Tahometru roată hamster: 11 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:41

Proiecte Tinkercad »

Acum aproximativ trei ani, nepoții au primit primul lor animal de companie, un hamster pe nume Nugget. Curiozitatea despre rutina de exerciții a lui Nugget a început un proiect care a durat mult timp Nugget (RIP). Acest instructabil prezintă un tahometru optic funcțional pentru roata de exercițiu. Tahometrul pentru roți Hamster (HWT) afișează cea mai mare viteză (RPM) a hamsterului și numărul total de rotații. Familia umană a lui Nugget dorea ceva simplu de instalat și de folosit, dar nu dorea mai mult timp de ecranare pentru copii. Având în vedere modul roșu de interacțiune cu lumea rozătorilor, am crezut că autonomia bateriei ar fi bună. HWT va rula aproximativ 10 zile la o taxă. Poate înregistra până la 120 RPM în funcție de diametrul roții.

Pasul 1: Lista pieselor

Adafruit # 2771 Feather 32u4 Basic Proto (cu cabluri suplimentare - vezi Pasul 4: Asamblați electronice)

Adafruit # 3130 0,54 Afișaj quad alfanumeric FeatherWing - roșu

Set de antet Adafruit # 2886 pentru pene - Set de antet feminin cu 12 pini și 16 pini

Adafruit # 805 Comutator glisant SPDT, potrivit pentru panouri de pană

Adafruit # 3898 Baterie litiu-ion polimer ideală pentru pene - 3,7V 400mAh

Modul senzor IR Vishay TSS4038 2,5-5,5v 38kHz

Emițător infraroșu Vishay TSAL4400 T-1 pachet

Rezistor, 470, 1 / 4w

Comutator, buton, SPST, pornit momentan, montare pe panou de 0,25 (Jameco P / N 26623 sau echivalent)

(4) Șuruburi de mașină din nailon de 2,5 mm cu piulițe (sau șurub de mașină 4-40 - vezi Pasul 6: Asamblați HWT)

Carcasă tahometru roată hamster - imprimat 3D. (Fișier public TinkerCad)

Hamster Wheel Tachometer bezel - imprimat 3D. (Fișier public TinkerCad)

Carcasă senzor tahometru roată hamster - imprimat 3D. (Fișier public TinkerCad)

Afișați filtrul de contrast. Există trei opțiuni:

1. (54 mm x 34 mm x 3,1 mm) 1/8 "policarbonat fumat gri transparent (plastic plastic sau echivalent).
2. Fără filtru de contrast
3. Imprimați 3D un filtru folosind PLA translucid subțire și acest fișier public TinkerCad.

Materie întunecată: un material care nu reflectă IR. Am folosit pâslă neagră de la un magazin de meșteșuguri. Creatology Peel and Stick Pâslă din poliester negru sau echivalent. Vezi și Pasul 7: Calibrare - Note privind zona întunecată.

Notă: Din motive, puteți înlocui piese. Am tendința de a sprijini Adafruit datorită calității lor și a sprijinului acordat comunității producătorilor. Oh și îmi plac plăcuțele de lipit aurite.

Pasul 2: Teoria funcționării

HWT folosește lumina infraroșie (IR) pentru a număra rotațiile unei roți rotative de exerciții. Majoritatea roților de exercițiu din plastic reflectă destul de bine, prea bine, lumina IR. Chiar și roțile din plastic care sunt translucide în lumina vizibilă pot reflecta IR suficient pentru a declanșa senzori IR. Utilizatorul creează o zonă întunecată pe roată folosind pâslă neagră (vezi Pasul 7: Calibrare - Note privind zona întunecată). Când o tranziție reflectantă la întunecată este detectată de HWT, se calculează o revoluție.

HWT utilizează un modul senzor IR Vishay și un emițător LED IR. Într-o aplicație tipică, modulul senzor IR Vishay TSS4038 este utilizat pentru detectarea prezenței - este ceva acolo (IR reflectant) sau ceva nu există. Nu exact asta face HWT aici. Roata de exercițiu din plastic este întotdeauna acolo. Înșelăm senzorul adăugând o zonă întunecată IR pentru a face roata să „dispară” în lumina IR. În plus, HWT folosește designul modulului senzorului IR Vishay TSS4038 pentru a oferi o distanță de funcționare cu interval variabil. Pasul 3: secțiunea de cod și listarea codurilor conțin mai multe informații. Premisa de bază este prezentată în Nota de aplicație Senzorul TSSP4056 Vishay pentru detectarea rapidă a proximității.

Adafruit Feather are un microcontroler Atmel MEGA32U4 și o zonă de prototipare prin găuri.

În zona de prototipare este lipit un LED IR Vishay TSAL4400 care creează rafale de semnale IR de 38 kHz (sub controlul microcontrolerului 32U4).

De asemenea, lipit în zona de prototipare este un modul senzor IR Vishay TSS4038 pentru senzor reflectorizant, barieră luminoasă și aplicații de proximitate rapidă.

Acest modul senzor IR produce un semnal dacă se primește o explozie de lumină IR 38kHz pentru o anumită perioadă de timp.

Microcontrolerul 32U4 generează o explozie de 38kHz la fiecare 32mS. Rata de 32mS determină RPM-ul maxim al roții de exercițiu care poate fi măsurat. 32U4 monitorizează, de asemenea, modulul senzorului IR. Cu o reflecție IR suficientă de la roata de hamster, fiecare explozie ar trebui să provoace răspunsul modulului senzorului IR. O zonă întunecată a roții nu dă niciun răspuns al senzorului IR pe care îl notează 32U4. Când roata de hamster s-a mișcat, astfel încât există o reflectare IR suficientă, codul 32U4 notează schimbarea și o calculează ca o singură rotație a roții (tranziția de la lumină la întuneric = 1 rotație).

Aproximativ în fiecare minut, 32U4 verifică dacă rotațiile din ultimul minut au depășit acel număr maxim de RPM anterioare și actualizează acest scor „cel mai bun personal”, dacă este necesar. Numărul de RPM din ultimul minut este, de asemenea, adăugat la numărul total de rotații ale roților.

Un buton este utilizat pentru a afișa numărul de rotații (vezi Pasul 9: secțiunea Mod normal) și este utilizat pentru calibrarea HWT (vezi secțiunea Pasul 7: Mod Calibrare).

Un comutator glisant ON-OFF controlează alimentarea HWT și are un rol în calibrare (vezi Pasul 7: secțiunea Calibrare).

Dacă diametrul roții de exercițiu este cunoscut, distanța totală este calculată ca (Diametru * Revoluții totale ale roții * π).

Pasul 3: Cod

Presupun că utilizatorul își știe drumul în jurul Arduino IDE și al plăcii Adafruit Feather 32U4. Am folosit standardul Arduino IDE (1.8.13) cu RocketScream Low Power Library. M-am străduit să comentez codul în profunzime și poate cu exactitate.

Nu am documentat ciudățenii și interacțiunile dintre Arduino IDE și sistemul Adafruit Feather 32U4. De exemplu, 32U4 gestionează comunicația USB cu încărcătorul Arduino. Obținerea computerului gazdă care rulează Arduino IDE pentru a găsi conexiunea USB Feather 32U4 poate fi dificilă. Există subiecte de forum on-line care detaliază problemele și remedierile.

Particular bibliotecii RocketScream Low Power, operațiunile USB Feather 32U4 sunt întrerupte. Astfel, pentru a descărca codul de pe Arduino IDE pe 32U4, utilizatorul poate fi nevoit să apese butonul de resetare Feather 32U4 până când IDE găsește un port serial USB. Acest lucru este mult mai ușor de făcut înainte de a asambla HWT.

Pasul 4: Asamblați electronice

1. Asamblați Adafruit # 2771

   1. Dacă se dorește cel mai mic consum de energie, tăiați urmele dintre R7 și LED-ul roșu. Aceasta dezactivează LED-ul Feather.
   2. Instalați setul de antet Adafruit # 2886 pe Feather # 2771 conform tutorialului lor. Rețineți că există mai multe opțiuni pentru stilurile de antet. Carcasa imprimată 3D HWT este dimensionată pentru acest antet.

   3. Instalați componentele optice pe panoul # 2771. Consultați imaginile și schema.

      • Modul senzor IR Vishay TSS4038
      • Emițător infraroșu Vishay TSAL4400
      • Rezistor, 470, 1 / 4w
      • Carcasă senzor tahometru roată hamster - imprimat 3D. (Fișier public TinkerCad)
2. Lipiți comutatorul butonului afișajului pe ansamblul plăcii de circuite imprimate Feather 32U4 (PCBA) conform schemei.
3. Asamblați ecranul Adafruit # 3130 de 0,54 "quad alfanumeric FeatherWing pentru fiecare tutorial.

4. Asamblați întrerupătorul de alimentare / ansamblul bateriei conform imaginilor și schemei. Notă: cablurile comutatorului aproape de comutator trebuie să fie lipite de lipire pentru ca comutatorul să se potrivească corect în carcasa HWT.

   • Baterie LiFo Adafruit # 3898.
   • Adafruit # 805 SPDT Slide Switch.
   • Sârmă de conectare.

   Notă: Simțiți-vă liber să conectați cum doriți. Acesta este modul în care am asamblat HWT pentru acest instructabil. Alte prototipuri aveau firele plasate ușor diferit. Atâta timp cât cablajul dvs. este conform schemei, iar senzorul Vishay și carcasa cu LED-uri aruncă partea inferioară a carcasei HWT, sunteți bine.

Pasul 5: Piese tipărite 3D

Carcasa HWT este formată din trei piese imprimate 3D:

1. Carcasă tahometru roată hamster - (fișier public TinkerCad)
2. Hamster Wheel Tachometer bezel - (fișier public TinkerCad)
3. Carcasă senzor tahometru roată hamster - (fișier public TinkerCad)

Carcasa HWT, cadrul afișajului HWT și carcasa senzorului HWT au fost create în Tinkercad și sunt fișiere publice. O persoană poate descărca copii și modifica după dorință. Sunt sigur că designul poate fi optimizat. Acestea sunt tipărite pe un MakerGear M2 utilizând controlul Simplify3D. Adafruit are un tutorial pentru o carcasă imprimată 3D pentru Adafruit Feather. Am găsit acele setări ale imprimantei 3D ca fiind un bun punct de plecare pentru imprimanta mea M2 MakerGear.

Dacă este necesar, un filtru de contrast al afișajului poate fi imprimat 3D folosind PLA translucid subțire și acest fișier public TinkerCad.

Pasul 6: Asamblați HWT

1. Conectați ansamblul baterie / întrerupător la Feather # 2771 PCBA. Este mult mai ușor să faceți acest lucru acum decât atunci când Feather # 2771 este înșurubat în incinta HWT.
2. Așezați comutatorul glisant în locația sa din incinta HWT.
3. Direcționați firele din drum în timp ce plasați Feather PCBA în incintă.
4. Carcasa senzorului trebuie să iasă în spatele carcasei HWT.
5. Piulițele de 2,5 mm sunt greu de atașat la șuruburile de 2,5 mm. Poate doriți să utilizați 4-40 șuruburi de mașină așa cum este descris în tutorialul Adafruit.
6. Apăsați afișajul PCBA # 3130 în PCBA Feather # 2771. Aveți grijă la știfturile îndoite sau nealiniate.
7. Atașați comutatorul la cadrul afișajului.
8. Introduceți cadrul afișajului în carcasa HWT.

Pasul 7: Calibrare

În modul Calibrare, afișajul arată continuu ieșirea din senzorul IR. Calibrarea ajută la verificarea:

1. Roata de hamster reflectă suficientă lumină IR.
2. Zona întunecată absoarbe lumina IR.
3. Setările de autonomie sunt corecte pentru distanța până la roata de exerciții.

• Pentru a intra în modul Calibrare:

  1. Opriți HWT cu ajutorul comutatorului glisant.
  2. Țineți apăsat butonul Afișare.
  3. Porniți HWT cu ajutorul comutatorului glisant.
  4. HWT intră în modul Calibrare și afișează CAL.
  5. Eliberați butonul Afișare. HWT afișează acum o literă care reprezintă setarea intervalului (L, M sau S) și citirea senzorului. Rețineți că citirea senzorului nu este distanța reală de la roată la HWT. Este o măsură a calității reflecției.

• Cum se verifică reflexiile IR ale roților:

  Cu o reflecție adecvată, afișajul senzorului ar trebui să citească în jurul valorii de 28. Dacă roata este prea departe de HWT, reflexia este insuficientă și afișajul senzorului va rămâne gol. Dacă da, apropiați roata de HWT. Rotiți roata; citirile vor fluctua pe măsură ce roata se rotește. Un interval de la 22 la 29 este normal. Citirea senzorului nu trebuie să fie necompletată. Litera de interval (L, M sau S) va fi afișată întotdeauna.

• Cum să verificați răspunsul zonei întunecate:

  O zonă care absoarbe IR (zona întunecată) va face ca citirea senzorului să devină necompletată. Rotiți roata astfel încât zona întunecată să fie prezentată HWT. Afișajul ar trebui să rămână necompletat, ceea ce nu înseamnă nicio reflexie. Dacă numerele sunt afișate, zona întunecată este prea aproape de HWT SAU materialul întunecat utilizat nu absoarbe suficientă lumină IR.

  Note despre zona întunecată

  Orice lucru care absoarbe lumina IR va funcționa, de ex. vopsea neagră sau bandă neagră. Un finisaj plat sau mat este important! Un material negru strălucitor ar putea fi foarte reflectant în lumina IR. Zona întunecată poate fi pe circumferință sau pe partea plană a roții de exerciții. Ceea ce alegeți depinde de locul în care montați HWT.

  Zona întunecată trebuie să aibă o dimensiune suficientă încât senzorul IR să vadă doar zona întunecată, nu plasticul reflectorizant adiacent. Emițătorul IR proiectează un con de lumină IR. Dimensiunea conului este proporțională cu distanța dintre HWT și roată. Un raport unu-la-unu funcționează. Dacă HWT este la 3 inci de roată, zona întunecată ar trebui să fie de 2-3 inci. Îmi pare rău pentru unitățile imperiale.

  Imaginea arată LED-ul TSAL4400 IR iluminând o țintă de la 3 inci distanță. Imaginea a fost făcută cu o cameră NOIR Raspberry Pi.

  Sugestie de selecție a materialului: Odată ce am asamblat un HWT, l-am folosit ca un contor de reflecție IR (asta este ceea ce este). În timpul dezvoltării, am dus HWT la magazinele de animale de companie, magazinele de hardware și magazinele de țesături. Multe articole au fost „testate”. Am examinat roțile de exerciții din plastic, materialele întunecate și efectele asupra distanței față de materiale. Făcând acest lucru am înțeles performanța și limitările HWT. Acest lucru mi-a permis să localizez corect roata din plastic în cușcă și am ales setarea corectă a gamei în modul Calibrare. Da, de mai multe ori, a trebuit să explic ce făceam personalului nedumerit al magazinului.

• Modificarea intervalului:

  1. În modul Calibrare, primul caracter afișat este setarea intervalului (L, M, S):

     • (L) domeniu = 1,5 până la 5"
     • (M) interval de ediu = 1,3 până la 3,5"
     • (S) hort range = 0,5 to 2 "(capitalul S arată ca un număr 5)

     Notă: Aceste intervale depind de materialele țintă și sunt foarte aproximative.

  2. Pentru a schimba intervalul, apăsați butonul Afișare. Primul caracter afișat se va schimba pentru a afișa noua gamă.
  3. Pentru a păstra acest nou interval, apăsați și țineți apăsat butonul Afișaj timp de 4 secunde. Afișajul va afișa Savd timp de două secunde când acțiunea este finalizată.

  Notă: HWT își va aminti setările de gamă după resetare și chiar dacă bateria se descarcă.

• Succes? Dacă roata de exerciții se reflectă (afișajul este în jur de 28) și zona întunecată absoarbe (afișează golurile), ați terminat. Porniți ciclul HWT pentru a relua modul Normal (consultați Pasul 9: secțiunea Mod normal). În caz contrar, modificați distanța dintre HWT și roată sau schimbați gama HWT până când aveți succes.

Notă: În cazul în care HWT este instalat pe cușcă și calibrarea HWT este legată. Este posibil să nu puteți pune roata acolo unde doriți în cușcă, deoarece locația coliviei nu se află în raza HWT. Materialul roții și materialul întunecat (pâslă neagră) pe care l-ați ales devin, de asemenea, un factor.

Pasul 8: Instalare pe Cage

1. Calibrați HWT și utilizați procesul de calibrare pentru a informa unde veți plasa roata de exerciții și unde este instalat HWT pe cușcă.
2. HWT poate fi legat de lateralul cuștii folosind găurile de montare ale carcasei HWT. Am folosit legături pentru pâine din sârmă acoperite cu plastic. Cravatele de sârmă funcționează și ele.
3. Cu HWT instalat și roata de exercițiu plasată, verificați ca roata de exerciții să reflecte lumina IR și zona întunecată absoarbe IR.

4. Dacă este necesar, modificarea intervalului este descrisă în secțiunea Calibrare. O gamă de distanțe poate fi selectată de utilizator în HWT. Există trei intervale de suprapunere:

   • (L) domeniu = 1,5 până la 5"
   • (M) interval de ediu = 1,3 până la 3,5"
   • (S) hort range = 0,5 până la 2"
5. Carcasa senzorului HWT (emițător / senzor IR) nu trebuie să fie acoperită de firul cuștii. Este posibil să trebuiască să întindeți ușor firul cuștii pentru a permite ansamblului să pătrundă prin firele coliviei.
6. Verificați dacă HWT înregistrează corect rotațiile roții de exerciții (consultați Pasul 9: modul de funcționare normală).

Pasul 9: Mod de operare normal

1. În modul normal, HWT numără rotațiile roții de exerciții.
2. Pentru a intra în modul normal, porniți HWT folosind comutatorul de glisare.

3. Afișajul va afișa nu41 pentru o secundă, apoi va afișa setarea intervalului pentru o secundă.

   • Ra = L raza lungă
   • Ra = M interval mediu
   • Ra = S interval scurt (capitalul S arată ca un număr 5)
4. În timpul funcționării normale, un singur segment LED afișat va clipi foarte scurt în fiecare minut.
5. În fiecare minut, numărul pentru acel minut este comparat cu numărul maxim (cel mai bun personal al hamsterului) din minutele anterioare. Numărul maxim este actualizat dacă este necesar. În fiecare minut, numărul este adăugat la un număr total.

6. Apăsați și eliberați butonul Afișaj pentru a vedea numărul de roți. Afișajul arată următoarele:

   • Acum = urmat de numărul de rotații ale roților de la verificarea ultimului minut. Notă: acest număr va fi adăugat la total după următoarea bifă de un minut.
   • Max = urmat de cel mai mare număr de rotații. Nugget este cel mai bun lucru personal de la ultima putere.
   • Tot = urmat de numărul total de rotații de la ultimul ciclu de putere.

Ciclul de alimentare (comutatorul cu glisare electrică este dezactivat) HWT va zero toate conturile. Nu există recuperarea acestor numere.

HWT ar trebui să ruleze timp de aproximativ zece zile cu o încărcare și apoi celula LiPo va face o închidere automată. Pentru a evita pierderea numărului de roți de exercițiu, reîncărcați înainte de oprirea automată a celulei LiPo.

Pasul 10: Note despre celula LiPo:

1. Celulele LiPo stochează multă energie folosind substanțe chimice volatile. Doar pentru că telefoanele mobile și laptopurile le folosesc nu trebuie tratate cu prudență și respect.
2. HWT utilizează o celulă reîncărcabilă cu litiu polimer (LiPo) 3.7v. Partea superioară a celulelor Adafruit LiPo este înfășurată cu un plastic chihlimbar. Aceasta acoperă un circuit integrat de siguranță la încărcare / descărcare pe un PCBA mic. Conductoarele de celule roșii și negre cu conectorul JST sunt de fapt lipite la PCBA. Este o caracteristică de siguranță foarte frumoasă, având circuitul de monitorizare între LiPo și lumea exterioară.
3. HWT va pierde puterea dacă circuitul de siguranță LiPo integrat de încărcare / descărcare decide că celula LiPo este prea mică. Numărul roților de exerciții se va pierde!
4. Dacă HWT pare „mort”, probabil că are nevoie de o reîncărcare a celulei. Conectați HWT utilizând un cablu micro USB la o sursă de alimentare USB standard.
5. La încărcare, un LED galben va fi vizibil în carcasa din plastic HWT.
6. LiPo va fi încărcat complet în aproximativ 4 - 5 ore.
7. Circuitul de protecție a celulei LiPo nu va permite LiPo să se supraîncărce, ci deconectați cablul micro-USB când LED-ul galben se stinge.
8. După cum este descris în documentația Adafruit # 3898, inițial intenționam ca celula LiPo să se încadreze între PCBA Feather # 2771 și PCBA cu afișaj # 3130. Am constatat că cablajul meu în zona prototipului Feather # 2771 era prea înalt pentru ca celula LiPo să se potrivească fără să mănânce celula LiPo. Asta m-a făcut să fiu nervos. Am recurs la plasarea bateriei pe o parte lângă PCBA.
9. Acelor fire citite și negre ale circuitului de siguranță integrat LiPo de încărcare / descărcare nu le place să fie flexate. În cursul dezvoltării am rupt mai mult de un set de fire. Pentru a oferi mai multă tensiune, am proiectat și am imprimat 3D o tensiune. Acesta este blocul gri de deasupra celulei LiPo. Nu este necesar, dar iată-l (fișier Public TinkerCad).

Pasul 11: Istoricul dezvoltării:

Pe parcursul celor trei ani de viață ai proiectului Nugget au rezultat mai multe versiuni:

1.xDovada conceptului și a platformei de colectare a datelor.

Gama de performanță a Nugget a fost caracterizată (RPM max, totaluri, perioade de activitate). În vârstă, Nugget a atins 100 RPM și a reușit să ruleze 0,3 mile pe noapte. Foaie de calcul cu calcule de date pentru diferite roți atașate. De asemenea, este atașat un fișier cu înregistrări reale Nugget RPM stocate pe cardul SD.

• Arduino Duemilanove
• Adafruit # 1141 scut datalogger card SD
• Scut LCD Adafruit # 714 + # 716
• Senzor optic retroreflector OMRON E3F2-R2C4
• Transformator de perete AC (Omron avea nevoie de 12 volți)

2.x Senzori și hardware explorate.

A fost stabilit microcontrolerul și afișează:

• Adafruit # 2771 Feather 32U4
• Adafruit # 3130 Afișaj LED pe 14 segmente Featherwing.

Această combinație a fost aleasă pentru consum redus de energie (moduri de repaus 32U4), gestionarea bateriei (încărcător LiPo încorporat) și cost (LED-uri ieftine și putere mai mică decât LCD + iluminare din spate).

• Au fost examinați senzori cu pereche optică magnetică și discretă cu efect Hall (adică QRD1114). Intervalul a fost întotdeauna insuficient. Abandonat.
• Adafruit # 2821 Feather HUZZAH cu ESP8266 care a raportat la un tablou de bord Adafruit IO. Timpul de ecran mai mare nu era ceea ce dorea clientul. Abandonat.

3.x Lucrul senzorului:

Această serie a investigat, de asemenea, senzori alternativi, cum ar fi utilizarea unui motor pas cu pas ca un codificator similar cu acest instructabil. Fezabil, dar pentru puterea redusă a semnalului la RPM scăzut. Puțin mai multă muncă ar transforma acest lucru într-o soluție viabilă, dar nu este o simplă adaptare la mediul existent de hamster. Abandonat.

4.1 Soluția hardware / software descrisă în acest manual.

5.x Mai multe funcții ale senzorului:

Examinat senzorul digital de distanță Sharp GP2Y0D810Z0F cu transportor Pololu în timp ce încă se utilizează afișajul LED 14 segmente Featherwing Adafruit # 2771 Feather 32U4 și Adafruit # 3130. A funcționat bine. Codul a fost banal. A folosit mai multă putere decât soluția Vishay TSSP4038. Abandonat.

6.x Viitorul?

• Înlocuiți unele dintre știfturile de montare ale carcasei HWT pentru Adafruit # 2771 Feather cu stâlpi de montare.
• Înlocuiți comutatorul de pornire / oprire cu un comutator cu buton conectat la resetarea Feather.
• Microcontrolerul ATSAMD21 Cortex M0, precum cel de pe Adafruit # 2772 Feather M0 Basic Proto, are multe caracteristici atractive. M-aș uita atent la această altă revizuire.
• Vishay are un nou modul senzor IR, TSSP94038. Are nevoi curente mai mici și un răspuns mai definit.

Locul doi în concursul alimentat de baterie