según su tutorial. Tenga en cuenta que hay varias opciones para los estilos de encabezado. La carcasa impresa en 3D de HWT tiene el tamaño adecuado para este encabezado.

   3. Instale los componentes ópticos en el # 2771 Feather. Consulte las imágenes y el esquema.

      • Módulo de sensor de infrarrojos Vishay TSS4038
      • Emisor de infrarrojos Vishay TSAL4400
      • Resistencia, 470, 1 / 4w
      • Caja del sensor del tacómetro de rueda de hámster - Impreso en 3D. (Archivo público de TinkerCad)
2. Suelde el interruptor de botón de la pantalla al conjunto de placa de circuito impreso (PCBA) Feather 32U4 según el esquema.
3. Ensamble la pantalla alfanumérica FeatherWing de Adafruit # 3130 de 0.54 "según su tutorial.

4. Monte el conjunto de batería / interruptor de encendido según las imágenes y el esquema. Nota: los cables del interruptor cerca del interruptor deben estar libres de soldadura para que el interruptor encaje correctamente en el gabinete del HWT.

   • Batería LiPo Adafruit # 3898.
   • Interruptor deslizante Adafruit # 805 SPDT.
   • Conectar cable.

   Nota: siéntase libre de cablear como desee. Así es como armé el HWT para este Instructable. Otros prototipos tenían cables colocados de manera ligeramente diferente. Siempre que su cableado se ajuste al esquema y el sensor Vishay y la carcasa del LED sobresalgan de la parte inferior de la carcasa del HWT, está bien.

Paso 5: Piezas impresas en 3D

La carcasa del HWT consta de tres piezas impresas en 3D:

1. Caja del tacómetro de rueda de hámster - (archivo público de TinkerCad)
2. Bisel del tacómetro de rueda de hámster - (archivo público de TinkerCad)
3. Carcasa del sensor del tacómetro de rueda de hámster - (Archivo público de TinkerCad)

La carcasa HWT, el bisel de la pantalla HWT y la carcasa del sensor HWT se crearon en Tinkercad y son archivos públicos. Una persona puede descargar copias y modificarlas como desee. Estoy seguro de que el diseño se puede optimizar. Estos se imprimen en un MakerGear M2 mediante el control Simplify3D. Adafruit tiene un tutorial para un estuche impreso en 3D para Adafruit Feather. Encontré que la configuración de la impresora 3D es un buen punto de partida para mi impresora M2 MakerGear.

Si es necesario, se puede imprimir en 3D un filtro de contraste de pantalla usando PLA translúcido delgado y este archivo Public TinkerCad.

Paso 6: Ensamble el HWT

1. Conecte el conjunto de batería / interruptor a la PCBA Feather # 2771. Es mucho más fácil hacer esto ahora que cuando el Feather # 2771 está atornillado al gabinete del HWT.
2. Asiente el interruptor deslizante en su ubicación en el gabinete del HWT.
3. Enrute los cables fuera del camino mientras coloca el PCBA Feather en el gabinete.
4. La carcasa del sensor debe sobresalir por la parte posterior de la carcasa del HWT.
5. Las tuercas de 2,5 mm son difíciles de sujetar a los tornillos de 2,5 mm. Es posible que desee utilizar tornillos de máquina 4-40 como se describe en el tutorial de Adafruit.
6. Presione la pantalla PCBA # 3130 en la PCBA Feather # 2771. Esté atento a los pasadores doblados o desalineados.
7. Conecte el interruptor al bisel de la pantalla.
8. Encaje el bisel de la pantalla en la carcasa del HWT.

Paso 7: Calibración

En el modo Calibrar, la pantalla muestra continuamente la salida del sensor de infrarrojos. La calibración ayuda a verificar:

1. La rueda de hámster refleja suficiente luz IR.
2. El área oscura está absorbiendo luz IR.
3. Los ajustes de rango son correctos para la distancia a la rueda de ejercicio.

• Para ingresar al modo Calibrar:

  1. Apague el HWT con el interruptor deslizante de encendido.
  2. Mantenga presionado el botón Pantalla.
  3. Encienda el HWT con el interruptor deslizante de encendido.
  4. El HWT ingresa al modo Calibrar y muestra CAL.
  5. Suelte el botón Pantalla. El HWT ahora muestra una letra que representa la configuración del rango (L, M o S) y la lectura del sensor. Tenga en cuenta que la lectura del sensor no es la distancia real de la rueda al HWT. Es una medida de la calidad de la reflexión.

• Cómo comprobar los reflejos de infrarrojos de la rueda:

  Con una reflexión adecuada, la pantalla del sensor debería leer alrededor de 28. Si la rueda está demasiado lejos del HWT, hay una reflexión insuficiente y la pantalla del sensor se quedará en blanco. Si es así, acerque la rueda al HWT. Gire la rueda; las lecturas fluctuarán a medida que gire la rueda. Un rango de 22 a 29 es normal. La lectura del sensor no debe quedar en blanco. Siempre se mostrará la letra de rango (L, M o S).

• Cómo comprobar la respuesta del área oscura:

  Un área que absorbe IR (área oscura) hará que la lectura del sensor quede en blanco. Gire la rueda para que el área oscura se presente al HWT. La pantalla debe quedar en blanco, lo que significa que no hay reflejos. Si se muestran números, el área oscura está demasiado cerca del HWT O el material oscuro utilizado no absorbe suficiente luz IR.

  Notas sobre el área oscura

  Cualquier cosa que absorba la luz IR funcionará, p. Ej. pintura negra mate o cinta negra mate. ¡Un acabado plano o mate es importante! Un material negro brillante puede ser muy reflectante con luz infrarroja. El área oscura puede estar en la circunferencia o en el lado plano de la rueda de ejercicios. Lo que elija depende de dónde monte el HWT.

  El área oscura debe tener un tamaño suficiente para que el sensor de infrarrojos solo vea el área oscura, no el plástico reflectante adyacente. El emisor de infrarrojos proyecta un cono de luz infrarroja. El tamaño del cono es proporcional a la distancia entre el HWT y la rueda. Una proporción de uno a uno funciona. Si el HWT está a 3 pulgadas de la rueda, el área oscura debe tener de 2 a 3 pulgadas de ancho. Lo siento por las unidades imperiales.

  La imagen muestra el LED de infrarrojos TSAL4400 iluminando un objetivo desde 3 pulgadas de distancia. La imagen fue tomada con una cámara NOIR Raspberry Pi.

  Sugerencia de selección de material: Una vez que ensamblé un HWT, lo usé como medidor de reflectancia IR (eso es lo que es). Durante el desarrollo, llevé el HWT a tiendas de mascotas, ferreterías y tiendas de telas. Muchos artículos fueron "probados". Examiné ruedas de ejercicio de plástico, los materiales oscuros y los efectos sobre la distancia de los materiales. Al hacer esto, tuve una idea del rendimiento y las limitaciones del HWT. Esto me permitió ubicar correctamente la rueda de plástico en la jaula y elegir la configuración de rango correcta en el modo de calibración. Sí, más de una vez tuve que explicarle lo que estaba haciendo al desconcertado personal de la tienda.

• Cómo cambiar el rango:

  1. En el modo Calibrar, el primer carácter de la pantalla es el ajuste de rango (L, M, S):

     • (L) rango de ong = 1.5 a 5"
     • (M) rango de edio = 1,3 a 3,5"
     • (S) rango hort = 0,5 a 2 "(la S mayúscula parece un número 5)

     Nota: Estos rangos dependen de los materiales de destino y son muy aproximados.

  2. Para cambiar el rango, presione el botón Pantalla. El primer carácter de la pantalla cambiará para mostrar el nuevo rango.
  3. Para mantener este nuevo rango, presione y mantenga presionado el botón Pantalla durante 4 segundos. La pantalla mostrará Savd durante dos segundos cuando se complete la acción.

  Nota: El HWT recordará la configuración de rango después de reiniciar e incluso si la batería se agota.

• ¿Éxito? Si la rueda de ejercicio refleja (la pantalla está alrededor de 28) y el área oscura absorbe (muestra los espacios en blanco), ya está. Apague y encienda el HWT para reanudar el modo normal (consulte la sección Paso 9: Modo normal). De lo contrario, cambie la distancia entre el HWT y la rueda o cambie el rango HWT hasta que tenga éxito.

Nota: El lugar donde el HWT está instalado en la jaula y la calibración del HWT están relacionados. Es posible que no pueda colocar la rueda donde desee en la jaula porque esa ubicación de la jaula no está dentro del rango del HWT. El material de la rueda y el material de la zona oscura (fieltro negro) que ha elegido también se convierte en un factor.

Paso 8: instalación en la jaula

1. Calibre el HWT y utilice el proceso de calibración para informar dónde colocará la rueda de ejercicio y dónde está instalado el HWT en la jaula.
2. El HWT se puede atar al costado de la jaula utilizando los orificios de montaje de la carcasa del HWT. Usé ataduras de pan de alambre recubiertas de plástico. Las ataduras de alambre también funcionan.
3. Con el HWT instalado y la rueda de ejercicio colocada, verifique que la rueda de ejercicio refleje la luz IR y que el área oscura absorba IR.

4. Si es necesario, el cambio de rango se describe en la sección Calibración. El usuario puede seleccionar un rango de distancias en el HWT. Hay tres rangos superpuestos:

   • (L) rango de ong = 1.5 a 5"
   • (M) rango de edio = 1,3 a 3,5"
   • (S) rango hort = 0,5 a 2"
5. La carcasa del sensor HWT (emisor / sensor de infrarrojos) no debe quedar oculta por el cable de la jaula. Es posible que deba extender ligeramente el cable de la jaula para permitir que el ensamblaje se asome a través de los cables de la jaula.
6. Verifique que el HWT registre correctamente las revoluciones de la rueda de ejercicio (consulte el Paso 9: Modo de funcionamiento normal).

Paso 9: Modo de funcionamiento normal

1. En el modo normal, el HWT cuenta las revoluciones de la rueda de ejercicio.
2. Para ingresar al modo Normal, encienda el HWT usando el interruptor deslizante de Encendido.

3. La pantalla mostrará nu41 durante un segundo y luego mostrará el ajuste de rango durante un segundo.

   • Ra = L largo alcance
   • Ra = M rango medio
   • Ra = S corto alcance (la S mayúscula parece un número 5)
4. Durante el funcionamiento normal, un segmento de LED de la pantalla parpadeará muy brevemente cada minuto.
5. Cada minuto, el recuento de ese minuto se compara con el recuento máximo (la mejor marca personal del hámster) de los minutos anteriores. El recuento máximo se actualiza si es necesario. Cada minuto, el recuento se suma al recuento total.

6. Presione y suelte el botón Pantalla para ver el número de ruedas. La pantalla muestra lo siguiente:

   • Ahora = seguido del número de revoluciones de la rueda desde la comprobación de último minuto. Nota: este número se agregará al total después del siguiente tick de un minuto.
   • Max = seguido del mayor número de revoluciones. La mejor marca personal de Nugget desde que se apagó por última vez.
   • Tot = seguido del número total de revoluciones desde el último ciclo de encendido.

Apagando y volviendo a encender (interruptor deslizante de encendido) el HWT pondrá a cero todos los conteos. No hay forma de recuperar esos números.

El HWT debería funcionar durante unos diez días con una carga y luego la celda LiPo se apagará automáticamente. Para evitar la pérdida del recuento de la rueda de ejercicio, recargue antes del apagado automático de la celda LiPo.

Paso 10: Notas de la celda LiPo:

1. Las células LiPo almacenan mucha energía utilizando productos químicos volátiles. El hecho de que los teléfonos móviles y las computadoras portátiles no los utilicen no deben ser tratados con precaución y respeto.
2. El HWT utiliza una celda recargable de polímero de litio (LiPo) de 3,7 voltios. La parte superior de las celdas Adafruit LiPo está envuelta con un plástico ámbar. Esto cubre un circuito de seguridad de carga / descarga integral en un PCBA pequeño. Los cables de celda rojo y negro con el conector JST están soldados en realidad a la PCBA. Es una característica de seguridad muy agradable tener el circuito de monitoreo entre el LiPo y el mundo exterior.
3. El HWT perderá energía si el circuito de seguridad de carga / descarga integral de LiPo decide que la celda de LiPo es demasiado baja. ¡Se perderán los recuentos de ruedas de ejercicio!
4. Si el HWT parece "muerto", probablemente necesite una recarga celular. Conecte el HWT con un cable micro USB a una fuente de alimentación USB estándar.
5. Al cargar, se verá un LED amarillo en la carcasa de plástico del HWT.
6. El LiPo se cargará por completo en aproximadamente 4 a 5 horas.
7. El circuito de protección de la celda LiPo no permitirá que el LiPo se sobrecargue, pero desconectará el cable micro-USB cuando el LED amarillo se apague.
8. Como se describe en la documentación de Adafruit # 3898, originalmente tenía la intención de que la celda LiPo encajara entre la PCBA Feather # 2771 y la PCBA de pantalla # 3130. Descubrí que mi cableado en el área del prototipo Feather # 2771 era demasiado alto para que la celda LiPo encajara sin abollar la celda LiPo. Eso me puso nervioso. Recurrí a colocar la batería de costado junto a las PCBA.
9. A esos cables negros y leídos del circuito de seguridad de carga / descarga integral LiPo no les gusta que los flexionen. En el curso del desarrollo, he roto más de un juego de cables. Para proporcionar más alivio de tensión, diseñé e imprimí en 3D un alivio de tensión. Ese es el bloque gris en la parte superior de la celda LiPo. No es necesario, pero aquí está (archivo Public TinkerCad).

Paso 11: Historial de desarrollo:

Durante los tres años de vida del proyecto Nugget, resultaron varias versiones:

1.xPlataforma de recogida de datos y prueba de concepto.

Se caracterizó el rango de rendimiento de Nugget (RPM máximas, totales, tiempos de actividad). En su mejor momento, Nugget logró 100 RPM y pudo correr 0.3 millas por noche. Hoja de cálculo de cálculos de datos para varias ruedas adjuntas. También se adjunta un archivo con registros reales de Nugget RPM almacenados en la tarjeta SD.

• Arduino Duemilanove
• Protector del registrador de datos de la tarjeta SD Adafruit # 1141
• Pantalla LCD Adafruit # 714 + # 716
• Sensor óptico retrorreflectivo OMRON E3F2-R2C4
• Transformador de pared de CA (Omron necesitaba 12 voltios)

2.x Se exploraron los sensores y el hardware.

Estableció el microcontrolador y las pantallas:

• Adafruit # 2771 Pluma 32U4
• Adafruit # 3130 Pantalla LED de 14 segmentos Featherwing.

Este combo se eligió por su bajo consumo de energía (modos de suspensión 32U4), gestión de la batería (cargador LiPo incorporado) y costo (LED económicos y de menor potencia que LCD + retroiluminación).

• Se examinaron sensores de pares ópticos discretos y magnéticos de efecto Hall (es decir, QRD1114). El alcance siempre fue insuficiente. Abandonado.
• Adafruit # 2821 Feather HUZZAH con ESP8266 que informó a un tablero de Adafruit IO. Más tiempo frente a la pantalla no era lo que el cliente deseaba. Abandonado.

3.xSensor de trabajo:

Esta serie también investigó sensores alternativos como el uso de un motor paso a paso como codificador similar a este Instructable. Es factible, pero para una intensidad de señal baja a bajas RPM. Un poco más de trabajo convertiría esto en una solución viable, pero no es una simple modificación con el entorno de hámster existente. Abandonado.

4.1 La solución de hardware / software descrita en este Instructable.

5.x Más trabajo del sensor:

Se examinó el sensor de distancia digital Sharp GP2Y0D810Z0F con Pololu Carrier mientras seguía usando Adafruit # 2771 Feather 32U4 y Adafruit # 3130 con pantalla LED de 14 segmentos Featherwing. Funcionado bien. Hizo que el código fuera trivial. Usó más energía que la solución Vishay TSSP4038. Abandonado.

6.x ¿El futuro?

• Reemplace algunos de los salientes de montaje del gabinete HWT para Adafruit # 2771 Feather con postes de montaje.
• Reemplace el interruptor de encendido / apagado con un interruptor de botón conectado al reinicio de pluma.
• El microcontrolador ATSAMD21 Cortex M0, como el que se encuentra en el Adafruit # 2772 Feather M0 Basic Proto, tiene muchas características atractivas. Examinaría esto de cerca en otra revisión.
• Vishay tiene un nuevo módulo de sensor de infrarrojos, el TSSP94038. Tiene menores necesidades actuales y una respuesta más definida.

Finalista en el concurso de baterías