Witam, chciałbym przedstawić Wam swój prosty, ale dość ciekawy projekt stroboskopu. Efekt stroboskopu powstaje wtedy, kiedy poruszający się obiekt, będziemy oświetlać "migającym" światłem. Miganie ująłem w cudzysłów, bo w większości przypadków nasze oko migania nie jest wstanie dostrzec, ale o tym później. Do czego wykorzystujemy stroboskop? Pomijając zabawy dyskotekowe, używamy go do "zamrożenia ruchu", co przekłada się np. na możliwość pomiaru prędkości obrotowej np. działającego wiatraka.
Co nam będzie do tego potrzebne?
- Arduino (do kupienia chociażby na Nettigo.pl)
- Białe diody LED Clear (koniecznie Clear, czyli przezroczyste - dlaczego? To również wyjaśnię w dalszej części wpisu)
- Tranzystor, do wysterowania diód (najlepiej NPN, ja użyłem tip102, ale może być słabszy)
- Potencjometr (użyłem 10k Ω np. taki)
- Płytka stykowa (wystarczy taka malutka)
- Kabelki do połączenia płytki stykowej z Arduino (również dostępne na Nettigo.pl)
- Kilka rezystorów (nie podaję konkretnych wartości, bo zależą od użytych diód LED itd. (w moim projekcie dla diód LED 150Ω, przy tranzystorze oraz dodatkowo przy potencjometrze po 10kΩ), dla początkujących zestaw rezystorów i kondensatorów)
Teraz trochę więcej teorii, jak nasz stroboskop będzie działać
Wyobraźmy sobie, że mamy wiatraczek, który obraca się z prędkością 60 obrotów na minutę. Łatwo obliczyć, że w ciągu sekundy wiatrak wykona jeden pełen obrót, czy jak kto woli, w ciągu sekundy łopatka wiatraka zatoczy pełen okrąg (360°). Jeżeli będziemy oświetlać wiatrak błyskiem światła, jaśniejszym od otoczenia dokładnie co sekundę, zobaczymy oświetlone skrzydło wiatraka za każdym razem w tym samym miejscu. Jednak błysk, błyskowi nie równy. Im dłużej będzie trwał błysk, tym bardziej rozmyty obraz śmigła zobaczymy. W przypadku tak wolnego obrotu, jak w naszym przykładzie, nie będzie to właściwie widoczne, jednak w przypadku np. wiatraka komputerowego, który obraca się z prędkością około 3500 obr./min (58 obr./s) to ma już duże znaczenie. Możemy pokusić się o wyprowadzenie wzoru, dzięki którego będziemy mogli obliczyć jaki powinien być czas błysku, aby nasze oko widziało maksymalnie ostry obraz, ale matematyką nie będziemy się zajmować :).Z mojego doświadczenia można przyjąć, że czas błysku (błyskiem w tym przypadku nazywam moment, w którym dioda LED świeci) może wynosić 100 µs (mikrosekund). Im większa moc źródła światła, tym wartość ta może być mniejsza.
Ktoś mógłby zapytać, dlaczego nie ustawić najmniejszego możliwego czasu błysku, pomijając całą część teoretyczną. Odpowiedź jest prosta - im mniejszy czas błysku, tym mniejsza energia światła, a co za tym idzie może być ono niewystarczające, aby być jaśniejsze od otoczenia, a w skrajnych przypadkach może nie mieć energii aby oświetlić obiekt w całkowitej ciemności w sensownej odległości od tego właśnie obiektu. Tak, czy owak - dioda LED musi się dość szybko zaświecać i równie szybko gasnąć. I nie ma z tym generalnie żadnych problemów, poza jednym - jeżeli mamy diodę mleczną, czyli matową. Materiał, którym jest ona pokryta, nie jest tak "szybki" jak dioda i gaśnie trochę wolniej, przez co możemy zauważyć smużenie, a dalsze zmniejszanie czasu błysku nie przyniesie większych, pozytywnych efektów. Zaświecenie diody jest pierwszym krokiem, który na potrzeby tego artykułu uznamy za niezmienny i równy 100 µs. Jak już ją zaświecimy, to musimy ją zgasić. Po jakim czasie? To jest kluczowe. Od tego czasu zależeć będzie częstotliwość stroboskopu. Czym jest częstotliwość? W skrócie - ilość błysków w ciągu sekundy. Tę wartość wyrażamy w Hertzach [Hz]. 1 Hz oznacza jeden, 100-mikrosekundowy błysk na sekundę. 2 Hz - dwa, 100-mikrosekundowe błyski na sekundę itd. Im częstotliwość wyższa, tym nasze oko słabiej reaguje na błyski. Przy 100 Hz błyski są niedostrzegalne. Jak obliczyć jaka powinna być przerwa między kolejnymi błyskami, aby uzyskać wybraną przez nas częstotliwość? przerwa między błyskami = 1/częstotliwość [Hz]Przykład: śmigło helikoptera obraca się z prędkością 300 obr./min. Jaki czas jest potrzebny, dla jednego, pełnego obrotu śmigła? 300 obr./min. = 5 obr./s W ciągu sekundy śmigło wykona 5 obrotów. A zatem jego częstotliwość wynosi 5 Hz. czas pełnego obrotu śmigła = (1/5) sekundy = 0,2 s.Śmigło potrzebuje 0,2 sekundy, aby wykonać pełen obrót. A zatem, jeżeli w naszym stroboskopie będziemy zapalać diody co 0,2 s. odniesiemy wrażenie, że śmigło pozostaje nieruchome.Podsumowując nasz stroboskop ma zaświecać diodę na 100 µs, gasić diodę, a przed kolejnym jej zaświeceniem czekać określony przez nas czas.
Trochę praktyki
po dość przydługawej części teoretycznej, która, mam nadzieję, że nieco pozwoli zrozumieć co tak na prawdę będziemy robić, czas na zajęcia praktyczne.
Po zmontowaniu układu zgodnie ze schematem, który umieściłem na początku artykułu, a którego zdjęcia pokazuję powyżej (kolory kabelków są nieco inne niż na schemacie o czym wiem i nie znaczy to wcale, że jestem daltonistą ;), czas na napisanie programu dla Arduino.
[crayon-519f6fc7bc004/]
Jeżeli coś wymaga głębszego komentarza, proszę o komentarze.
A poniżej filmik obrazujący działanie.
http://www.youtube.com/watch?v=cfT4-KWrR5w
oraz drugi - tu został zwiększony czas błysku ze 100 na 400 mikrosekund - dobrze widać, jak iks się rozmywa. Dodatkowo, poza X widać też stroboskop oraz jego "obsługę", bo w pierwszym filmie istotnie, nie było to pokazane.
http://www.youtube.com/watch?v=AqGZc9OzPEg
Już niedługo wpis pokazujący na początek prostą komunikację Arduino z PC (przez aplikację napisaną w C#).
Strasznie długi ten wpis, mam nadzieję, że kogoś zainteresuje. Czytaj dalej...