El corazón de una máquina (un microproyector láser): 8 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Este Instructable es el sucesor espiritual de un experimento anterior en el que construí un conjunto de dirección láser de espejo de doble eje a partir de solenoides y piezas impresas en 3D.

Esta vez quería ser pequeño y tuve la suerte de encontrar algunos módulos de dirección láser fabricados comercialmente en un punto de venta de excedentes científicos en línea. Mi diseño comenzó a parecerse a un Dalek, así que corrí con la idea e hice un bot inspirado en Dalek de dos pulgadas de alto que te dispara láseres.

Pero no está tratando de exterminarte, ¡solo te está enviando un poco de amor desde su corazón electromecánico!

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Paso 1: algo pequeño del estado de Texas

El corazón de la máquina es un módulo TALP1000B de Texas Instruments, que se describe como un "espejo apuntador MEMS analógico de doble eje". Este es un gran bocado, así que vamos a desglosarlo:

• Doble eje: esto significa que el dispositivo puede inclinarse en el eje horizontal y vertical.
• Analógico: la inclinación a lo largo de un eje se controla mediante un voltaje analógico, que varía de -5 a 5 voltios.
• MEMS: Esto significa Sistema Micro Eléctrico Mecánico y significa que es muy pequeño.
• Espejo señalador: en el centro del dispositivo hay un espejo sobre cardanes; el espejo se puede apuntar unos pocos grados en cada dirección, lo que le permite dirigir el láser a cualquier lugar dentro de un cono de unos pocos grados.

Un vistazo rápido a la hoja de datos muestra que se trata de una parte sofisticada. Además de cuatro bobinas de dirección, hay un emisor de luz, cuatro sensores de posición y un sensor de temperatura. Aunque no usaremos los sensores, más adelante compartiré algunas fotos hermosas de un TALP1000B dañado de cerca.

El TALP1000B está descontinuado, pero no puede encontrarlo, podría construir usted mismo un espejo de puntero láser mucho más grande usando los planes que establecí en mi Instructable anterior: los principios son exactamente los mismos, pero necesitaría construir una vida ¡Dalek de tamaño adecuado para albergarlo!

Paso 2: lista de materiales

La siguiente es la lista de materiales para este proyecto:

• One Texas Instruments TALP1000B (descontinuado)
• Un Arduino Nano
• Un controlador de motor SparkFun - TB6612FNG doble (con encabezados)
• Una placa de pruebas
• Un potenciómetro (1kOhms)
• Cuatro cables de puente de 2,54 mm a 2 mm
• Encabezados de 2,54 mm (0,1 ")
• Impresora 3D y filamento
• Puntero láser rojo

El módulo TALPB es el más difícil de encontrar. Tuve suerte y compré algunos en un punto de venta de excedentes científicos.

Aún puede encontrar un TALPB en línea a precios exorbitantes, pero no recomiendo gastar mucho dinero en ellos por las siguientes razones:

• Son ridículamente frágiles, es posible que necesite varios en caso de que se rompa algunos.
• Tienen una frecuencia de resonancia baja de 100 Hz, lo que significa que no puede conducirlos lo suficientemente rápido para espectáculos láser sin parpadeos.
• Tienen una superficie chapada en oro, lo que significa que solo refleja láseres rojos. Esto descarta el uso de láseres verdes superbrillantes o láseres violetas con pantallas que brillan en la oscuridad para la persistencia.
• Si bien estas partes tienen sensores de posición, no creo que un Arduino sea lo suficientemente rápido como para manejarlas con una especie de retroalimentación posicional.

Mi opinión es que si bien estas partes son increíblemente pequeñas y precisas, no parecen ser lo suficientemente prácticas para proyectos de hobby. ¡Preferiría ver a la comunidad crear mejores diseños de bricolaje!

Paso 3: la creación del cuerpo

Modelé el cuerpo en OpenSCAD y lo imprimí en 3D. Es un cono truncado con una abertura en la parte superior, una ranura en la parte posterior para insertar el módulo TALB1000P y un gran orificio de luz abierto en la parte delantera.

Haces brillar un láser desde arriba y se refleja en el frente. Este cuerpo impreso en 3D no solo se ve genial, sino que también es funcional. Mantiene todo alineado y alberga el módulo TALB1000P ridículamente frágil. Agregué las crestas y protuberancias para facilitar el agarre después de que se me cayó un prototipo temprano y destruí un módulo TALB1000P.

Paso 4: Las muchas formas de romper un corazón

El TALP1000B es una pieza extremadamente frágil. Una caída corta o un toque descuidado arruinará la pieza (tocarla accidentalmente es cómo destruí mi segundo módulo). ¡Es tan frágil que sospecho que incluso una mirada fuerte podría matarlo!

Si los peligros físicos no fueran suficientes, la hoja de datos detalla un peligro adicional:

Tenga cuidado de evitar los transitorios de arranque y parada al arrancar o detener el voltaje del variador sinusoidal. Si uno ajusta la potencia de la unidad de 50 Hz a un voltaje que produce una gran rotación del espejo de 50 Hz (movimiento mecánico de 4 a 5 grados), entonces el espejo funcionará durante muchos miles de horas sin problema. en un momento en que la salida de voltaje es significativa, entonces se produce un paso de voltaje que excitará la resonancia del espejo y puede resultar en ángulos de rotación bastante grandes (lo suficiente como para hacer que el espejo golpee la placa de circuito de cerámica que sirve como parada de rotación). Hay dos formas de evitar esto: a) encender o apagar solo cuando el voltaje de la unidad esté cerca de cero (como se muestra en el dibujo a continuación), b) reducir la amplitud de la unidad sinusoidal antes de encender o apagar.

Entonces, básicamente, incluso apagar la maldita energía puede arruinarlo. ¡Oh, vaya!

Paso 5: el circuito del marcapasos

El circuito de controlador que hice para él consiste en un Arduino Nano y un controlador de motor de doble canal.

Aunque los controladores de motor están hechos para motores, pueden accionar bobinas magnéticas con la misma facilidad. Cuando se conecta a una bobina magnética, las funciones de avance y retroceso del controlador hacen que la bobina se energice en las direcciones de avance o retroceso.

Las bobinas del TALP1000B requieren hasta 60 mA para funcionar. Esto supera el máximo de 40 mA que puede proporcionar Arduino, por lo que el uso de un controlador es esencial.

También agregué un potenciómetro de ajuste a mi diseño y esto me permite controlar la amplitud de la señal de salida. Esto me permite reducir los voltajes de la unidad a cero antes de apagar el circuito, para evitar las resonancias sobre las que me advirtió la hoja de datos.

Paso 6: Un controlador que no funcionará … ¡y uno que sí

Para verificar que mi circuito emitía una forma de onda suave, escribí un programa de prueba para generar una onda sinusoidal en el eje X y un coseno en el eje Y. Conecté cada salida de mi circuito de control a un LED bipolar en serie con una resistencia de 220 ohmios. Un LED bipolar es un tipo especial de LED de dos terminales que brilla un color cuando la corriente fluye en una dirección y otro color cuando la corriente fluye en la dirección opuesta.

Esta plataforma de prueba me permitió observar los cambios de color y asegurarme de que no hubiera cambios rápidos de color. De buenas a primeras, observé destellos brillantes cuando un color se desvanecía y antes de que el otro color estuviera a punto de desvanecerse.

El problema era que había estado usando un chip L9110 como controlador del motor. Este controlador tiene un pin de velocidad PWM y un pin de dirección, pero el ciclo de trabajo de la señal de control de velocidad PWM en la dirección de avance es el inverso del ciclo de trabajo en la dirección de retroceso.

Para generar cero cuando el bit de dirección es hacia adelante, necesita un ciclo de trabajo de 0% PWM; pero cuando el bit de dirección es inverso, necesita un ciclo de trabajo PWM del 100% para una salida de cero. Esto significa que para que la salida permanezca en cero durante un cambio de dirección, debe cambiar tanto la dirección como el valor de PWM a la vez; esto no puede suceder simultáneamente, por lo que no importa en qué orden lo haga, obtendrá picos de voltaje durante la transición de negativo a positivo a cero.

¡Esto explica los flashes que había visto y el circuito de prueba probablemente me salvó de haber destruido otro módulo TALB1000B!

¡Un conductor de motor SparkFun salva el día

Al descubrir que el L9110 no funcionaba, decidí evaluar el controlador de motor SparkFun - Dual TB6612FNG (que había ganado en un Instructable! Woot anterior).

En ese chip, un PWM en el pin de control de velocidad de 0% significa que las salidas se controlan al 0%, independientemente de la dirección. El TB6612FNG tiene dos pines de control de dirección que deben voltearse para invertir la dirección, pero con el pin PWM en un ciclo de trabajo de cero, es seguro hacerlo a través de un estado intermedio en el que tanto In1 como In2 son ALTOS, esto pone el conductor en un modo intermedio de "freno corto" que energiza las bobinas de cualquier manera.

Con el TB6612FNG, pude obtener una transición de polaridad suave más allá de cero sin destellos. ¡Éxito!

Paso 7: Ejecutar el boceto de Arduino y las pruebas de rendimiento

Finalista del Concurso de Óptica