CheminElectrique (igra spretnosti) - SRO2002: 9 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:07

Danes vam predstavljam ustvarjanje igre, ki sem jo naredila za zabavo ob koncu šolskega leta za svojega sina. V Franciji tem festivalom pravimo "kermes", ne vem, ali obstajajo v drugih državah in kako se imenujejo …

Na teh zabavah so pogosto iste igre, temu bi rekel klasične igre, letos pa sem se odločil narediti modernejšo različico ene od teh klasičnih iger: "Chemin electrique" ali "Main chaude".

Cilj igre je zelo preprost, tam je žica, kjer prehaja električni tok, nato pa imate na koncu "igralno palico", sestavljeno iz kovinskega kroga, ki poteka okoli električne žice, cilj igre pa je prečkati žice od enega konca do drugega, ne da bi se je dotaknili, sicer ugasne opozorilna lučka in/ali zvok in ste izgubili.

Tradicionalno v resnici ni nobene elektronike za ustvarjanje te igre, dovolj je preprosta 12V baterija z žarnico in nekaj električnega kabla, vendar sem imel nekaj kul idej, da bi igro naredil sodobnejšo.

Pa poglejmo, kaj sem dodal kot funkcionalnost!

1. korak: Lastnosti

Kot sem pravkar rekel, ta igra preprosto prižge luč, ko se igralec nehote dotakne žice s "igralno palico", prav tako se pogosto zgodi, da igra med stikom proizvede zvok. V moji različici igre bo skupaj prižgalo 6 blokov 4 LED (zeleno-rumeno-rumeno-rdeče), brenčalo, ki bo proizvajalo zvok, in tudi vibrator, vgrajen v krmilnik, ki bo aktiviral ko je stik med električno žico in "krmilno palčko".

LED diode bodo postopoma svetile od zelene do rdeče, odvisno od tega, kako dolgo traja stik med žico in krmilnikom.

Dodal sem tudi izbor težavnostne stopnje (enostavno-normalno-težko), pa tudi možnost, da omogočim/onemogočim vibracijo in zvok. Glasnost zvoka bo nastavljiva tudi s potenciometrom.

Izbira težavnosti je pravzaprav preprosto bolj ali manj dolga zamuda med trenutkom, ko pride do stika med žico in igralno palico, in trenutkom, ko se igra začne prižigati/zvoniti/vibrirati. Vnaprej določene čase nastavim s programiranjem, na primer v enostavnem načinu igra počaka 1 sekundo, preden sproži opozorila, v težkem načinu pa se opozorila sprožijo takoj.

Igro sem zasnoval tako, da jo je enostavno razstaviti, zanesljivo in predvsem, da ne predstavlja nevarnosti za otroke, ki jo bodo uporabljali. Ker električni kabel prečka tok in je odstranjen, sem se moral prepričati, da ne predstavlja nevarnosti za uporabnike igre.

2. korak: Zavrnitev odgovornosti in dodatne informacije

Zavrnitev odgovornosti:

Igro bodo napajale 4 baterije po 1,5 V, skupna napetost 6 V, omejim tudi tok, ki prečka žico, na le nekaj mikroamperov. Zato smo na področju zelo nizke varnostne napetosti (SELV) z izredno nizko vrednostjo toka, ki je dostopna uporabniku.

Vendar pa dobro poudarjam, da nobena vrednost električnega toka ni neškodljiva, šibek tok je v določenih primerih lahko nevaren za osebo, ki je elektrificirana. Med ustvarjanjem tega projekta sem veliko raziskal o tem in čeprav ni znanstvenega soglasja o mejni vrednosti, pred katero tok ne vpliva na človeško telo, ima tok nekega mikroampera, ki prečka električni kabel, zelo malo možnost, da človeka poškodujete.

Toda pozor, v primeru nesreče ne bom mogel biti odgovoren! Pri ravnanju z električnimi vodniki pod napetostjo morate biti vedno previdni, tudi pri zelo nizkih vrednostih toka. Močno vam svetujem, da se čim bolje informirate o nevarnostih električne energije in o ustreznih previdnostnih ukrepih

Dodatne informacije:

Ta projekt deluje zelo dobro in ima vse funkcije, ki sem jih želel, vendar ima nekaj pomanjkljivosti. Ko ustvarjam elektronski projekt, se trudim, da je vse čim bolj optimizirano glede na stroške, število komponent, prostor in predvsem, da je delovanje celote čim bolj "logično".

Medtem ko sem delal ta projekt in po njegovem zaključku mislim, da sem se odločil za nekaj, kar ni najboljše, a me je čas pritiskal, imel sem le 2 tedna, da sem vse naredil iz nič (oblikovanje, programiranje, naročanje komponent, ustvarjanje strukturo, predvsem pa sestavljanje vseh elementov).

Ko bom šel skozi proizvodne korake, bom pokazal, kaj bi po mojem mnenju lahko optimizirali, če bi morali znova ustvariti to igro. Ampak ponavljam, projekt je tako funkcionalen, vendar sem perfekcionist …

Obžalujem tudi, da nisem posnel več fotografij različnih faz projekta, ampak sem se raje kar najbolj posvetil projektu, da bi ga lahko dokončal pravočasno.

S tem projektom sem zadovoljen, ker je bil na šolski zabavi mojega sina zelo uspešen, zato poglejmo, kaj je v trebuhu zveri;)

3. korak: Obveznosti

- Imeti mora baterijsko napajanje (zaradi varnosti in mobilnosti)- Igra mora biti varna (uporabljali jo bodo otroci od 2 do 10 let)

- Nastavitve morajo biti na voljo (izbira aktivacije zvoka/vibratorja in izbira težavnosti)

- Nastavitve morajo biti preproste za razumevanje in lahko dostopne (domnevati je treba, da oseba, ki bo med zabavo skrbela za igro, ne pozna ničesar o elektroniki/tehniki)

- Zvok mora biti dovolj glasen (igra bo uporabljena zunaj v precej hrupnem okolju).

- Sistem mora biti čim bolj odstranljiv za shranjevanje in enostavno zamenljive fizične dele (krmilna palica, električna žica …)

- Otroci morajo biti privlačni (to je glavni cilj, za katerega se igrajo …:))

4. korak: Komponente (BOM)

Za ohišje:- lesena deska

- slika

- nekaj orodij za vrtanje in rezanje….

Za "igralno palico":- 1 vibrator

- kabelska vtičnica 3,5 (stereo)

- priključek 3,5 (stereo)

- električna žica 2,5 mm²

- majhna PVC cev

Elektronske komponente:

- 16F628A

- 12F675

- ULN2003A

- 2 x 2N2222A

- Zener dioda 2.7V

- 12 modrih LED

- 6 zelenih LED

- 6 rdečih LED

- 12 rumenih LED

- 5 uporov 10K

- 2 upora 4,7K

- 1 upor 470 ohmov

- 6 uporov 2.2K

- 6 uporov 510 ohmov

- 18 uporov 180 ohmov

- 1 potenciometer 1K

- 1 stikalo za vklop / izklop

-2 stikalo ON-OFF-ON

- 1 zvočni signal

- 1 DC pretvornik

- električna žica 2,5 mm²

- 2 priključka za banane moški

- 2 priključka za banane ženska

- priključek 3,5 (stereo)

- držalo za 4 baterije LR6

- nekaj plošč za izdelavo prototipov iz PCB

Elektronska orodja: - Programer za vbrizgavanje kode v Microchip 16F628A in 12F675 (npr. PICkit 2) -

Svetujem vam, da uporabite Microchip MPLAB IDE (brezplačna programska oprema), če želite spremeniti kodo, vendar boste potrebovali tudi prevajalnik CCS (shareware). Uporabite lahko tudi drug prevajalnik, vendar boste v programu potrebovali veliko sprememb.

Vendar vam bom priskrbel. HEX datotek, tako da jih lahko vbrizgate neposredno v mikrokrmilnike.

5. korak: Analiza funkcij

Mikrokrmilnik 16F628A (Func1): To so "možgani" celotnega sistema, ta komponenta zazna položaj stikal za nastavitve, ki zazna, če je stik med "krmilno palčko" in električno žico, in ki sproži opozorila (svetloba, zvok in vibrator). Za to komponento sem se odločil, ker imam precej veliko zalogo in ker sem vajen programiranja z njo, in ker nisem imel veliko časa za ta projekt, sem raje vzel nekaj materiala, ki ga dobro poznam.

Napajalni vmesnik ULN2003A (Func2): Ta komponenta služi kot vmesnik za napajanje med 16F628A in vezji, ki porabijo več energije, kot jo lahko zagotovi mikrokrmilnik (LED, brenčalo, vibrator).

Upravljanje z zvočnikom (Func3):

PIC 16F628A ne more zagotoviti dovolj toka za napajanje brenčalnika, še posebej, ker je treba za povečanje njegove zvočne moči brenčalo napajati preko ojačevalnega pretvornika.

Ker je sklop dobavljen v napetosti 6V in če je za zvočni signal potreben 12V, da deluje maksimalno, uporabljam pretvornik, da dobim dobro napetost. Zato uporabljam tranzistor kot stikalo (način komutacije) za nadzor napajanja z zvočnikom. Komponenta, ki sem jo izbral, je klasična 2N2222A, ki je zelo primerna za to uporabo.

Tu so značilnosti zvočnikov: 12V 25mA, to pomeni, da potrebuje teoretično moč P = UI = 12 x 25mA = 0.3W

Tako je iz pretvornika za povečanje enosmernega toka potrebna poraba energije 0,3 W, modul za povečanje enosmernega toka ima učinkovitost 95%, zato je izguba približno 5%. Zato je na vhodu pretvornika potrebna minimalna moč 0,3 W + 5% = 0,315 W.

Zdaj lahko ugotovimo trenutni Ic, ki bo prečkal tranzistor Q1:

P = U * Ic

Ic = P / U

Ic = P / Vcc-Vcesat

Ic = 0, 315 / 6-0, 3

Ic = 52 mA

Zdaj izračunamo osnovni upor, ki omogoča, da je tranzistor dobro nasičen:

Ibsatmin = Ic / Betamin

Ibsatmin = 52 mA / 100

Ibsatmin = 0,5 mA

Ibsat = K x Ibsatmin (izberem koeficient nasičenosti K = 2)

Ibsat = 2 x Ibsatmin

Ibsat = 1 mA

R12 = Ur12 / Ibsat

R12 = Vcc - Vbe

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

R12 = 5,4K

Normalizirana vrednost (E12) za R12 = 4,7K

Krmiljenje vibratorja (Func4):

Kar zadeva brenčalo, 16F628A ne more dovajati dovolj toka v vibrator, ki potrebuje tok 70 mA, poleg tega pa ga je treba napajati do maksimuma z napetostjo 3V. Zato sem se odločil za uporabo zener diode skupaj s tranzistorjem za izdelavo 2,7 V regulatorja napetosti za vibrator. Delovanje povezave zener-tranzistor je preprosto, zener fiksira napetost 2,7 V na osnovi tranzistorja, tranzistor pa to napetost "kopira" in napaja.

Tok, ki bo prečkal tranzistor Q2, je torej enak Ic = 70mA

Zdaj izračunamo bazni upor, ki omogoča, da je tranzistor dobro nasičen:

Ibsatmin = Ic/Betamin

Ibsatmin = 70 mA / 100

Ibsatmin = 0,17 mA

Ibsat = K x Ibsatmin (izberem koeficient nadnasičenosti K = 2) Ibsat = 2 x Ibsatmin

Ibsat = 1,4 mA

Najmanjši tok v zener diodi mora biti za njegovo delovanje najmanj Iz = 1mA, zato lahko sklepamo tok, ki teče skozi upor R13:

Ir13 = Ibsat + Iz

Ir13 = 1,4 mA + 1 mA

Ir13 = 2,4 mA

Za zagotovitev, da je tok zener diode Iz vedno v pravilnem delovnem območju, se upošteva varnostna meja z: Ir13_fixed = 5mA (popolnoma poljubna izbira vrednosti)

Zdaj pa izračunajmo vrednost R13:

R13 = U13 / Ir13_popravljeno

R13 = fiksno VCC-Vz / Ir13_

R13 = 6-2, 7 / 5mA

R13 = 660 ohmov

Normirana vrednost (E12) za R13 = 470 ohmov

V seriji E12 bi lahko izbral 560 ohmov, vendar te vrednosti nisem imel, zato sem vzel prejšnjo vrednost …

Lahko se optimizira

Ko sem oblikoval projekt, nisem razmišljal o Vbe tranzistorja, zato imam namesto 2,7 V za napajanje vibratorja samo 2,7 V-0,6 V = 2,1 V. Moral bi na primer uporabiti zener z napetostjo 3,3 V. vibrator bi bil nekoliko močnejši, tudi če bi bil rezultat povsem zadovoljiv, ne izkoriščam vse moči vibratorja …

Opozorilne LED (Func5):

LED diode so postavljene navpično, kot da bi tvorile merilnik: rdeča

Rumena 2

Rumena1

Zelena

Ko zaznamo stik med "igralno palico" in električno žico, se postopoma prižgejo od zelene do rdeče.

LED diode so povezane z VCC v skupinah glede na njihovo barvo:

- Vse anode zelenih LED so povezane skupaj

- Vse anode rumenih LED 1 so povezane skupaj

- Vse anode rumenih LED2 so povezane skupaj

- Vse anode rdečih LED so povezane skupaj

Mikrokrmilnik jih nato aktivira z ozemljitvijo njihove katode prek ULN2003A.

Opomba:

Na shemi je samo ena LED vsake barve s simbolom "X6" poleg nje, ker uporabljam brezplačno različico Cadence Capture in sem omejen z največjim številom komponent na diagram, zato ne morem prikazati vseh LED …

Upravljanje ravni zvoka brenčalnika (Func6):

Je preprosto potenciometer v seriji z zvočnikom, ki omogoča prilagajanje glasnosti zvoka.

LED okrasne lučke (Func7 - shema/stran 2):

Namen teh LED je ustvariti lov za dekoracijo igre. Prižgejo se od leve proti desni. Skupaj je 12 modrih LED: 6 na začetku proge, ki predstavlja štartno črto in 6 na koncu proge, ki predstavlja ciljno črto

Za te LED sem se odločil za multipleksiranje zaslona, ker bi za njihovo naročanje potrebovali veliko več zatičev (6 -polni z večstranskimi, 12 -polni brez multipleksiranja).

Poleg tega je v njihovem podatkovnem listu navedeno, da je Vf 4V, zato nisem mogel vstaviti 2 LED diod zapored (VCC je 6V), niti jih nisem mogel postaviti vzporedno, ker teoretično potrebujejo 20 mA in da lahko mikrokrmilnik napaja le 25 mA max na pin, zato bi bilo 40mA nemogoče.

Če povzamem, nisem mogel narediti povezave LED (v nizu ali vzporedno) in nisem imel dovolj pin na mikrokrmilniku, da bi jih vseeno poganjal … Zato sem se odločil za uporabo drugega mikrokrmilnika (12F675) z 8 zatiči, da bi lahko Zahvaljujoč temu mikrokrmilniku nadzorujem aktiviranje LED z nastavitvijo visokega logičnega nivoja (VCC) na njihovih anodah in uporabljam PIC 16F628A in ULN2003A za izvajanje multipleksiranja.

Lahko se optimizira:

Med izvajanjem preskusov na plošči sem spoznal, da imajo LED pri istem toku I = 20 mA velike razlike v svetlosti glede na barve. Na primer pri 20 mA so bile modre LED veliko svetlejše od zelenih. Meni se ni zdelo estetsko, da so nekatere LED svetlejše od drugih, zato sem zaporedje spreminjal upor z modrimi LED, dokler nisem dobil enake svetlobne moči kot zelene LED, ki so napajane s tokom 20 mA.

Spoznal sem, da imajo modre LED enako svetlost kot zelene LED s tokom samo 1 mA! Kar pomeni, da če bi to vedel prej, bi se lahko odločil, da bom modre LED diode dal v serijo (v skupinah po 2). Potreboval sem le še 3 nožice na 16F675A (ki so na voljo), zato mi ni bilo treba dodati drugega mikrokrmilnika, namenjenega upravljanju teh LED.

Toda v času oblikovanja tega nisem poznal, včasih obstaja zanemarljiva razlika med značilnostmi tehnične dokumentacije in dejanskimi značilnostmi sestavnih delov …

Omejitev toka (Func0):

Tega dela ob načrtovanju sploh nisem načrtoval, dodal sem ga šele na samem koncu projekta, ko je bilo že vse končano. Na začetku sem preprosto priključil VCC neposredno na električno žico s preprosto izvlečnim uporom, da sem dal vhod mikrokrmilnika, ki zazna stik s tlemi.

Kot sem že rekel, sem opravil veliko raziskav, da bi ugotovil, ali je tok, ki teče skozi električno žico, lahko nevaren, če pride v stik med žico in človeškim telesom.

Na to temo nisem našel natančnega odgovora, zato sem raje dodal upor med VCC in električno žico, da bi čim bolj zmanjšal tok, ki prečka žico.

Zato sem hotel postaviti upor z visoko vrednostjo, da bi zmanjšal tok na najnižjo možno vrednost, a ker sem že zaključil projekt in zato vse varjene in ožičene različne kartice, nisem mogel več odstraniti izvlečnega upora 10Kohm. Zato sem moral izbrati vrednost upora, da sem dobil 2/3 VCC na zatiču BR0 (pin 6 od 16F628A), tako da mikrokrmilnik zazna, čeprav je to visoka logična raven, ko pride v stik med krmilno palčko in električno žico. Če bi dodal prevelik upor, bi tvegal, da mikrokrmilnik ne bi zaznal spremembe med nizkim logičnim stanjem in visokim logičnim stanjem.

Zato sem se odločil, da dodam upor 4,7 K, da dobim napetost približno 4 V na zatiču, ko pride v stik med krmilno palčko in električno žico. Če k temu dodamo še odpornost človeške kože v primeru stika električne žice z roko, bi bil tok, ki teče skozi telo, manjši od 1 mA.

In tudi če se človek dotakne žice, bo v stiku le s pozitivnim polom baterij, ne pa med pozitivnim in negativnim polom, ampak kot sem rekel v izjavi o omejitvi odgovornosti VEDNO bodite pozorni na to, kaj počnete z električnim tokom.

Opomba: Dolgo sem okleval, ali sem dodal ta upor, ker je električni tok, ki je uporabniku morda dostopen (preko električne žice) šibek, in da se sklop napaja iz akumulatorja z napetostjo le 6V in da je morda strogo nepotrebno omejiti tok iz baterij, a ker je za otroke, sem raje sprejel čim več previdnostnih ukrepov.

6. korak: Programiranje

Programi so napisani v jeziku C z MPLAB IDE, koda pa je prevedena s prevajalnikom CCS C.

Koda je popolnoma komentirana in dokaj enostavna za razumevanje, vendar bom hitro razložil glavne funkcije dveh kod (za 16F628A in 12F675).

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

Upravljanje LED multipleksiranja: Funkcija: RTCC_isr ()

Uporabljam timer0 mikrokrmilnika, da povzročim prelivanje vsakih 2 ms, kar omogoča upravljanje multipleksiranja LED.

Upravljanje zaznavanja stikov:

Funkcija: void main ()

To je glavna zanka, program zazna, ali obstaja stik med krmilno palčko in električno žico, ter aktivira LED/brenčalo/vibrator glede na kontaktni čas.

Težave pri nastavitvi nastavitev:

Funkcija: dolga GetSensitivityValue ()

Ta funkcija se uporablja za preverjanje položaja stikala, ki omogoča izbiro težavnosti in vrne spremenljivko, ki predstavlja čas čakanja pred aktiviranjem alarmov.

Upravljanje nastavitev alarma:

Funkcija: int GetDeviceConfiguration ()

Ta funkcija se uporablja za preverjanje položaja stikala, ki izbere aktivacijo brenčalca in vibratorja ter vrne spremenljivko, ki predstavlja alarme, ki morajo biti aktivni.

Drugi program -LedStartFinishCard.c- (12F675):

Upravljanje aktivacije modre LED: Funkcija: void main ()

To je glavna zanka programa, ki aktivira LED eno za drugo od leve proti desni (za ustvarjanje lova)

Spodaj si oglejte zip datoteko projekta MPLAB:

7. korak: Spajkanje in montaža

"Fizični" del: Začel sem z ustvarjanjem škatle, zato sem za vrh in stranice izrezal lesene plošče debeline približno 5 mm in izbral desko debeline 2 cm, da bi imelo dno večjo težo in da se igra ne bi premaknila.

Plošče sem sestavljal med lepilom za les, nisem privijal nobenih vijakov ali žebljev in je res trden!

Da bi bila igra privlačnejša od preproste poslikane škatle, sem svojo ženo prosil, naj ustvari dekor za vrh škatle (ker sem res zanič pri grafičnem oblikovanju …). Prosil sem ga, naj naredi ovinkasto cesto (za povezavo z žico …) s pločevinkami/ploščo na robovih ovinkov, da bom lahko vključil svoje opozorilne LED. Modre LED diode okraskov bodo kot začetna in ciljna črta. Ustvarila je pokrajino v slogu "Route 66" s cesto, ki prečka nekakšno puščavo, in po nekaj vtisih, da smo našli dobro lokacijo LED, smo bili zelo zadovoljni z rezultatom!

Nato sem izvrtal luknje za vse priključke, stikala in seveda LED.

Električna žica je zvita, da ustvari cik-cak za povečanje težavnosti igre, vsak konec pa je privit v moški konektor za banane. Konektorji bodo nato povezani z ženskimi konektorji za banane, ki so pritrjeni na pokrov ohišja.

Elektronski del:

Elektronski del sem razdelil na več majhnih prototipnih kartic.

Obstajajo:

- kartico za 16F628A

- kartico za 12F675

- 6 opozorilnih LED -kartic

- 4 kartice za okrasne LED (začetna in ciljna črta)

Vse te kartice sem pritrdila pod pokrov škatle, držalo za baterije pa sem položila v spodnji del škatle z zvočnikom in modulom za povečanje enosmernega toka.

Vsi elektronski elementi so povezani z ovijalnimi žicami, združil sem jih, kolikor je mogoče, glede na njihovo smer in jih zvil skupaj ter pritrdil z vročim lepilom, da so čim bolj "čiste" in predvsem, da obstajajo brez lažnih stikov ali žic, ki bi prekinile povezavo. Res mi je vzelo veliko časa, da sem pravilno/strižno/zvaril/pozicioniral žice!

Del "igralne palice":

Za igralno palico sem vzel majhen kos PVC cevi (premera 1,5 cm in dolžine 25 cm), nato pa sem tako spajkal ženski konektor:

- priključek, priključen na žico na koncu krmilne palice (ContactWire na shemi)

- priključek, priključen na pozitivni priključek vibratorja (2A na priključku J1A na shemi)

- priključek, priključen na negativni priključek vibratorja (1A na priključku J1A na shemi)

Nato sem v cev vključil žico, vibrator in priključek za vtičnico ter pritrdil vtičnico z vročim lepilom, da se prepričam, da se pri priključitvi kabla vtičnice med igralno palico in drugim delom sistema ne premika nič.

8. korak: Video

9. korak: Zaključek

Zdaj, ko je projekta konec, je bilo res kul narediti projekt, čeprav obžalujem, da imam za to zelo malo časa. To mi je omogočilo, da sem se lotila novega izziva;) Upam, da bo ta igra delovala več let in da bo zabavala veliko otrok, ki bodo praznovali konec šolskega leta!

Ponujam arhivsko datoteko, ki vsebuje vse dokumente, ki sem jih uporabil/ustvaril za projekt.

Ne vem, ali bo moj stil pisanja pravilen, ker deloma uporabljam samodejni prevajalec, da bi šel hitreje, in ker ne govorim angleško, mislim, da bodo nekateri stavki verjetno čudni za ljudi, ki odlično pišejo angleško.

Če imate kakršna koli vprašanja ali pripombe o tem projektu, mi to sporočite!