Arduino laserbaserat tidsystem: 6 steg (med bilder)

2025 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2025-01-23 15:10

Som en del av min undervisning behövde jag ett system för att exakt mäta hur snabbt ett fordon färdades 10 meter. Inledningsvis trodde jag att jag skulle köpa ett billigt färdigt system från eBay eller Aliexpress, dessa system är allmänt kända som ljusgrindar, fotogrindar eller liknande. Det visade sig dock att förbyggda ljusgrindtidsstyrningssystem faktiskt är ganska dyra, så jag bestämde mig för att bygga mitt eget.

Funktionen för ett ljusgrind -timing -system är ganska enkel. Varje ljusgrind består av en lasermodul på ena sidan, detta projicerar en laserpunkt på en ljusberoende motståndsmodul (LDR) på andra sidan. Genom att mäta utsignalen från LDR kan systemet detektera när laserstrålen har brutits. Genom att använda två av dessa portar startar systemet timern när den första strålen bryts och stoppar timern när den känner att den andra strålen har brutits. Den resulterande inspelade tiden visas på LCD -skärmen.

Att bygga ett sådant här system med studenter är en bra introduktion till kodning, det är också en riktigt användbar klassrumsresurs när den väl är klar. Denna typ av system är bra för STEM -aktiviteter och kan användas för att mäta hur snabbt saker som gummibandbilar, musfångarbilar eller furu -derbybilar färdas ett bestämt avstånd.

Friskrivningsklausul: Lösningen som presenteras här är långt ifrån optimal. Jag är medveten om att vissa saker kan vara mycket bättre eller mer effektiva. Detta projekt sattes ursprungligen ihop under en mycket snäv tidsfrist och fungerade alldeles utmärkt för det avsedda ändamålet. Jag har planer på att släppa både en version 2 och en version 3 av detta system med förbättringar, se det sista steget i instruktionsboken. Implementering av kretsen och koden sker på egen risk.

Tillbehör

• Arduino R3 (eller kompatibelt kort) - £ 4,50
• Adafruit fjädervinge protoboard - En liten del av alla typer av protoboard är också bra - £ 1
• LCD -knappsatsskydd - Se till att detta är anpassat för den version av arduino du har - £ 5
• 2 x Light Dependent Resistor (LDR) -modul - Att söka på ebay efter "arduino LDR" borde visa många alternativ - £ 2,30 styck
• 2 x lasermodul - Att söka på ebay efter "arduino laser" borde visa många alternativ. Se till att laserns effekt inte är större än 5mW. - 2,25 pund för tre
• 4 x litet stativ - £ 3,50 styck
• 4x 1/4 tum mutter - För att passa en standard stativgänga - £ 2
• Klar akryl för Arduino -fodral £ 3
• M3 muttrar och bultar - £ 2
• Plast -PCD -distans - Kits av dessa kan köpas för ganska billigt på Ebay. - £ 6,80
• 4 x 3D -tryckta höljen - Materialkostnaden var cirka £ 5.
• Bandkabel - £ 5

Total kostnad var cirka £ 55, detta förutsätter tillgång till både en laserskärare och 3D -skrivare. Det mesta av kostnaden här är för fodral, muttrar och bultar etc. den faktiska kostnaden för elektroniken är bara £ 22 så det finns nog plats för mycket optimering här.

Steg 1: Program Adrunio

Ladda upp koden nedan till Arduino. Om du inte känner till hur du gör detta, kolla in den här bra instruerbara.

Kodens grundlogik är följande:

1. Slå på lasermoduler och kontrollera att varje LDR kan "se" laserstrålen.
2. Vänta tills LDR 1 upptäcker ett avbrott i laserstrålen, starta omedelbart timern.
3. Vänta tills LDR 2 upptäcker ett avbrott i laserstrålen, stoppa omedelbart timern.
4. Visa den resulterande tiden på LCD -skärmen i millisekunder.

Koden är endast utformad för att ta en enda körning, när tiden från skärmen har noterats används återställningsknappen på skärmen för att starta om programmet.

LÄNK TILL ARDUINO -KOD

(FYI: Koden finns på create.arduino.cc och jag skulle gärna vilja bädda in koden här, men Instructables -redigeraren tillåter inte att den inbäddade iframe visas eller fungerar korrekt. Om någon på Instructables läser detta, snälla implementera detta som en funktion i framtiden, tack)

Steg 2: 3D -utskriftslådor

Laser- och LDR -modulerna måste hållas på plats för att säkerställa att inga strålbrytningar uppstår till följd av att modulerna rör sig. 3D -skriv ut höljena nedan och skruva fast modulerna, lasermodulen måste hållas på plats med en dragkedja eftersom den inte har något bulthål.

Var noga med att fälla en 1/4 tum mutter inuti var och en av fallen, detta kommer att användas senare för att låta dessa fodral ansluta till stativ. Skåpets två halvor hålls ihop med M3 -muttrar och bultar.

Steg 3: Laser Cut Arduino -fodral

Laserskär filerna nedan från den 4 mm tjocka klara akrylen. Ställ arduino R3 och protoboard med hålen på akrylbitarna och skruva fast dem. Skruva fast den övre delen av fodralet med botten med PCD -distanserna som distanser.

Steg 4: Anslut kretsen

LCD -skärmen som används i detta projekt förklaras i detalj i denna stora instruerbara. LCD -skärmen och inmatningsknapparna använder några av arduino -I/O -stiften, men därför är det bara I/O för lasermodulerna och LDR: s som endast använder stift 1, 2, 12 och 13.

Mycket lite ledningar behövs, men se till att kretsen är ansluten enligt diagrammet. Jag lade till några kontakter av JST -typ till laser- och LDR -modultrådarna så att jag enkelt kan ta isär och lagra hela installationen.

Ja, arduino-stift 1 och 2 driver lasermodulerna direkt utan in-line motstånd. Eftersom de valda lasermodulerna är utformade specifikt för användning med arduino bör detta dock inte vara ett problem. Lasermodulerna drar en maximal effekt på 5mW, det betyder att vid stiftets 5V matningsspänning ska modulen dra runt 1mA, detta är långt under ~ 40mA -gränsen för strömförsörjning på arduino I/O -stift.

Steg 5: Montera och ställ in

Slutligen är du redo att montera allt.

1. Montera LDR- och lasermodulfodralen på de små stativ.
2. Placera lasermodulerna så att de lyser direkt mot LDR -sensorn

I det här skedet måste du finjustera saker lite. LDR -modulerna matar ut en digital signal, en hög signal (5V) som indikerar att ingen laserstråle detekteras, ett lågtecken (0V) som indikerar att den kan se laserstrålen. Ljusintensitetströskeln vid vilken modulen växlar från en 5V till en 0V utsignal (och vice versa) styrs av en potentiometer på LDR -kortet. Du måste justera potentialmätaren så att modulen växlar mellan en 0V och 5V utgång när du förväntar dig det.

Antingen justerar du gradvis potentiometern tills systemet fungerar som förväntat, eller använd en multimeter för att mäta LDR -modulens utgång och ställ in efter behov.

Steg 6: Drift och vidare arbete

Du bör nu vara redo att använda systemet! Bilderna visar driftstegen.

1. Tryck på väljarknappen för att initiera systemet.
2. Rikta in lasrarna så att de lyser direkt på LDR -sensorn.
3. Systemet är nu beväpnat. Sätt igång din modellbil.
4. Systemet kommer att börja tajma när den första laserstrålen bryts.
5. Systemet stannar när den andra laserstrålen bryts.
6. Tiden i millisekunder visas sedan på skärmen.
7. Tryck på återställningsknappen för att göra en ny körning.

Jag kommer förmodligen att skapa en version 2.0 av detta system eftersom det finns några uppenbara förbättringar som kan göras:

1. Det finns ingen anledning att driva lasermodulerna från Arduino, de kan vara batteridrivna och helt enkelt slås på vid behov. När jag konstruerade systemet verkade kabeldragning av lasermodulerna till Arduino för ström vara den enklaste lösningen, i praktiken resulterar detta i långa kabeldragningar som kommer i vägen.
2. Kondensorlinser behövs verkligen på LDR -husen. Att rada upp laserpunkten exakt med mitten av den (mycket små) LDR -sensorn är mycket knepigt och kan ibland ta flera minuter. Att använda en kondensorlins skulle ge användaren ett mycket större mål att sikta på med laserpunkten.

Jag tänker nu även på en version 3.0 som är helt trådlös och bara ansluter till min bärbara dator med Bluetooth, detta är dock ett mycket större projekt för en annan dag.

Tvåa i STEM -tävlingen