Sistema de cronometraje basado en láser Arduino: 6 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Como parte de mi enseñanza, necesitaba un sistema para medir con precisión la rapidez con la que un modelo de vehículo viajaba 10 metros. Inicialmente, pensé en comprar un sistema prefabricado barato de eBay o Aliexpress, estos sistemas se conocen comúnmente como puertas de luz, puertas de fotos o similares. Sin embargo, resultó que los sistemas de temporización de puertas de luz prefabricados son bastante caros, así que decidí construir el mío propio.

El funcionamiento de un sistema de cronometraje de puerta de luz es bastante simple. Cada puerta de luz consta de un módulo láser en un lado, que proyecta un punto láser en un módulo de resistencia dependiente de la luz (LDR) en el otro lado. Al medir la salida del LDR, el sistema puede detectar cuándo se ha roto el rayo láser. Usando dos de estas puertas, el sistema inicia el temporizador cuando el primer rayo se rompe y detiene el temporizador cuando detecta que el segundo rayo se ha roto. El tiempo registrado resultante se muestra en la pantalla LCD.

Construir un sistema como este con los estudiantes es una gran introducción a la codificación, también es un recurso de clase realmente útil una vez que está terminado. Este tipo de sistema es ideal para actividades STEM y se puede usar para medir qué tan rápido recorren una distancia determinada cosas como autos con bandas elásticas, autos trampa para ratones o autos derby de madera de pino.

Descargo de responsabilidad: la solución presentada aquí está lejos de ser óptima. Soy consciente de que algunas cosas podrían ser mucho mejores o más eficientes. Este proyecto se elaboró inicialmente en un plazo muy ajustado y funcionó absolutamente bien para el propósito previsto. Tengo planes de lanzar tanto la versión 2 como la versión 3 de este sistema con mejoras, consulte el último paso del instructivo. La implementación del circuito y el código es bajo su propio riesgo.

Suministros

• Arduino R3 (o placa compatible) - £ 4.50
• Protoboard de alas de plumas de Adafruit - Una pequeña sección de cualquier tipo de protoboard también está bien - £ 1
• Protector de teclado LCD: asegúrese de que esté hecho para adaptarse a la versión del arduino que tiene - £ 5
• 2 x módulo de resistencia dependiente de la luz (LDR) - La búsqueda en eBay de "arduino LDR" debería mostrar muchas opciones - £ 2.30 cada una
• 2 x módulo láser: la búsqueda en eBay de "arduino láser" debería mostrar muchas opciones. Asegúrese de que la potencia del láser no sea superior a 5 mW. - £ 2,25 por tres
• 4 x Trípode pequeño - £ 3.50 cada uno
• Tuerca de 4x 1/4 pulgadas - Para adaptarse a una rosca de trípode estándar - £ 2
• Acrílico transparente para carcasa Arduino 3 €
• Tuercas y tornillos M3 - £ 2
• Separadores de plástico PCD: los kits de estos se pueden obtener a un precio bastante bajo en Ebay.- £ 6.80
• 4 x carcasas impresas en 3D: el costo del material fue de alrededor de £ 5.
• Cable plano - £ 5

El costo total fue de alrededor de £ 55, esto supone el acceso tanto a una cortadora láser como a una impresora 3D. La mayor parte del costo aquí es para cajas, tuercas y pernos, etc. El costo real de la electrónica es de solo £ 22, por lo que probablemente haya espacio para una gran optimización aquí.

Paso 1: Programa Adrunio

Sube el siguiente código al Arduino. Si no está familiarizado con cómo hacer esto, consulte este gran instructivo.

La lógica básica del código es la siguiente:

1. Encienda los módulos láser y compruebe que cada LDR pueda "ver" el rayo láser.
2. Espere hasta que LDR 1 detecte una interrupción en el rayo láser, inicie inmediatamente el temporizador.
3. Espere hasta que LDR 2 detecte una interrupción en el rayo láser, detenga inmediatamente el temporizador.
4. Muestra el tiempo resultante en la pantalla LCD en milisegundos.

El código solo está diseñado para medir el tiempo de una sola ejecución, una vez que se ha anotado el tiempo de la pantalla, el botón de reinicio en el escudo se usa para reiniciar el programa.

ENLACE AL CÓDIGO ARDUINO

(Para su información: el código está alojado en create.arduino.cc y me encantaría haberlo incrustado aquí, pero el editor de Instructables no permite que el iframe incrustado se muestre o funcione correctamente. Si alguien en Instructables está leyendo esto, por favor implementar esto como una característica en el futuro, gracias)

Paso 2: Cajas de impresión 3D

Los módulos láser y LDR deben mantenerse en su lugar para garantizar que no se produzcan interrupciones del haz como resultado del movimiento de los módulos. Imprima en 3D los gabinetes a continuación y atornille los módulos en su lugar, el módulo láser deberá mantenerse en su lugar con una brida, ya que no tiene orificio pasante.

Asegúrese de atrapar una tuerca de 1/4 de pulgada dentro de cada uno de los casos, esto se utilizará más adelante para permitir que estos casos se conecten a los trípodes. Las dos mitades de la caja se mantienen unidas con tuercas y pernos M3.

Paso 3: Estuche Arduino cortado con láser

Corte con láser los archivos de abajo del acrílico transparente de 4 mm de grosor. Alinee el arduino R3 y el protoboard con los orificios de las piezas acrílicas y atorníllelos en su lugar. Atornille la pieza superior de la caja a la parte inferior usando los separadores de PCD como espaciadores.

Paso 4: Cablee el circuito

El protector LCD utilizado en este proyecto se explica en detalle en este gran instructable. Sin embargo, la pantalla LCD y los botones de entrada usan algunos de los pines de E / S del arduino, por esta razón, todas las E / S de los módulos láser y los LDR usan los pines 1, 2, 12 y 13 únicamente.

Se necesita muy poco cableado, pero asegúrese de que el circuito esté conectado como se muestra en el diagrama. Agregué algunos conectores tipo JST a los cables del módulo láser y LDR para permitirme desmontar y almacenar fácilmente toda la configuración.

Sí, los pines 1 y 2 de arduino alimentan directamente los módulos láser sin resistencia en línea. Como los módulos láser seleccionados están diseñados específicamente para su uso con arduino, esto no debería ser un problema. Los módulos láser consumen una potencia máxima de 5 mW, esto significa que con el voltaje de suministro de 5 V del pin, el módulo debe consumir alrededor de 1 mA, esto está muy por debajo del límite de ~ 40 mA para el suministro de corriente en los pines de E / S de arduino.

Paso 5: ensamblar y ajustar

Finalmente, está listo para ensamblar todo.

1. Monte las carcasas de los módulos LDR y láser en los trípodes pequeños.
2. Coloque los módulos láser para que brillen directamente en el sensor LDR

En esta etapa, deberá ajustar un poco las cosas. Los módulos LDR emiten una señal digital, una señal alta (5V) que indica que no se detecta ningún rayo láser, una señal baja (0V) que indica que puede ver el rayo láser. El umbral de intensidad de la luz en el que el módulo cambia de una señal de salida de 5V a 0V (y viceversa) es controlado por un potenciómetro en la placa LDR. Deberá ajustar el potenciómetro para que el módulo cambie entre una salida de 0 V y 5 V cuando lo espera.

Ajuste gradualmente el potenciómetro hasta que el sistema funcione como se espera, o use un multímetro para medir la salida del módulo LDR y sintonice según sea necesario.

Paso 6: Operación y trabajo adicional

¡Ahora debería estar listo para usar el sistema! Las imágenes muestran las etapas de funcionamiento.

1. Presione el botón de selección para inicializar el sistema.
2. Alinee los láseres para que brillen directamente sobre el sensor LDR.
3. El sistema ahora está armado. Pon tu modelo de coche en marcha.
4. El sistema comenzará a cronometrar una vez que se interrumpa el primer rayo láser.
5. El sistema se detendrá una vez que se interrumpa el segundo rayo láser.
6. A continuación, se muestra el tiempo en milisegundos en la pantalla.
7. Presione el botón de reinicio para cronometrar otra ejecución.

Probablemente crearé una versión 2.0 de este sistema, ya que hay algunas mejoras obvias que podrían realizarse:

1. No es necesario alimentar los módulos láser del Arduino, pueden funcionar con batería y simplemente encenderse cuando sea necesario. Cuando diseñé el sistema, conectar los módulos láser al Arduino para la alimentación parecía la solución más simple, en la práctica, esto da como resultado largos tramos de cable que se interponen en el camino.
2. Las lentes de condensador son realmente necesarias en las carcasas LDR. Alinear el punto láser exactamente con el centro del sensor LDR (muy pequeño) es muy complicado y, a veces, puede llevar varios minutos, el uso de una lente de condensador le daría al usuario un objetivo mucho más grande al que apuntar con el punto láser.

Ahora también estoy pensando en una versión 3.0 que sea completamente inalámbrica y que simplemente se conecte a mi computadora portátil mediante Bluetooth, sin embargo, este es un proyecto mucho más grande para otro día.

Finalista en el concurso STEM