Arduino uchun DIY lazerli boshqaruv moduli: 14 qadam (rasmlar bilan)

2024 Muallif: John Day | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2024-01-30 13:27

Ushbu yo'riqnomada men eBay-dan 3D bosilgan qismlar va arzon komponentlardan foydalangan holda ikkita o'qli, bir oynali lazerli nurli boshqaruv modulining qurilishini namoyish etaman.

Bu loyiha Full XY Control bilan Arduino Laser Show va Real Galvos bilan Arduino lazer ko'rgazmasiga o'xshashliklarga ega, lekin men ishonamanki, arzon bosimli solenoidli 3D bosma dizayndan birinchi bo'lib foydalangan. Dizaynni yaxshilash va takomillashtirish uchun men barcha dizayn fayllarini GPLv3 ostiga qo'yaman.

Garchi hozirda men faqat modulni yig'ib, juda oddiy test kodini yozgan bo'lsam -da, umid qilamanki, bir kun kelib men Arduino -dan oldingi "Instructable, Super Fast Analog Voltages" ning vektorli grafik kodini qo'shib, uni keyingi bosqichga ko'taraman.

1-qadam: 3D bo'lmagan bosilgan qismlarni yig'ing

Lazer qurilmasi quyidagi qismlardan iborat.

• 4 ta mikro solenoid
• 1/2 dyuymli bitta oyna
• M3 to'rtta vint

Men ishlatgan solenoidlar eBay -da har biri 1,45 dollarga sotib olingan. Dumaloq oyna HobbyLobby hunarmandchilik yo'lakchasida topilgan - 25 dona to'plami menga 3 dollardan kam bo'lgan. Bundan tashqari, eBay -da oynalarni topishingiz mumkin.

Sizga yana arzon eBay -dan lazer ko'rsatgichi kerak bo'ladi. Binafsha rangli lazer va qorong'i vinil varaq bu loyihaning ajoyib kombinatsiyasi!

Yordam qo'llari to'plami kerak emas, lekin lazer ko'rsatkichini ushlab turish va joylashtirish uchun juda foydali bo'ladi. Quvvat tugmachasini ushlab turish uchun katta bog'lovchi qisqichdan foydalanish mumkin.

Sizga Arduino (men Arduino Nano ishlatganman) va solenoidlarni haydash usuli kerak bo'ladi. VajkF izohlarda aytganidek, siz L298 yoki L9110 asosidagi H-ko'prigi kabi oldindan tayyorlangan ko'prikdan foydalanishingiz mumkin. Ularni eBay -da bir necha dollarga sotib olish mumkin, shuningdek, dvigatellar va robototexnika loyihalarida ham foydalanish mumkin.

Menda H-ko'prigi bo'lmaganligi sababli, men o'z haydovchimni diskret komponentlardan qurdim:

• To'rtta NPN bipolyar tranzistor (men MPS3704 dan foydalanganman)
• To'rt rezistor (men 1,2k ohmli rezistordan foydalanganman)
• To'rt diod (men 1N4004 dan foydalanganman)
• 9V batareya va batareya ulagichi

Elektron komponentlar mening laboratoriyamdan olingan, shuning uchun ular uchun menda aniq narx yo'q, lekin agar sizda ehtiyot qismlar mavjud bo'lmasa yoki ularni tozalab tashlamasangiz, oldindan qurilgan H-ko'prigidan foydalanish ancha tejamli bo'ladi. Shunday bo'lsa -da, men o'z uyimni qurish sxemasini beraman.

2 -qadam: Oynani boshqarish modulini 3D chop etish

Lazerli Rulda moduli 3D bosilgan ikkita qismdan iborat: to'rtta solenoidni o'rnatish uchun taglik va ko'zgu uchun bo'g'inli platforma.

Men sizga ikkita STL faylini 3D chop etishga, shuningdek dizaynni o'zgartirish zarur bo'lsa, FreeCAD fayllarini biriktirdim. Barcha kontent GPLv3 ostida, shuning uchun siz yaxshilanishlarni qilishingiz va baham ko'rishingiz mumkin!

3 -qadam: Lazer modulini yig'ing

• Pastki qismga to'rtta solenoidni yopishtirish uchun issiq elimdan foydalaning.
• Yuqori oynaning o'rtasiga oynani yopish uchun issiq elimdan foydalaning.
• Metall pistonlarni solenoidlarga joylashtiring, so'ngra ustki qismni ustunlarga joylashtiring (lekin burama). Yuqori qismini ozgina aylantiring va kichik tornavida yordamida har bir pistonni joyiga ko'taring. Diskning labi piston ustidagi yivga siljishi kerak. Ehtiyot bo'ling, chunki 3D bosilgan menteşalar juda nozik. Sabr -toqat va, ehtimol, bir nechta muvaffaqiyatsiz urinishlar bilan, siz to'rtta pistonni menteşalarga burmasdan yoki bosim o'tkazmasdan joylashtirishingiz kerak.
• Barcha pistonlar joylashtirilgandan so'ng, M3 vintlarini qisman joylashtiring, lekin ularni burishdan oldin, har bir pistonni sekin pastga tushiring va ko'zgu erkin burilganligiga ishonch hosil qiling. Agar u erkin harakat qilmasa yoki ushlamasa, yuqori plastinkani olib tashlash, bir yoki bir nechta solenoidni bo'shatish va uni engil tashqi burchak bilan mahkamlash kerak bo'lishi mumkin (bu bilan markaziy ustun orasidagi bo'shliqlarni qo'yish yordam berishi mumkin)..

4 -qadam: Lazer ko'rsatgich yoqasini chop eting

Lazer ko'rsatkich yoqasi lazer ko'rsatgichining boshiga to'g'ri keladi. Yoqani ushlash uchun siz yordamchi qo'llar to'plamidan foydalanishingiz va lazerni skameykaga aniq joylashtirishingiz mumkin.

5 -qadam: haydash sxemasini yig'ing

Chalg'igan davri sxemada ko'rsatilgan. Yuqorida aytib o'tilganidek, mening versiyam diskret komponentlardan qurilgan, lekin siz H-ko'prigidan ham foydalanishingiz mumkin. Agar siz o'zingiz qurishni tanlasangiz, siz to'rtta solenoid uchun bittadan nusxa ko'chirishingiz kerak bo'ladi.

Har bir elektron Arduino piniga ulanadi, ikkitasi chap va o'ng solenoidni boshqarish uchun, ikkitasi yuqoriga va pastga solenoidlar uchun. Ularni PWM mos keladigan pinlarga ulash lozim, masalan:

• 9 -pin: yuqoriga solenoid
• 3 -pin: pastga solenoid
• 11 -pin: chap solenoid
• 10 -pin: o'ng solenoid

To'rtta elektromagnit drayverni boshqarish uchun bitta 9V batareyadan foydalanish mumkin yoki siz stol usti quvvat manbaidan foydalanishingiz mumkin. Arduino USB quvvatini o'chiradi va 9V batareyaning ijobiy tomoniga ulanmasligi kerak. Biroq, batareyaning salbiy tomoni erga ma'lumot sifatida ishlatiladi va Arduino-dagi GND piniga, shuningdek tranzistorlardagi emitent pinlariga ulanishi kerak.

6 -qadam: Namuna kodini yuklang

Namuna kodi quyidagi xususiyatlar bilan yangilandi:

• PWM chastotasini shunday sozlashi mumkinki, mexanizm past tezlikda deyarli jim turadi. Motion Test 1 -dagi shovqin butunlay yo'qoldi!
• Solenoidlarning chiziqli bo'lmagan ta'sirini "chiziqli" qilish uchun Schimpf qog'oziga asoslangan kuchlanish tenglamalari qo'shiladi.

Men bu blogdagi kodga asoslangan Lorenz Attractor dasturini ham kiritdim.

Natijalarning ishonchliligi juda ko'p narsani qoldiradi, lekin men hali ham bu ustida ishlayapman!:)

Keyingi qadamlar kodda ishlatiladigan ba'zi texnikalarni ko'rsatadi.

7 -qadam: Ovozni o'chirish

Mening Motion Test 1 -da, siz baland ovozda, ayniqsa yuqoriga va pastga harakat paytida eshitishingiz mumkin. Ma'lum bo'lishicha, bunga Arduino -ning PWM -ni standart kesish chastotasi eshitiladigan diapazonda bo'lgani sabab bo'lgan. G'altakning kuchlanishini tezda yoqish va o'chirish ularni shu chastotada tebranishiga olib keladi, bu esa ularni kichkina karnaylarga aylantiradi.

Ushbu muammoni hal qilish uchun kodda PWM chastotasini oshirdim:

#define PWM_FREQ_31372Hz 0x01 // PWM chastotasini 31372,55 Gts ga belgilaydi #PWM_FREQ_3921Hz 0x02 ni belgilaydi // PWM chastotasini 3921,16 Hz ga belgilaydi & 0b11111000) | chastota; // Set timer1 (pin 9 va 10) chastotasi TCCR2B = (TCCR2B & 0b11111000) | chastota; // Taymer2 (3 va 11 -pinli) chastotasini o'rnatish}

Arduino PWM chastotasini sozlash - bu solenoidlarni yoki dvigatellarni tinchlantirish uchun foydali hiyla. Qaysi biri sizga eng yaxshi natija berishini bilish uchun turli xil chastota tanlovlari bilan tajriba o'tkazing. Garchi u yanada ilg'or dasturlashni o'z ichiga olsa -da, taymerlar qanday ishlashi haqida yaxshi manba bu erda.

8 -qadam: Buzilishlarni kamaytirish uchun kuchlanishni sozlash

Mening dastlabki harakat testlarim shuni ko'rsatdiki, solenoidlarning ta'sirida sezilarli buzilishlar bo'lgan. Motion Test 3 -da (chap rasm), aylana shaklidagi spiral bo'lishi kerak bo'lgan narsa, qirralari qirrali, to'rtburchaklar shaklidagi to'rga aylandi.

Bu muammoni hal qilish uchun ozgina matematika kerak edi, lekin men Internetda bu muammoni dasturiy ta'minotda yaxshi tushunishimga yordam beradigan ajoyib qog'ozni topa oldim.

Tizimni sozlash va natijada paydo bo'ladigan izlarning ko'rinishini yaxshilash uchun men bosib o'tgan jarayonda sizni nima kuzatadi!

9 -qadam: Matematika yordamida dasturiy ta'minotni takomillashtirish

Tizimni sozlash siri Sharqiy Vashington universiteti xodimi Pol X. Simpfning "Solenoid kuchlarining batafsil tushuntirishlari" nomli ajoyib qog'ozga aylandi. Xususan, 17 -tenglama menga har xil atamalar bo'yicha solenoid kuchini berdi.

Quyidagi atamalarni o'lchash oson edi:

• R - mening solenoidim qarshiligi
• l - solenoidning uzunligi
• x - Solenoiddagi pistonning siljishi
• V - solenoiddagi kuchlanish

Men bilardimki, solenoid chiqargan kuch ikki o'qli oynadagi 3D bosma buloqlar kuchini muvozanatlashi kerak edi. Buloqning kuchi Guk qonuniga bo'ysunadi, u quyidagicha ifodalangan:

F = -kx

Men k qiymatini bilmasam -da, hech bo'lmaganda, Shimpf qog'ozidan 17 -tenglamadan chiqqan kuchim Guk qonunining kuchiga teng bo'lishi kerakligini bilardim.

Alfa (a) ning qiymati juda murakkab edi. 13 va 14 -tenglamalar bu qiymatlarni solenoid (A) maydonidan, burilishlar sonidan (N) va magnit o'tkazuvchanlik qiymatlaridan (m) qanday hisoblashni ko'rsatgan bo'lsa -da, men hisoblash uchun solenoidni yirtib tashlashni xohlamadim. burilishlar soni va men solenoid yadrosi yasalgan materialni bilmasdim.

10 -qadam: Arzon komponentli tester kunni qutqaradi

Ma'lum bo'lishicha, 15 va 16 -tenglama menga kerakli narsani berdi. Menda eBay -dan 10 dollarga sotib olgan arzon M328 komponentli sinov qurilmasi bor edi. U mening solenoidim indüktansını o'lchash uchun ishlatishga muvaffaq bo'ldi va men armaturani har xil chuqurliklarga bosib, menga har xil induktsiya qiymatlarini berganligini aniqladim.

To'liq o'rnatilgan armatura bilan o'lchash menga L (0) qiymatini berdi.

Mening solenoidim uzunligi 14 mm edi, shuning uchun men armatura bilan indüktansni beshta holatda o'lchadim va bu menga L (x) uchun har xil qiymatlarni berdi:

• L (0,0) = 19,8 mH
• L (3,5) = 17,7 mH
• L (7.0) = 11.1 mH
• L (10,5) = 9,3 mH
• L (14) = 9,1 mH

Men o'zimning qiymatlarimni 15 va 16 -tenglama qiymatlari bo'yicha mr ni tanlash uchun elektron jadvaldan foydalandim va keyin yaxshi moslikni topgunimcha o'z tanlovimni o'zgartirdim. Bu grafikda ko'rsatilganidek, mr 2,9 bo'lganida sodir bo'ldi.

11 -qadam: K bahor konstantasini toping, muammoni hal qiling

Qolgan noma'lum faqat bahor doimiysi K edi. Men buni ikki o'qli solenoidlardan biriga 9V qo'llash va oynani pastga tushirish masofasini o'lchash orqali o'lchadim. Bu qiymatlar yordamida men 10,41 atrofida bo'lgan K tenglamalarini echishga muvaffaq bo'ldim.

Endi men zarba bo'ylab turli pozitsiyalarda solenoidning tortilishini hisoblash uchun kerakli qiymatlarga ega bo'ldim. Fuk (X) ni Guk qonunidan bahor kuchiga teng qilib, kerakli kuchlanish V ni hal qila olaman.

Grafikda solenoidni istalgan x holatiga o'tkazish uchun zarur bo'lgan kuchlanish ko'rsatilgan.

O'ng tomonda, kuchlanish nol va pozitsiyasi 3 mm bo'lsa, bu 3D bosilgan menteşalar to'liq bo'shashganda, solenoidning neytral dam olish nuqtasiga to'g'ri keladi. Grafikda chapga siljish armatura solenoidga 3D bosilgan menteşalarning tortilishiga to'g'ri keladi-bu dastlab ko'proq kuchlanishni talab qiladi, lekin armatura solenoidga chuqurroq kirib borishi bilan tortish kuchayadi va kerakli haydash voltaji o'chadi.

Bu munosabatlar aniq chiziqli emas, lekin Schimpf qog'ozidagi tenglamalar bilan men to'g'ri kuchlanishlarni chiqarish uchun Arduino kodimni yoza olaman, shunda nurning burilishi chiziqli bo'ladi:

float positionToVoltage (float x) {

// Menteşalar (Guk qonuni) tomonidan kerakli x ga qaytariladigan kuch. const float spring_F = -spring_K * (x - spring_X0); // Solenoidning tortish kuchi // menteşalarning tiklash kuchiga mos keladigan kuchlanish.))); }

Bu mening dastlabki harakat testimdagiga qaraganda ancha dumaloq spiralga olib keladi. Missiya amalga oshirildi!

12 -qadam: Diskret komponentlardan foydalangan holda haydovchi davri haqida savol va javoblar

Nega men solenoidni to'g'ridan -to'g'ri Arduino -ga ulay olmayman?

Gap shundaki, Arduino shikastlanmasdan qancha oqim bilan ta'minlay oladi. Bu har bir pin uchun taxminan 40 mA. Arduino 5V da ishlashini bilib, biz Ohm qonunidan foydalanib, yukning minimal minimal qarshiligini hisoblashimiz mumkin (bu holda, solenoid). 5 voltni 0,040 amperga bo'lish bizga 125 ohm beradi. Agar yuk katta qarshilikka ega bo'lsa, biz uni to'g'ridan -to'g'ri Arduino -ga ulashimiz mumkin, aks holda biz qila olmaymiz. Kichik solenoid odatda 50 ohm qarshilikka ega, shuning uchun biz uni to'g'ridan -to'g'ri Arduino -dan haydab chiqara olmaymiz. Agar shunday qilsak, u 100mA ni tortib olardi, bu juda aniq.

Nega solenoid uchun 9V, lekin Arduino uchun 5V ishlatasiz?

Arduino 5V da ishlaydi, lekin bu solenoid uchun juda oz. Transistorni ishlatish bizga elektromagnit uchun Arduino uchun ishlatilgan 5V dan mustaqil voltaj tanlash imkonini beradi.

Ushbu loyiha uchun tranzistor mos kelishini qanday bilsam bo'ladi?

Xuddi Arduino singari, asosiy talab solenoid orqali o'tadigan oqim tranzistor uchun maksimal ko'rsatkichlardan oshmasligi (xususan, kollektor oqimi). Biz elektromagnitning qarshiligini o'lchab, keyin besleme zo'riqishini bo'linib, eng yomon vaziyatni osongina hisoblashimiz mumkin. Solenoidlar uchun 9V kuchlanishli oqim va solenoid qarshiligi 50 ohm bo'lsa, eng yomon senariy bizni 180mA ga qo'yadi. MPS3704, masalan, maksimal kollektor oqimi 600 mA uchun baholanadi, bu bizga 3 ga yaqin chegarani beradi.

Arduino chiqishi va tranzistor bazasi orasidagi qarshilikning minimal qiymatini qanday aniqlash mumkin?

Arduino chiqishi bipolyar tranzistorlarning tayanch oyog'ini tokni cheklovchi rezistor orqali bog'laydi. Arduino 5V da ishlagani uchun, biz yana Ohm qonunidan foydalanib, oqimni 40mA dan past chegaralash uchun zarur bo'lgan qarshilikni hisoblashimiz mumkin. Ya'ni, kamida 125 ohm qiymatini olish uchun 5 voltni 0,04 amperga bo'ling. Rezistorlarning yuqori qiymatlari tokni kamaytiradi, shuning uchun bizga xavfsizlik chegarasini oshiradi.

Qarshilikning maksimal qiymati bormi?

Ma'lum bo'lishicha, ha. Transistorda joriy daromad deb ataladigan narsa bor. Masalan, agar daromad 100 bo'lsa, demak, agar biz bazaga 1mA qo'ygan bo'lsak, tranzistor boshqaradigan yuk orqali 100mA gacha oqadi. Agar biz poydevorga 1,8mA qo'ygan bo'lsak, yuk orqali 180mA gacha oqadi. Biz ilgari 9V da solenoid orqali 180mA oqishini hisoblagan bo'lsak, u holda 1,8mA asosiy tok "shirin joy" bo'ladi va biz solenoidimiz to'liq yoqilmaydi.

Biz bilamizki, Arduino 5V ni chiqaradi va biz 1,8mA oqim oqishini xohlaymiz, shuning uchun qarshilikni hisoblash uchun Ohm qonunidan (R = V/I) foydalanamiz (R = V/I). 5V 1,8mA ga bo'linib, 2777 ohm qarshilik beradi. Shunday qilib, biz qilgan taxminlarni hisobga olsak, biz qarshilik 125 dan 2777 gacha bo'lishi kerak deb umid qilamiz - 1000 ohmga o'xshash narsani tanlash bizga har ikki tomondan ham juda yaxshi xavfsizlik chegarasini beradi.

13 -qadam: Mavjud muammolarni tahlil qilish va mumkin bo'lgan echimlar

Hozirgi prototip potentsialni ko'rsatadi, lekin bir nechta muammolar qolmoqda:

1. X va Y o'qlari bo'ylab harakat perpendikulyar ko'rinmaydi.
2. Ko'zgu yo'nalishni o'zgartirganda sakrash bo'ladi.
3. Ruxsat juda past va zinapoyada ko'rinadigan naqshlar mavjud.
4. Yuqori harakat tezligida, lazer yo'li tebranish va jiringlash bilan buziladi.

1 -masala, bir bosma bo'ylab perpendikulyar o'qga harakatni uzatuvchi 3D bosma egiluvchan menteşalarning dizayni bilan bog'liq bo'lishi mumkin.

2 -masala, haydash pistonlari va oyna platformasi orasidagi ulanishning sustlashishi tufayli, bu oynaning siljishiga va X va Y o'qlari orasidagi o'tishda o'tishiga olib keladi. Bu to'satdan harakat qorong'i X shaklidagi bo'shliqqa olib keladi, bu erda lazerli nuqta tezroq boshqarilmaydigan harakatni amalga oshiradi.

3 -masala) Arduino PWM standarti atigi 255 darajaga ega bo'lgani uchun paydo bo'ladi va ularning ko'pchiligi kuchlanish egri chizig'i tufayli bekor qilinadi. Bu 16 bitli va 65536 noyob qiymatga ega bo'lgan taymer1 yordamida sezilarli darajada yaxshilanishi mumkin.

4 -masala) paydo bo'ladi, chunki ko'zgu va solenoidning toymas armaturasi (pistonlar) katta miqdordagi harakatlanuvchi massani tashkil qiladi.

1) va 2) masalalar mexanik konstruktsiyaga taalluqli bo'lgani uchun, metall pistonlarni olib tashlash va ularni mayda plastinkaga to'g'ridan-to'g'ri yopishtirilgan kichik nodir er magnitlari bilan almashtirish mumkin. Solenoidlar jismoniy aloqa qilmasdan magnitlarni o'ziga tortadigan yoki qaytaradigan ochiq sariq bo'ladi. Bu silliq harakatga olib keladi va silkinish ehtimolini yo'q qiladi, shu bilan birga umumiy massani kamaytiradi.

Massani kamaytirish 4 -masala uchun asosiy echimdir), lekin qolgan muammolarni to'g'ridan -to'g'ri dasturiy ta'minotda ko'zgu tezligini va sekinlashishini nazorat qilish uchun harakatni boshqarish profilini o'rnatish orqali hal qilish mumkin. Bu allaqachon 3D printer dasturida keng tarqalgan va shunga o'xshash usullar bu erda ham ishlashi mumkin. Bu erda 3D -printerlarga tegishli bo'lgan harakatni boshqarish bilan bog'liq ba'zi manbalar:

• "Harakatni boshqarish rejimlari matematikasi", Chak Levin (havola)
• "Jerk nazoratidagi harakat tushuntirilgan", (havola)

Menimcha, trapezoidal harakatni boshqarish profilini qo'shish oynani jiringlamasdan yoki tebranish artefaktisiz ancha yuqori tezlikda boshqarishga imkon beradi.

14 -qadam: Kelajakdagi ishlar va mumkin bo'lgan ilovalar

Garchi bu muammolarni hal qilish katta hajmdagi ishni talab qilsa-da, umid qilamanki, bu ochiq manbali nurli boshqaruv moduli galvanometrga asoslangan loyihalarga munosib alternativa bo'lishi mumkin:

• DJ va VJlar uchun arzon lazer ko'rsatuvlari.
• Vectrex kabi vintage arkada o'yini uchun elektr-mexanik vektorli displey.
• RepRap harakati ruhida DIY lazer boshqaruvi modulini chop eta oladigan DIY qatronli SLA 3D printer.
• Raqamli surish yoki kameralar uchun optik tasvir barqarorligi.

2017 yilgi Arduino tanlovining ikkinchi sovrini