Generator interactiv de foi laser cu Arduino: 11 pași (cu imagini)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Laserele pot fi folosite pentru a crea efecte vizuale incredibile. În acest proiect, am construit un nou tip de afișaj cu laser, care este interactiv și redă muzică. Dispozitivul rotește două lasere pentru a forma două foi de lumină asemănătoare unui vortex. Am inclus senzori de distanță în dispozitiv, astfel încât foile laser să poată fi manipulate mișcând mâna spre ele. Pe măsură ce persoana interacționează cu senzorii, dispozitivul redă și muzică printr-o ieșire MIDI. Incorporează idei de la harpe laser, vortexuri laser și afișaje POV.

Instrumentul este controlat cu un Arduino Mega care preia intrările senzorilor cu ultrasunete și transmite tipul de foaie laser formată și muzica generată. Datorită multor grade de libertate a laserelor rotative, există o mulțime de modele diferite de foi laser care pot fi create.

Am făcut brainstorming preliminar asupra proiectului cu un nou grup de artă / tehnologie din St. Louis numit Dodo Flock. Emre Sarbek a efectuat și câteva teste inițiale pe senzorii folosiți pentru a detecta mișcarea în apropierea dispozitivului.

Dacă construiți un dispozitiv cu foaie laser, vă rugăm să nu uitați să fiți în siguranță cu laserele și discurile rotative.

Actualizare 2020: mi-am dat seama că suprafața creată cu laserele este un hiperboloid.

Pasul 1: Lista de aprovizionare

Materiale

Lasere -

Motor fără perii -

Controler electronic de viteză -

Servomotoare -

Tranzistoare

Placaj

Plexiglas

Senzori cu ultrasunete

Slipring -

LED-uri albe -

Convertoare Buck

Sârmă de sârmă

Conector MIDI

Potențiometru și butoane -

Hardware - https://www.amazon.com/gp/product/B01J7IUBG8/ref=o…https://www.amazon.com/gp/product/B06WLMQZ5N/ref=o…https://www.amazon. com / gp / product / B06XQMBDMX / ref = o …

Rezistențe

Cabluri conector JST -

Comutator de curent alternativ

Alimentare 12V -

Lipici de lemn

super-lipici

Șuruburi pentru lemn

Cablu prelungitor USB -

Instrumente:

Ciocan de lipit

Freze de sârmă

Jig a văzut

Fierăstrău circular

Micrometru

Burghiu electric

Pasul 2: Prezentare generală și schemă

Un fascicul laser creează un fascicul de lumină bine colimat (adică îngust), astfel încât o modalitate de a produce o foaie de lumină este de a muta rapid fasciculul într-un anumit model. De exemplu, pentru a crea o foaie de lumină cilindrică, ați roti un laser în jurul unei axe paralele cu direcția pe care o îndreaptă. Pentru a muta rapid un laser, puteți atașa un laser la o scândură de lemn atașată la un motor DC fără perii. Numai cu acest lucru, puteți crea vortexuri laser cilindrice reci!

Alte proiecte cu vortex laser realizează acest lucru montând o oglindă înclinată pe axa de rotație cu un laser staționar direcționat către oglindă. Acest lucru creează un con laser. Cu toate acestea, cu acest design, toate foile laser vor părea să provină dintr-o singură origine. Dacă laserele sunt poziționate în afara axei, ca și în cazul proiectului pe care l-am construit, puteți crea foi laser convergente, cum ar fi forma de clepsidră prezentată în videoclip.

Dar dacă doriți ca foile luminoase să fie dinamice și interactive? Pentru a realiza acest lucru, am atașat două lasere pe servouri și apoi am atașat servourile pe scândura de lemn. Acum servomotoarele pot regla unghiul laserului în raport cu axa de rotație a motorului. Având două lasere pe două servouri diferite, puteți crea două foi luminoase diferite cu dispozitivul.

Pentru a controla viteza motorului de curent continuu, am conectat un potențiometru la un Arduino care preia intrarea potențometrului și transmite un semnal către regulatorul de viteză electric (ESC). ESC controlează apoi viteza motorului (un nume destul de potrivit, da), în funcție de rezistența potențiometrului.

Starea de pornire / oprire a laserului este controlată conectându-le la emițătorul unui tranzistor care funcționează în saturație (adică funcționează ca un întrerupător electric). Un semnal de control este trimis la baza tranzistorului care controlează curentul prin laser. Iată o sursă pentru controlul unei sarcini cu un tranzistor cu un arduino:

Poziția servo este, de asemenea, controlată cu Arduino. Pe măsură ce scândura se rotește, foaia ușoară poate fi manipulată prin schimbarea poziției servo. Fără nicio intrare de utilizator, acest lucru singur poate crea foi luminoase dinamice care sunt fascinante. Există, de asemenea, senzori cu ultrasunete poziționați în jurul marginii dispozitivului, care sunt folosiți pentru a determina dacă o persoană își apropie mâna de foile ușoare. Această intrare este apoi utilizată fie pentru a muta laserele pentru a crea noi foi de lumină SAU pentru a genera un semnal MIDI. O mufă MIDI este conectată pentru a transmite semnalul MIDI către un dispozitiv de redare MIDI.

Pasul 3: Controlul motorului fără perii cu Arduino

Pentru a crea foi luminoase asemănătoare unui vortex, trebuie să rotiți fasciculul laser. Pentru a realiza acest lucru, am decis să încerc să folosesc un motor DC fără perii. Am aflat că aceste tipuri de motoare sunt foarte populare cu modelele de avioane și drone, așa că m-am gândit că ar fi destul de ușor de utilizat. Am întâlnit câteva obstacole pe parcurs, dar, în general, sunt mulțumit de modul în care funcționează motorul pentru proiect.

În primul rând, motorul trebuie montat. Am proiectat la comandă o piesă pentru a ține motorul și a-l atașa la o placă care ține dispozitivul. După ce motorul a fost sigur, am conectat motorul la ESC. Din câte am citit, sună foarte greu să folosești un motor fără perii fără unul. Pentru a face motorul să se rotească, am folosit un Arduino Mega. Inițial, nu am putut face ca motorul să se rotească pentru că tocmai conectam semnalul de control la 5V sau la masă, fără a seta corect o valoare de bază sau a calibrat ESC. Am urmat apoi un tutorial Arduino cu un potențiometru și servomotor și asta a făcut ca motorul să se rotească! Iată un link către tutorial:

Firele ESC pot fi de fapt conectate în orice mod la motorul fără perii. Veți avea nevoie de niște conectori de sex feminin. Cablurile mai groase roșii și negre de pe ESC sunt conectate la o sursă de alimentare DC la 12V, iar cablurile alb-negru de pe conectorul de control al ESC sunt conectate la masă și respectiv la un pin de control pe Arduino. Urmăriți acest videoclip pentru a afla cum să calibrați ESC:

Pasul 4: Construirea șasiului de foi laser

După ce motorul se rotește, este timpul să construiți șasiul ușor al foii. Am tăiat o bucată de placaj folosind o mașină CNC, dar puteți folosi și un ferăstrău. Placajul conține senzorii cu ultrasunete și are o gaură în el pentru a se potrivi unei bucăți de plexiglas. Plexiglasul trebuie să fie atașat la lemn folosind epoxidic. Găurile sunt găurite pentru ca inelul de alunecare să se potrivească.

O altă foaie circulară de placaj este apoi tăiată pentru a ține motorul fără perii. În această foaie de lemn, sunt găurite găuri astfel încât firele să poată trece mai târziu în construcție. După atașarea suportului motorului și găurirea găurilor, cele două foi de placaj sunt atașate de scânduri 1x3 tăiate aproximativ 15cm lungime și consolă metalică. În fotografie, puteți vedea cum plexiglasul este deasupra motorului și a laserelor.

Pasul 5: ansamblu laser și servomotor

Foile variabile de lumină sunt create de laserele în mișcare în raport cu axa de rotație. Am proiectat și am imprimat 3D o montură care atașează un laser la un servo și o montură care conectează servo-ul la scândura rotativă. Mai întâi atașați servo-ul la suportul servo folosind două șuruburi M2. Apoi, glisați o piuliță M2 în suportul laser și strângeți un șurub de fixare pentru a menține laserul în poziție. Înainte de a conecta laserul la servo, trebuie să vă asigurați că servo-ul este rotit în poziția sa centrală de operare. Folosind tutorialul de servo, direcționați servo-ul la 90 de grade. Apoi montați laserul așa cum se arată în imagine folosind un șurub. A trebuit să adaug și un pic de clei pentru a mă asigura că laserul nu se schimbă neintenționat.

Am folosit un tăietor cu laser pentru a crea scândura, care are dimensiuni de aproximativ 3cm x 20cm. Dimensiunea maximă a foii ușoare va depinde de dimensiunea plăcii de lemn. O gaură a fost apoi forată în centrul plăcii, astfel încât să se potrivească pe arborele motorului fără perii.

Apoi am lipit ansamblul laser-servo pe scândură, astfel încât laserele să fie centrate. Asigurați-vă că toate componentele de pe scândură sunt echilibrate în raport cu axa de rotație a scândurii. Conectați conectorii JST la lasere și la cablurile servo, astfel încât să poată fi conectați la glisa în etapa următoare.

În cele din urmă atașați scândura cu ansambluri laser-servo atașate la motorul fără perii cu o șaibă și o piuliță. În acest moment, testați motorul fără perii pentru a vă asigura că scândura se poate roti. Aveți grijă să nu conduceți motorul prea repede sau să puneți mâna pe calea de rotație a scândurii.

Pasul 6: Instalarea Slipring-ului

Cum puteți preveni încâlcirea firelor în timp ce electronica se învârte? O modalitate este de a utiliza o baterie pentru o sursă de alimentare și de a o conecta la ansamblul rotativ, ca în acest POV instructable. O altă modalitate este să folosești un slipring! Dacă nu ați mai auzit de un slingring sau nu ați mai folosit unul, consultați acest videoclip extraordinar care demonstrează cum funcționează.

Mai întâi, atașați celelalte capete ale conectorilor JST la inel. Nu doriți ca firele să fie prea lungi, deoarece există potențialul ca acestea să se prindă de ceva atunci când scândura se rotește. Am atașat inelul de alunecare la plexiglasul de deasupra motorului fără perii, găurind găuri pentru șuruburi. Aveți grijă să nu spargeți plexiglasul la găurire. De asemenea, puteți utiliza un tăietor cu laser pentru a obține găuri mai precise. După fixarea inelului, conectați conectorii.

În acest moment, puteți conecta firele glisante la pinii unui Arduino pentru a face câteva teste preliminare cu generatorul de foi laser.

Pasul 7: lipirea electronice

Am tăiat o placă prototip pentru a conecta toate componentele electronice. Deoarece am folosit o sursă de alimentare de 12V, trebuie să folosesc două convertoare DC-DC: 5V pentru lasere, servomotoare, potențiometru și mufă MIDI și 9V pentru Arduino. Totul a fost conectat așa cum se arată în diagramă, fie prin lipire, fie prin înfășurare cu sârmă. Placa a fost apoi conectată la o parte tipărită 3D folosind standuri PCD.

Pasul 8: Construirea cutiei electronice

Toate componentele electronice sunt adăpostite într-o cutie de lemn. Am tăiat cherestea 1x3 pentru părțile laterale ale cutiei și am tăiat o deschidere mare într-o parte, astfel încât firele de pe panoul de control să poată trece. Părțile laterale au fost conectate folosind blocuri mici de lemn, lipici pentru lemn și șuruburi. După ce lipiciul s-a uscat, am șlefuit părțile laterale ale cutiei pentru a uniformiza toate imperfecțiunile din cutie. Apoi am tăiat lemn subțire pentru partea din față, spate și partea de jos a cutiei. Fundul a fost cuie pe părți, iar partea din față și din spate au fost lipite pe cutie. În cele din urmă, am măsurat și am tăiat găurile dimensiunile componentelor de pe panoul frontal al cutiei: mufa cablului de alimentare, mufa USB, mufa MIDI și potențiometrul.

Pasul 9: Instalarea dispozitivelor electronice în cutie

Am atașat sursa de alimentare la cutie folosind șuruburi, Arduino folosind o montură personalizată și placa de circuit creată la Pasul 7. Potențiometrul și mufa MIDI au fost mai întâi conectate la placa de circuit folosind sârmă de înfășurare, apoi lipite de panoul frontal. Mufa de curent alternativ a fost conectată la sursa de alimentare, iar ieșirea de curent continuu a sursei de alimentare a fost conectată la intrările convertorilor și cablurilor Buck care se conectează la motorul fără perii. Firele motorului, servo și laser sunt apoi trecute printr-o gaură din placaj până la cutia electronică. Înainte de a trata senzorii cu ultrasunete, am testat componentele individual pentru a mă asigura că totul a fost conectat corect.

Am cumpărat inițial o mufă de curent alternativ, dar am citit câteva recenzii destul de proaste despre aceasta topindu-se, astfel încât am avut găuri de dimensiuni incorecte pe panoul frontal. Prin urmare, am proiectat și am imprimat 3D niște adaptoare jack pentru a se potrivi cu dimensiunea găurilor pe care le-am tăiat.

Pasul 10: Montarea și cablarea senzorilor cu ultrasunete

În acest moment, laserele, servo-urile, motorul fără perii și mufa MIDI sunt toate conectate la și pot fi controlate de Arduino. Ultimul pas hardware este conectarea senzorilor cu ultrasunete. Am proiectat și am imprimat 3D un senzor cu ultrasunete. Apoi am cablat și am atașat în mod uniform ansamblurile senzorului ultrasonic la foaia superioară de placaj a generatorului de foaie de lumină. Sârma de înfășurare a sârmei a fost condusă până la cutia electronică prin găurirea găurilor din foaia de placaj. Am conectat învelișul de sârmă la pinii corespunzători de pe Arduino.

Am fost puțin dezamăgit de performanța senzorului cu ultrasunete. Au funcționat destul de bine pentru distanțe între 1cm - 30cm, dar măsurarea distanței este foarte zgomotoasă în afara acestui interval. Pentru a îmbunătăți raportul semnal / zgomot, am încercat să iau mediana sau media mai multor măsurători. Cu toate acestea, semnalul nu era încă suficient de fiabil, așa că am ajuns să setez limita pentru redarea unei note sau schimbarea foii laser la 25cm.

Pasul 11: Programarea dinamicei laser Vortex

După ce toate cablurile și ansamblul sunt finalizate, este timpul să programați dispozitivul cu folie de lumină! Există multe posibilități, dar ideea generală este de a prelua intrările senzorilor cu ultrasunete și de a trimite semnale pentru MIDI și de a controla laserele și servo-urile. În toate programele, rotația plăcii este controlată prin rotirea butonului potențiometrului.

Veți avea nevoie de două biblioteci: NewPing și MIDI

Atașat este codul Arduino complet.

Premiul II la Invention Challenge 2017