CheminElectrique (joc de competențe) - SRO2002: 9 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Astăzi vă prezint realizarea unui joc pe care l-am făcut pentru petrecerea de sfârșit de an școlar pentru fiul meu. În Franța numim aceste festivaluri „kermesses”, nu știu dacă există în alte țări și cum se numesc …

În aceste petreceri există adesea aceleași jocuri, așa aș numi jocuri clasice și anul acesta am decis să fac o versiune mai modernă a unuia dintre aceste jocuri clasice: „Chemin electrique” sau „Main chaude”.

Scopul jocului este foarte simplu, există un fir pe care trece un curent electric, aveți apoi un „joystick” compus dintr-un cerc metalic la capătul său care trece în jurul firului electric și scopul jocului este de a traversa sârmă de la un capăt la altul fără a o atinge, altfel o lumină de avertizare și / sau un sunet se stinge și ați pierdut.

În mod tradițional, nu există nicio electronică pentru a crea acest joc, este suficientă o baterie simplă de 12V, cu bec și ceva fir electric, dar am avut câteva idei interesante pentru a face jocul mai modern.

Deci, să vedem ce am adăugat ca funcționalitate!

Pasul 1: caracteristici

Așa cum tocmai am spus, acest joc aprinde pur și simplu o lumină atunci când jucătorul atinge din greșeală firul cu „joystick-ul”, de asemenea, se întâmplă destul de des ca jocul să producă un sunet în timpul contactului. În versiunea mea a jocului vor exista un total de 6 blocuri de 4 LED-uri (verde-galben-galben-roșu) care se vor aprinde simultan, un buzzer care va produce un sunet și, de asemenea, un vibrator integrat în controler care va activa când există contact între firul electric și „joystick”.

LED-urile se vor aprinde treptat de la verde la roșu, în funcție de cât durează contactul dintre fir și controler.

Am adăugat, de asemenea, o selecție a nivelului de dificultate (ușor-normal-dificil), precum și capacitatea de a activa / dezactiva vibratorul și sunetul. Volumul sunetului va fi, de asemenea, reglabil cu un potențiometru.

Alegerea dificultății este de fapt pur și simplu o întârziere mai mult sau mai puțin lungă între momentul în care există un contact între fir și joystick și momentul în care jocul începe să se aprindă / să sune / vibreze. Am setat timpii predefiniți prin programare, de exemplu în modul ușor jocul așteaptă 1 secundă înainte de a declanșa avertismente, în timp ce în modul dificil avertismentele vor fi declanșate imediat.

Am proiectat jocul astfel încât să fie ușor de demontat, de încredere și mai presus de toate să nu prezinte niciun pericol pentru copiii care îl vor folosi. Într-adevăr, deoarece firul electric este traversat de un curent și că este dezbrăcat, a trebuit să mă asigur că nu prezintă niciun pericol pentru utilizatorii jocului.

Pasul 2: Declinare de responsabilitate și informații suplimentare

Declinare de responsabilitate:

Jocul va fi alimentat de 4 baterii de 1,5 V, o tensiune totală de 6 V, limitez și curentul care traversează firul la doar câțiva microampere. Prin urmare, ne aflăm în domeniul tensiunii de siguranță foarte scăzute (SELV) cu o valoare de curent extrem de scăzută accesibilă utilizatorului.

Dar atenție specific bine că nicio valoare a curentului electric nu este inofensivă, un curent slab poate fi în anumite cazuri periculos pentru persoana care este electrificată. Am făcut multe cercetări în acest sens în timpul creării acestui proiect și, chiar dacă nu există un consens științific cu privire la valoarea limită înaintea căreia curentul nu are impact asupra corpului uman, curentul unui microamper care traversează cablul electric are foarte puțin șansa de a răni o persoană.

Dar atenție nu voi putea fi responsabil în caz de accident! Trebuie să aveți întotdeauna grijă la manipularea conductoarelor electrice sub tensiune, chiar și la valori de curent foarte mici. Vă sfătuiesc cu tărie să vă informați cât mai mult cu privire la riscurile energiei electrice și la bunele măsuri de precauție pe care să le luați

Informatiile viitoare:

Acest proiect funcționează foarte bine și are toate caracteristicile dorite, dar are unele defecte. Când creez un proiect electronic, încerc să totul să fie cât mai optimizat în termeni de cost, număr de componente, spațiu și mai ales că funcționarea întregului este cât se poate de „logică”.

În timp ce făceam acest proiect și după ce l-am terminat, cred că sunt câteva alegeri pe care le-am făcut, care nu sunt cele mai bune, dar am fost presat de timp, am avut doar 2 săptămâni să fac totul de la zero (proiectare, programare, comandarea componentelor, crearea structură și mai ales asamblarea tuturor elementelor).

În timp ce parcurg etapele de fabricație, voi indica ce cred că ar putea fi optimizat dacă ar trebui să creez din nou acest joc. Dar repet că proiectul este destul de funcțional așa, dar sunt perfecționist …

De asemenea, regret că nu am făcut mai multe fotografii ale diferitelor etape ale proiectului, dar am preferat să mă dedic cât mai mult proiectului pentru a putea să-l termin la timp.

Sunt mulțumit de acest proiect, deoarece a fost un mare succes la petrecerea școlii fiului meu, așa că hai să vedem ce este în burta fiarei;)

Pasul 3: Obligații

- Trebuie să fie alimentat cu baterii (pentru siguranță și mobilitate) - Jocul trebuie să fie sigur (va fi folosit de copii cu vârsta cuprinsă între 2 și 10 ani)

- Setările trebuie să fie disponibile (alegerea activării sunetului / vibratorului și alegerea dificultății)

- Setările trebuie să fie ușor de înțeles și ușor accesibile (trebuie presupus că persoana care se va ocupa de joc în timpul petrecerii nu știe nimic în electronică / tehnică)

- Sunetul trebuie să fie suficient de puternic (jocul va fi folosit în exterior într-un mediu destul de zgomotos).

- Sistemul trebuie să fie detașabil la maximum pentru depozitare și piese fizice ușor de înlocuit (joystick, fir electric …)

- Trebuie să fie atractiv pentru copii (acesta este principalul obiectiv pentru care se joacă …:))

Pasul 4: Componente (BOM)

Pentru caz: - scândură de lemn

- pictura

- câteva instrumente de găurit și tăiat …

Pentru „joystick”: - 1 vibrator

- mufa cablu 3.5 (stereo)

- conector jack 3.5 (stereo)

- fir electric 2,5 mm²

- un tub mic din PVC

Componente electronice:

- 16F628A

- 12F675

- ULN2003A

- 2 x 2N2222A

- Dioda Zener 2.7V

- 12 LED-uri albastre

- 6 LED-uri verzi

- 6 LED-uri roșii

- 12 LED-uri galbene

- 5 rezistențe 10K

- 2 rezistențe 4.7K

- 1 rezistor 470 ohm

- 6 rezistențe 2.2K

- 6 rezistențe 510 ohm

- 18 rezistențe de 180 ohmi

- 1 potențiometru 1K

- 1 comutator ON-OFF

- 2 comutator ON-OFF-ON

- 1 sonerie

- 1 convertor DC boost

- fir electric 2,5 mm²

- 2 conectori pentru banane de sex masculin

- 2 conectori pentru banane feminin

- conector jack 3.5 (stereo)

- suport pentru 4 baterii LR6

- unele plăci de prototipare PCB

Instrumente electronice: - Un programator pentru a injecta codul într-un Microchip 16F628A și 12F675 (de exemplu, PICkit 2) -

Vă sfătuiesc să utilizați Microchip MPLAB IDE (freeware) dacă doriți să modificați codul, dar veți avea nevoie și de CCS Compiler (shareware). De asemenea, puteți utiliza un alt compilator, dar veți avea nevoie de multe modificări în program.

Dar vă voi asigura. Fișiere HEX, astfel încât să le puteți injecta direct în microcontrolere.

Pasul 5: Analiza funcției

Microcontroler 16F628A (Func1): Este „creierul” întregului sistem, această componentă detectează poziția comutatoarelor de setări, care detectează dacă există contact între „joystick” și firul electric și care declanșează avertismente (lumină, sunet și vibrator). Am ales această componentă pentru că am un stoc destul de mare și pentru că sunt obișnuit să programez cu ea și, din moment ce nu aveam prea mult timp să fac acest proiect, am preferat să iau niște materiale pe care le cunosc bine.

Interfață de alimentare ULN2003A (Func2): Această componentă servește ca o interfață de alimentare între 16F628A și circuitele care consumă mai multă energie decât poate furniza microcontrolerul (LED, buzzer, vibrator).

Control buzzer (Func3):

PIC 16F628A nu poate furniza suficient curent pentru a alimenta buzzerul, mai ales că buzzer-ul trebuie alimentat printr-un convertor boost pentru a-și crește puterea sonoră.

Într-adevăr, deoarece ansamblul este furnizat în 6V și că buzzerul necesită 12V pentru a funcționa la maximum, folosesc un convertor pentru a obține tensiunea bună. Așa că folosesc un tranzistor ca întrerupător (modul de comutare) pentru a controla alimentarea cu buzzer. Componenta pe care am ales-o este un 2N2222A clasic, care este foarte potrivit pentru această utilizare.

Iată caracteristicile sonorului: 12V 25mA, aceasta înseamnă că are nevoie de o putere teoretică de P = UI = 12 x 25mA = 0.3W

Deci, este necesară o putere de 0,3 W din convertorul DC boost, modulul DC boost are o eficiență de 95%, deci există o pierdere de aproximativ 5%. Prin urmare, la intrarea convertorului este necesară o putere minimă de 0,3W + 5% = 0,315W.

Acum putem deduce Ic-ul curent care va traversa tranzistorul Q1:

P = U * Ic

Ic = P / U

Ic = P / Vcc-Vcesat

Ic = 0, 315 / 6-0, 3

Ic = 52mA

Acum calculăm rezistența de bază care permite tranzistorului să fie bine saturat:

Ibsatmin = Ic / Betamin

Ibsatmin = 52mA / 100

Ibsatmin = 0,5mA

Ibsat = K x Ibsatmin (aleg un coeficient de suprasaturație K = 2)

Ibsat = 2 x Ibsatmin

Ibsat = 1mA

R12 = Ur12 / Ibsat

R12 = Vcc - Vbe

R12 = (6 - 0,6) / 1mA

R12 = 5,4K

Valoare normalizată (E12) pentru R12 = 4,7K

Control vibrator (Func4):

În ceea ce privește buzzer-ul, 16F628A nu poate furniza suficient curent vibratorului, care necesită un curent de 70mA, în plus, trebuie alimentat la maxim cu o tensiune de 3V. Așa că am ales să folosesc o diodă zener cuplată cu un tranzistor pentru a face un regulator de tensiune de 2,7 V pentru vibrator. Funcționarea asocierii zener-tranzistor este simplă, zenerul fixează tensiunea de 2,7V pe baza tranzistorului, iar tranzistorul „copiază” această tensiune și alimentează puterea.

Curentul care va traversa tranzistorul Q2 este astfel egal cu Ic = 70mA

Acum calculăm rezistența de bază permițând tranzistorului să fie bine saturat:

Ibsatmin = Ic / Betamin

Ibsatmin = 70mA / 100

Ibsatmin = 0, 7mA

Ibsat = K x Ibsatmin (aleg un coeficient de suprasaturare K = 2) Ibsat = 2 x Ibsatmin

Ibsat = 1, 4mA

Curentul minim din dioda zener trebuie să fie cel puțin Iz = 1mA pentru funcționarea sa, deci putem deduce curentul care trece prin rezistorul R13:

Ir13 = Ibsat + Iz

Ir13 = 1, 4mA + 1mA

Ir13 = 2, 4mA

Pentru a vă asigura că curentul diodei zener Iz este întotdeauna în intervalul de funcționare corect, se ia o marjă de siguranță cu un: Ir13_fixed = 5mA (alegere complet arbitrară a valorii)

Acum să calculăm valoarea lui R13:

R13 = U13 / Ir13_fixed

R13 = VCC-Vz / Ir13_fixed

R13 = 6-2, 7 / 5mA

R13 = 660 ohm

Valoare normalizată (E12) pentru R13 = 470 ohm

Aș fi putut alege 560 ohmi în seria E12, dar nu aveam această valoare, așa că am luat valoarea anterioară …

Poate fi optimizat

Când am făcut proiectarea proiectului, nu m-am gândit la Vbe-ul tranzistorului, așa că, în loc să am 2,7V pentru a alimenta vibratorul, am doar 2,7V-0,6V = 2,1V. Ar fi trebuit să iau un zener de 3,3V, de exemplu, vibratorul ar fi fost puțin mai puternic chiar dacă rezultatul este destul de satisfăcător, nu exploat toată puterea vibratorului …

LED-uri de avertizare (Func5):

LED-urile sunt poziționate vertical ca și cum ar forma un indicator: roșu

Galben2

Galben1

Verde

Când este detectat un contact între „joystick” și firul electric, acestea se aprind treptat de la verde la roșu.

LED-urile sunt conectate la VCC în grupuri în funcție de culoarea lor:

- Toți anodii LED-urilor verzi sunt conectați împreună

- Toți anodii LED-urilor galbene1 sunt conectați împreună

- Toți anodii LED-urilor galbene2 sunt conectați împreună

- Toți anodii LED-urilor roșii sunt conectați împreună

Microcontrolerul le activează apoi împământând catodul prin ULN2003A.

Notă:

Pe schemă există doar un LED din fiecare culoare cu un simbol „X6” lângă el, deoarece folosesc o versiune gratuită a Cadence Capture și sunt limitat de un număr maxim de componente pe diagramă, așa că nu am putut face să apară toate LED-urile …

Gestionarea nivelului de sunet al soneriei (Func6):

Este pur și simplu un potențiometru în serie cu buzzer-ul care face posibilă reglarea volumului sunetului.

LED-uri „Decorare” (Func7 - Schematic / Pagina 2):

Scopul acestor LED-uri este de a crea o goană pentru decorarea jocului. Se aprind de la stânga la dreapta. Există un total de 12 LED-uri albastre: 6 la începutul cursului care reprezintă linia de start și 6 la sfârșitul cursului care reprezintă linia de sosire

Am ales să fac un display de multiplexare pentru aceste LED-uri, deoarece ar fi necesitat mult mai mulți pini pentru a le comanda (6 pini cu mutliplexare, 12 pini fără multiplexare).

Mai mult, este indicat în foaia lor tehnică că Vf este de 4V, prin urmare nu am putut pune 2 LED-uri în serie (VCC este de 6V) și nici nu aș putea pune în paralel, deoarece au nevoie TEORIC de 20 mA și că microcontrolerul poate furniza doar 25 mA max per pin, prin urmare 40mA ar fi fost imposibil.

Pentru a rezuma nu am putut face o asociere de LED (pus în serie sau paralel) și nu aveam suficient pin pe microcontroler pentru a le conduce oricum … Așa că am ales să folosesc un alt microcontroler (12F675) de 8 pini pentru a putea pentru a le conduce. Datorită acestui microcontroler controlez activarea LED-urilor prin setarea unui nivel logic ridicat (VCC) pe anodii lor și folosesc PIC 16F628A și ULN2003A pentru a efectua multiplexarea.

Poate fi optimizat:

Am realizat în timpul efectuării testelor pe o placă de testare că pentru același curent I = 20mA LED-urile aveau o diferență mare de luminozitate în funcție de culorile lor. De exemplu, cu 20mA LED-urile albastre erau mult mai strălucitoare decât cele verzi. Nu mi s-a părut estetic că unele LED-uri erau mult mai strălucitoare decât altele, așa că am variat rezistența în serie cu LED-urile albastre până când am obținut aceeași putere luminoasă ca LED-urile verzi alimentate cu un curent de 20mA.

Și mi-am dat seama că LED-urile albastre aveau aceeași luminozitate ca LED-urile verzi cu un curent de numai 1mA! Ceea ce înseamnă că dacă aș fi știut asta înainte aș fi putut alege să pun LED-urile albastre în serie (în grupuri de 2). Și am avut nevoie doar de încă 3 pini pe 16F675A (care sunt disponibili), așa că nu a trebuit să adaug un alt microcontroler dedicat gestionării acestor LED-uri.

Dar în acest moment al proiectării nu o știam, există uneori o diferență deloc neglijabilă între caracteristicile documentațiilor tehnice și caracteristicile reale ale componentelor …

Limitarea curentului (Func0):

Nu planificasem deloc această parte în momentul proiectării, am adăugat-o doar la sfârșitul proiectului, când totul era deja terminat. La început, pur și simplu conectasem VCC-ul direct la firul electric cu un simplu rezistor pull-down pentru a pune intrarea microcontrolerului care detectează contactul la sol.

Dar, așa cum am spus mai înainte, am făcut multe cercetări pentru a afla dacă curentul care curge prin firul electric ar putea fi periculos dacă a ajuns să aibă contact între fir și corpul uman.

Nu am găsit un răspuns precis pe acest subiect, așa că am preferat să adaug o rezistență între VCC și firul electric pentru a reduce cât mai mult curentul care traversează firul.

Așa că am vrut să pun un rezistor de mare valoare pentru a reduce curentul la cea mai mică valoare posibilă, dar, deoarece am terminat deja proiectul și, prin urmare, toate sudate și cablate diferitele carduri, nu am mai putut elimina rezistorul de 10 Kohm. Prin urmare, a trebuit să aleg o valoare de rezistență pentru a obține 2/3 din VCC pe pinul BR0 (pinul 6 din 16F628A), astfel încât microcontrolerul să detecteze, deși este un nivel logic ridicat atunci când există contact între joystick și firul electric. Dacă aș fi adăugat prea multă rezistență, aș fi avut riscul ca microcontrolerul să nu fi detectat schimbarea dintre starea logică scăzută și starea logică înaltă.

Așa că am ales să adaug o rezistență de 4.7K pentru a obține o tensiune de aproximativ 4V pe pin atunci când există contact între joystick și firul electric. Dacă se adaugă la aceasta rezistența pielii umane în cazul contactului firului electric cu mâna, de exemplu, curentul care curge prin corp ar fi mai mic de 1mA.

Și chiar dacă o persoană atinge firul, va fi în contact doar cu terminalul pozitiv al bateriilor și nu între terminalul pozitiv și negativ, dar așa cum am spus în declarația de renunțare, acordați întotdeauna atenție la ceea ce faceți cu curentul electric.

Notă: Am ezitat mult timp să adaug această rezistență, deoarece curentul electric posibil accesibil utilizatorului (prin firul electric) este slab și că ansamblul este furnizat de baterie cu doar 6V de tensiune și că poate este strict inutil să limitează curentul de la baterii, dar, deoarece este pentru copii, am preferat să iau cât mai multe măsuri de precauție posibil.

Pasul 6: Programare

Programele sunt scrise în limbaj C cu MPLAB IDE și codul este compilat cu CCS C Compiler.

Codul este complet comentat și destul de simplu de înțeles, dar voi explica rapid funcțiile principale ale celor 2 coduri (pentru 16F628A și 12F675).

Primul program -CheminElectrique.c- (16F628A):

Gestionarea multiplexării cu LED-uri: Funcție: RTCC_isr ()

Folosesc timer0-ul microcontrolerului pentru a provoca o revărsare la fiecare 2 ms, care permite gestionarea multiplexării LED-urilor.

Managementul detectării contactelor:

Funcție: void main ()

Aceasta este bucla principală, programul detectează dacă există un contact între joystick și firul electric și activează LED-urile / buzzerul / vibratorul în funcție de timpul de contact.

Gestionarea setării dificultăților:

Funcție: lung GetSensitivityValue ()

Această funcție este utilizată pentru a verifica poziția comutatorului care permite selectarea dificultății și returnează o variabilă reprezentând timpul de așteptare înainte de activarea alarmelor.

Gestionarea setării alarmelor:

Funcție: int GetDeviceConfiguration ()

Această funcție este utilizată pentru a verifica poziția comutatorului care selectează activarea sonorului și a vibratorului și returnează o variabilă care reprezintă alarmele care trebuie să fie active.

Al doilea program -LedStartFinishCard.c- (12F675):

Gestionare activare LED albastru: Funcție: void main ()

Aceasta este bucla principală a programului, activează LED-urile unul după altul de la stânga la dreapta (pentru a crea o urmărire)

Vedeți mai jos un fișier zip al proiectului MPLAB:

Pasul 7: lipire și asamblare

Partea „fizică”: am început prin crearea cutiei, așa că am tăiat plăci de lemn de aproximativ 5 mm grosime pentru partea superioară și laterale și am ales o placă de 2 cm grosime pentru a face fundul să aibă mai multă greutate și ca jocul să nu se miște.

Am asamblat scândurile între a fi cu adeziv pentru lemn, nu am pus șuruburi sau cuie și chiar este solid!

Pentru a face jocul mai atractiv decât o simplă cutie vopsită, am rugat-o pe soția mea să creeze un decor pentru partea de sus a cutiei (pentru că eu chiar aspir la design grafic …). L-am rugat să facă un drum sinuos (să aibă o relație cu firul …) Cu cutii / panou pe marginile curbelor, astfel încât să pot încorpora LED-urile mele de avertizare. LED-urile albastre ale decorațiunilor vor fi ca liniile de start și de sosire. Ea a creat un peisaj în stil „Route 66”, cu un drum care traversează un fel de deșert și, după mai multe impresii pentru a găsi locația bună a LED-urilor, am fost destul de mulțumiți de rezultat!

Apoi am făcut găuri pentru toți conectorii, întrerupătoarele și bineînțeles LED-urile.

Sârma electrică este răsucită pentru a crea zig-zag-uri pentru a crește dificultatea jocului și fiecare capăt este înșurubat într-un conector de banană masculin. Conectorii vor fi apoi conectați la conectorii feminini de banane care sunt atașați la capacul carcasei.

Piesa electronica:

Am împărțit partea electronică în câteva prototipuri mici.

Sunt:

- un card pentru 16F628A

- un card pentru 12F675

- 6 carduri LED de avertizare

- 4 carduri pentru LED-uri decorative (linia de start și linia de sosire)

Am fixat toate aceste carduri sub capacul cutiei și am pus suportul bateriei în partea inferioară a cutiei cu buzzer și modulul de impuls DC.

Toate elementele electronice sunt conectate prin împachetarea firelor, le-am grupat cât mai mult posibil în funcție de direcția lor și le-am răsucit și le-am fixat cu adeziv fierbinte, astfel încât să fie cât mai „curate” posibil și mai ales că există fără contacte false sau fire care se deconectează. Mi-a luat într-adevăr mult timp să tăiem / dezbrăcăm / sudăm / poziționăm corect firele!

Partea „Joystick”:

Pentru joystick am luat o bucată mică de tub din PVC (1,5 cm diametru și o lungime de 25 cm). Și apoi am lipit conectorul jack feminin așa:

- un terminal conectat la fir la capătul joystick-ului (ContactWire pe schemă)

- un terminal conectat la terminalul pozitiv al vibratorului (2A pe conectorul J1A pe schemă)

- un terminal conectat la terminalul negativ al vibratorului (1A pe conectorul J1A pe schemă)

Am integrat apoi firul, vibratorul și conectorul jack în interiorul tubului și am fixat jack-ul cu adeziv fierbinte pentru a mă asigura că nu se mișcă nimic la conectarea cablului jack între joystick și cealaltă parte a sistemului.

Pasul 8: Video

Pasul 9: Concluzie

Acum proiectul s-a terminat, a fost tare mișto să fac acest proiect, deși regret că am avut foarte puțin timp să îl fac. Mi-a permis să iau o nouă provocare;) Sper că acest joc va funcționa mulți ani și că va amuza mulți copii care vor sărbători sfârșitul anului școlar!

Ofer un fișier de arhivă care conține toate documentele pe care le-am folosit / creat pentru proiect.

Nu știu dacă stilul meu de scriere va fi corect, deoarece folosesc parțial un traducător automat pentru a merge mai repede și, deoarece nu vorbesc în limba engleză nativ, cred că unele propoziții vor fi probabil ciudate pentru oamenii care scriu perfect engleza.

Dacă aveți întrebări sau comentarii despre acest proiect, vă rugăm să ne anunțați!