Système de chronométrage basé sur le laser Arduino : 6 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Dans le cadre de mon enseignement, j'avais besoin d'un système pour mesurer avec précision à quelle vitesse un modèle réduit de véhicule parcourait 10 mètres. Au départ, je pensais acheter un système prêt à l'emploi bon marché sur eBay ou Aliexpress, ces systèmes sont communément appelés portes lumineuses, portes photo ou similaires. Il s'est avéré que les systèmes de synchronisation de portes lumineuses pré-construits sont en fait assez chers, alors j'ai décidé de construire le mien.

Le fonctionnement d'un système de synchronisation de porte légère est assez simple. Chaque porte de lumière se compose d'un module laser d'un côté, celui-ci projette un spot laser sur un module de résistance dépendant de la lumière (LDR) de l'autre côté. En mesurant la sortie du LDR, le système peut détecter quand le faisceau laser a été interrompu. En utilisant deux de ces portes, le système démarre la minuterie lorsque le premier faisceau est interrompu et arrête la minuterie lorsqu'il détecte que le deuxième faisceau a été interrompu. Le temps enregistré résultant est affiché sur l'écran LCD.

Construire un système comme celui-ci avec les étudiants est une excellente introduction au codage, c'est aussi une ressource de classe vraiment utile une fois qu'il est terminé. Ce type de système est idéal pour les activités STEM et peut être utilisé pour mesurer la vitesse à laquelle des choses comme les voitures à élastiques, les voitures piège à souris ou les voitures derby en pin parcourent une distance définie.

Avertissement: La solution présentée ici est loin d'être optimale. Je suis conscient que certaines choses pourraient être bien meilleures ou plus efficaces. Ce projet a été initialement mis en place dans un délai très serré et a parfaitement fonctionné pour l'objectif prévu. J'ai l'intention de publier à la fois une version 2 et une version 3 de ce système avec des améliorations, veuillez consulter la dernière étape de l'instructable. La mise en œuvre du circuit et du code est à vos risques et périls.

Fournitures

• Arduino R3 (ou carte compatible) - 4,50 £
• Adafruit plume aile protoboard - Une petite section de tout type de protoboard est également bien - £ 1
• Écran de clavier LCD - Assurez-vous qu'il est conçu pour s'adapter à la version de l'arduino que vous avez - 5 £
• 2 x module de résistance dépendante de la lumière (LDR) - La recherche sur ebay pour "arduino LDR" devrait afficher de nombreuses options - 2,30 £ chacune
• 2 x module laser - La recherche sur ebay de "laser arduino" devrait afficher de nombreuses options. Assurez-vous que la puissance du laser n'est pas supérieure à 5 mW. - 2,25 £ pour trois
• 4 x petit trépied - 3,50 £ chacun
• 4x écrou 1/4 pouce - Pour s'adapter à un filetage de trépied standard - 2 £
• Acrylique transparent pour boîtier Arduino 5 €
• Écrous et boulons M3 - 2 £
• Entretoises PCD en plastique - Des kits de ceux-ci peuvent être achetés à un prix assez bas sur Ebay. - 6,80 £
• 4 boîtiers imprimés en 3D - Le coût du matériel était d'environ 5 £.
• Câble ruban - 5 £

Le coût total était d'environ 55 £, cela suppose l'accès à la fois à une découpeuse laser et à une imprimante 3D. La plupart des coûts ici concernent les boîtiers, les écrous et les boulons, etc. Le coût réel de l'électronique n'est que de 22 £, il y a donc probablement de la place pour beaucoup d'optimisation ici.

Étape 1: Programmer Adrunio

Téléchargez le code ci-dessous sur l'Arduino. Si vous ne savez pas comment procéder, consultez cette excellente instructable.

La logique de base du code est la suivante:

1. Allumez les modules laser et vérifiez que chaque LDR peut « voir » le faisceau laser.
2. Attendez que le LDR 1 détecte une interruption du faisceau laser, démarrez immédiatement la minuterie.
3. Attendez que LDR 2 détecte une interruption du faisceau laser, arrêtez immédiatement le chronomètre.
4. Affiche le temps résultant sur l'écran LCD en millisecondes.

Le code n'est conçu que pour chronométrer une seule exécution, une fois que l'heure de l'écran a été notée, le bouton de réinitialisation sur le bouclier est utilisé pour redémarrer le programme.

LIEN VERS LE CODE ARDUINO

(Pour info: le code est hébergé sur create.arduino.cc et j'aimerais avoir intégré le code ici, mais l'éditeur Instructables ne permet pas à l'iframe intégré de s'afficher ou de fonctionner correctement. Si quelqu'un chez Instructables lit ceci, veuillez implémenter cela comme une fonctionnalité à l'avenir, merci)

Étape 2: boîtiers d'impression 3D

Les modules laser et LDR doivent être maintenus en place pour garantir qu'aucune rupture de faisceau ne se produise en raison du déplacement des modules. Imprimez en 3D les boîtiers ci-dessous et boulonnez les modules en place, le module laser devra être maintenu en place avec une attache zippée car il n'a pas de trou de boulon traversant.

Assurez-vous de piéger un écrou de 1/4 pouce à l'intérieur de chacun des boîtiers, il sera utilisé plus tard pour permettre à ces boîtiers de se connecter aux trépieds. Les deux moitiés du boîtier sont maintenues ensemble par des écrous et boulons M3.

Étape 3: boîtier Arduino découpé au laser

Découpez au laser les fichiers ci-dessous dans l'acrylique transparent de 4 mm d'épaisseur. Alignez l'arduino R3 et le protoboard avec les trous sur les pièces en acrylique et boulonnez-les en place. Boulonnez la partie supérieure du boîtier vers le bas en utilisant les entretoises PCD comme entretoises.

Étape 4: câbler le circuit

Le bouclier LCD utilisé dans ce projet est expliqué en détail dans ce grand instructable. L'écran LCD et les boutons d'entrée utilisent cependant certaines des broches d'E/S de l'arduino, pour cette raison, toutes les E/S des modules laser et des LDR utilisent uniquement les broches 1, 2, 12 et 13.

Très peu de câblage est nécessaire, mais assurez-vous que le circuit est connecté comme indiqué sur le schéma. J'ai ajouté des connecteurs de type JST aux fils du module laser et LDR pour me permettre de démonter et de stocker facilement l'ensemble de la configuration.

Oui, les broches 1 et 2 de l'arduino alimentent directement les modules laser sans résistance en ligne. Comme les modules laser sélectionnés sont conçus spécifiquement pour être utilisés avec arduino, cela ne devrait cependant pas être un problème. Les modules laser consomment une puissance maximale de 5 mW, cela signifie qu'à la tension d'alimentation de 5 V de la broche, le module devrait consommer environ 1 mA, ce qui est bien en dessous de la limite de ~ 40 mA pour l'alimentation en courant sur les broches d'E/S arduino.

Étape 5: Assembler et régler

Enfin, vous êtes prêt à tout assembler.

1. Montez les boîtiers des modules LDR et Laser sur les petits trépieds.
2. Positionnez les modules laser pour briller directement sur le capteur LDR

À ce stade, vous devrez affiner un peu les choses. Les modules LDR émettent un signal numérique, un signal haut (5V) indiquant qu'aucun faisceau laser n'est détecté, un signe bas (0V) indiquant qu'il peut voir le faisceau laser. Le seuil d'intensité lumineuse auquel le module passe d'un signal de sortie 5V à 0V (et vice versa) est contrôlé par un potentiomètre sur la carte LDR. Vous devrez ajuster le potentiomètre pour que le module bascule entre une sortie 0V et 5V lorsque vous vous y attendez.

Ajustez progressivement le potentiomètre jusqu'à ce que le système fonctionne comme prévu, ou utilisez un multimètre pour mesurer la sortie du module LDR et régler selon les besoins.

Étape 6: Opération et travaux ultérieurs

Vous devriez maintenant être prêt à utiliser le système ! Les images montrent les étapes de l'opération.

1. Appuyez sur le bouton de sélection pour initialiser le système.
2. Alignez les lasers pour qu'ils brillent directement sur le capteur LDR.
3. Le système est maintenant armé. Réglez votre modèle de voiture en marche.
4. Le système commencera à chronométrer une fois que le premier faisceau laser sera interrompu.
5. Le système s'arrêtera une fois le deuxième faisceau laser interrompu.
6. Le temps en millisecondes est alors affiché à l'écran.
7. Appuyez sur le bouton de réinitialisation pour programmer une autre course.

Je vais probablement créer une version 2.0 de ce système car il y a des améliorations évidentes qui pourraient être apportées:

1. Il n'est pas nécessaire d'alimenter les modules laser à partir de l'Arduino, ils peuvent être alimentés par batterie et simplement allumés en cas de besoin. Lorsque j'ai conçu le système, le câblage des modules laser à l'Arduino pour l'alimentation semblait être la solution la plus simple, en pratique, cela entraîne de longs câbles qui gênent.
2. Les lentilles de condenseur sont vraiment nécessaires sur les boîtiers LDR. Aligner le point laser exactement avec le centre du (très petit) capteur LDR est très délicat et peut parfois prendre plusieurs minutes, l'utilisation d'un objectif à condensateur donnerait à l'utilisateur une cible beaucoup plus grande à viser avec le point laser.

Je pense aussi maintenant à une version 3.0 entièrement sans fil et se connectant simplement à mon ordinateur portable via Bluetooth, c'est un projet beaucoup plus important pour un autre jour, cependant.

Finaliste du concours STEM