CheminElectrique (ferdighetsspill) - SRO2002: 9 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

I dag presenterer jeg deg for å lage et spill jeg laget til skoleårsavslutningen for sønnen min. I Frankrike kaller vi disse festivalene "kermesser", jeg vet ikke om de finnes i andre land og hva de kalles …

I disse partiene er det ofte de samme spillene, det er det jeg vil kalle klassiske spill, og i år bestemte jeg meg for å lage en mer moderne versjon av et av disse klassiske spillene: "Chemin electrique" eller "Main chaude".

Målet med spillet er veldig enkelt, det er en ledning der en elektrisk strøm passerer, du har deretter en "joystick" sammensatt av en metallsirkel i enden som passerer rundt den elektriske ledningen, og målet med spillet er å krysse ledningen fra den ene enden til den andre uten å berøre den, ellers slukker en varsellampe og/eller lyd og du har mistet.

Tradisjonelt er det egentlig ikke noe elektronikk for å lage dette spillet, et enkelt 12V batteri med en lyspære og litt elektrisk ledning er nok, men jeg hadde noen kule ideer for å gjøre spillet mer moderne.

Så la oss se hva jeg la til som funksjonalitet!

Trinn 1: Funksjoner

Som jeg nettopp sa at dette spillet bare tenner et lys når spilleren utilsiktet berører ledningen med "joystick", skjer det også ganske ofte at spillet produserer en lyd under kontakt. I min versjon av spillet vil det være totalt 6 blokker med 4 lysdioder (grønn-gul-gul-rød) som vil lyse opp samtidig, en summer som vil produsere en lyd og også en vibrator integrert i kontrolleren som vil aktivere når det er kontakt mellom den elektriske ledningen og "joysticken".

Lysdiodene lyser gradvis fra grønt til rødt, avhengig av hvor lenge kontakten mellom ledningen og kontrolleren varer.

Jeg la også til et utvalg av vanskelighetsgraden (lett-normal-vanskelig) samt muligheten til å aktivere/deaktivere vibratoren og lyden. Lydvolumet vil også være justerbart med et potensiometer.

Valg av vanskelighetsgrad er faktisk ganske enkelt en mer eller mindre lang forsinkelse mellom det øyeblikket det er en kontakt mellom ledningen og styrespaken og det øyeblikket spillet begynner å lyse/ringe/vibrere. Jeg angav forhåndsdefinerte tider ved å programmere, for eksempel i enkel modus venter spillet 1 sekund før det utløses advarsler, mens advarslene vil bli utløst umiddelbart i vanskelig modus.

Jeg designet spillet slik at det er enkelt å demontere, pålitelig og fremfor alt at det ikke utgjør noen fare for barna som vil bruke det. Siden den elektriske ledningen krysses av en strøm og at den er fjernet, måtte jeg sørge for at den ikke utgjør noen fare for brukerne av spillet.

Trinn 2: Ansvarsfraskrivelse og ytterligere informasjon

Ansvarsfraskrivelse:

Spillet vil bli drevet av 4 batterier på 1,5V, en total spenning på 6V, jeg begrenser også strømmen som krysser ledningen til bare noen få mikroampere. Vi er derfor innen svært lav sikkerhetsspenning (SELV) med en ekstremt lav strømverdi tilgjengelig for brukeren.

Men oppmerksomhet jeg spesifiserer godt at ingen verdi av elektrisk strøm er ufarlig, en svak strøm kan i visse tilfeller være farlig for personen som er elektrifisert. Jeg forsket mye på dette under opprettelsen av dette prosjektet, og selv om det ikke er vitenskapelig enighet om grenseverdien før strømmen ikke påvirker menneskekroppen, har strømmen til noen mikroampere som krysser den elektriske kabelen svært lite sjanse til å skade en person.

Men oppmerksomhet jeg vil ikke kunne holdes ansvarlig i tilfelle uhell! Det må alltid utvises forsiktighet ved håndtering av strømførende elektriske ledere, selv ved svært lave strømverdier. Jeg anbefaler deg på det sterkeste å informere deg selv så mye som mulig om risikoen ved elektrisitet og de gode forholdsreglene du må ta

Ytterligere informasjon:

Dette prosjektet fungerer veldig bra og har alle funksjonene jeg ønsket, men det har noen feil. Når jeg lager et elektronisk prosjekt, prøver jeg at alt er så optimalisert som mulig når det gjelder kostnad, antall komponenter, plass, og spesielt at driften av helheten er så "logisk" som mulig.

Mens jeg gjorde dette prosjektet, og etter å ha fullført det, tror jeg det er noen valg jeg tok som ikke er de beste, men jeg ble presset av tid, jeg hadde bare 2 uker til å gjøre alt fra bunnen av (design, programmering, bestilling av komponenter, lage struktur, og spesielt montering av alle elementene).

Jeg vil indikere når jeg går gjennom produksjonstrinnene hva jeg tror kan optimaliseres hvis jeg måtte lage dette spillet igjen. Men jeg gjentar at prosjektet er ganske så funksjonelt, men jeg er perfeksjonist …

Jeg beklager også at jeg ikke har tatt flere bilder av prosjektets forskjellige stadier, men jeg foretrakk å vie meg mest mulig til prosjektet for å kunne fullføre det i tide.

Jeg er fornøyd med dette prosjektet fordi det var en stor suksess på sønnens skolefest, så la oss se hva som ligger i dyrets mage;)

Trinn 3: Forpliktelser

- Må være batteridrevet (for sikkerhet og mobilitet)- Spillet må være trygt (det skal brukes av barn fra 2 til 10 år)

- Innstillinger må være tilgjengelige (valg av lyd/vibratoraktivering og valg av vanskelighetsgrad)

- Innstillingene må være enkle å forstå og lett tilgjengelige (det må antas at personen som vil ta seg av spillet under festen ikke vet noe om elektronikk/teknisk)

- Lyden må være høy nok (spillet vil bli brukt ute i et ganske bråkete miljø).

- Systemet må være maksimalt flyttbart for lagring og lett utskiftbare fysiske deler (joystick, elektrisk ledning …)

- Må være attraktiv for barn (det er hovedmålet de spiller for …:))

Trinn 4: Komponenter (BOM)

For saken:- treplank

- maleri

- noen verktøy for å bore og kutte….

For "joystick":- 1 vibrator

- kabelkontakt 3,5 (stereo)

- kontakt 3,5 (stereo)

- elektrisk ledning 2,5 mm²

- et lite PVC -rør

Elektroniske komponenter:

- 16F628A

- 12F675

- ULN2003A

- 2 x 2N2222A

- Zenerdiode 2,7V

- 12 blå LED

- 6 grønne LED

- 6 røde LED

- 12 gule LED

- 5 motstander 10K

- 2 motstander 4.7K

- 1 motstand 470 ohm

- 6 motstander 2.2K

- 6 motstander 510 ohm

- 18 motstander 180 ohm

- 1 potensiometer 1K

- 1 PÅ / AV-bryter

-2 PÅ-AV-PÅ-brytere

- 1 summer

- 1 DC boost -omformer

- elektrisk ledning 2,5 mm²

- 2 banankontakter hann

- 2 banankontakter hunn

- kontakt 3,5 (stereo)

- holder for 4 LR6 batterier

- noen PCB -prototyper

Elektroniske verktøy: - En programmerer for å injisere koden i en Microchip 16F628A og 12F675 (f.eks. PICkit 2) -

Jeg anbefaler deg å bruke Microchip MPLAB IDE (freeware) hvis du vil endre koden, men du trenger også CCS Compiler (shareware). Du kan også bruke en annen kompilator, men du trenger mange endringer i programmet.

Men jeg vil gi deg. HEX -filer slik at du kan injisere dem direkte i mikrokontrollere.

Trinn 5: Funksjonsanalyse

Mikrokontroller 16F628A (Func1): Det er "hjernen" i hele systemet, det er denne komponenten som oppdager posisjonen til innstillingsbryterne, som oppdager om det er kontakt mellom "joysticken" og den elektriske ledningen, og som utløser advarsler (lys, lyd og vibrator). Jeg valgte denne komponenten fordi jeg har en ganske stor lager og fordi jeg er vant til å programmere med den, og siden jeg ikke hadde mye tid til å gjøre dette prosjektet, foretrakk jeg å ta noe materiale jeg kjenner godt.

Strømgrensesnitt ULN2003A (Func2): Denne komponenten fungerer som et strømgrensesnitt mellom 16F628A og kretsene som bruker mer energi enn mikrokontrolleren kan gi (LED, summer, vibrator).

Summerkontroll (Func3):

PIC 16F628A kan ikke gi nok strøm til å drive summeren, spesielt siden summeren må drives via en boost -omformer for å øke lydeffekten.

Siden monteringen leveres i 6V og at summeren krever 12V for å fungere maksimalt, bruker jeg en omformer for å oppnå god spenning. Så jeg bruker en transistor som en bryter (kommutasjonsmodus) for å kontrollere summerens strømforsyning. Komponenten jeg valgte er en klassisk 2N2222A som er veldig egnet for denne bruken.

Her er summerfunksjonene: 12V 25mA, dette betyr at den trenger en teoretisk effekt på P = UI = 12 x 25mA = 0,3W

Så det er et effektbehov på 0,3 W ut av DC -boost -omformeren, DC -boostmodulen har en effektivitet på 95%, så det er omtrent 5% tap. Derfor kreves en minimumseffekt på 0,3W + 5% = 0,315W ved omformerinngangen.

Vi kan nå utlede gjeldende Ic som vil krysse transistoren Q1:

P = U * Ic

Ic = P / U

Ic = P / Vcc-Vcesat

Ic = 0, 315 / 6-0, 3

Ic = 52mA

Vi beregner nå basismotstanden slik at transistoren kan være godt mettet:

Ibsatmin = Ic / Betamin

Ibsatmin = 52mA / 100

Ibsatmin = 0,5mA

Ibsat = K x Ibsatmin (jeg velger en surmetningskoeffisient K = 2)

Ibsat = 2 x Ibsatmin

Ibsat = 1mA

R12 = Ur12 / Ibsat

R12 = Vcc - Vbe

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

R12 = 5,4K

Normalisert verdi (E12) for R12 = 4,7K

Vibratorkontroll (Func4):

Når det gjelder summer, kan 16F628A ikke levere nok strøm til vibratoren som krever en strøm på 70mA, dessuten må den tilføres maksimum med en spenning på 3V. Så jeg valgte å bruke en zenerdiode kombinert med en transistor for å lage en 2,7V spenningsregulator for vibratoren. Driften av zener-transistorforeningen er enkel, zeneren fikser 2,7V spenning på transistorens base og transistoren "kopierer" denne spenningen og leverer strømmen.

Strømmen som skal krysse transistoren Q2 er dermed lik Ic = 70mA

Vi beregner nå grunnmotstanden slik at transistoren kan være godt mettet:

Ibsatmin = Ic/Betamin

Ibsatmin = 70mA / 100

Ibsatmin = 0, 7mA

Ibsat = K x Ibsatmin (jeg velger en surmetningskoeffisient K = 2) Ibsat = 2 x Ibsatmin

Ibsat = 1, 4mA

Minste strøm i zenerdioden må være minst Iz = 1mA for driften, slik at vi kan utlede strømmen som går gjennom motstanden R13:

Ir13 = Ibsat + Iz

Ir13 = 1, 4mA + 1mA

Ir13 = 2, 4mA

For å sikre at strømmen til zenerdioden Iz alltid er i riktig driftsområde, tas en sikkerhetsmargin med: Ir13_fixed = 5mA (helt vilkårlig verdivalg)

La oss nå beregne verdien av R13:

R13 = U13 / Ir13_fikset

R13 = VCC-Vz / Ir13_fixed

R13 = 6-2, 7 / 5mA

R13 = 660 ohm

Normalisert verdi (E12) for R13 = 470 ohm

Jeg kunne ha valgt 560 ohm i E12 -serien, men jeg hadde ikke denne verdien, så jeg tok den forrige verdien …

Kan optimaliseres

Da jeg laget designet av prosjektet tenkte jeg ikke på transistorenes Vbe, så i stedet for å ha 2,7V for å drive vibratoren, har jeg bare 2,7V-0,6V = 2,1V. Jeg burde for eksempel tatt en 3.3V zener, vibratoren ville ha vært litt kraftigere selv om resultatet er ganske tilfredsstillende, jeg utnytter ikke all kraften til vibratoren …

Advarselslysdioder (Func5):

Lysdiodene er plassert vertikalt som om de dannet en måler: Rød

Gul 2

Gul 1

Grønn

Når det oppdages en kontakt mellom "joysticken" og den elektriske ledningen, lyser de gradvis fra grønt til rødt.

Lysdiodene er koblet til VCC i grupper i henhold til fargen:

- Alle anoden til de grønne lysdiodene er koblet sammen

- Alle anoden til de gule1 lysdiodene er koblet sammen

- Alle anoden til de gule2 lysdiodene er koblet sammen

- Alle anoden til de røde lysdiodene er koblet sammen

Mikrokontrolleren aktiverer dem deretter ved å jorde katoden deres via ULN2003A.

Merk:

På skjematikken er det bare en LED i hver farge med symbolet "X6" ved siden av fordi jeg bruker en gratis versjon av Cadence Capture og jeg er begrenset av et maksimalt antall komponenter per diagram, slik at jeg ikke kunne få alle lysdiodene til å vises …

Summer lydstyring (Func6):

Det er ganske enkelt et potensiometer i serie med summeren som gjør det mulig å justere lydstyrken.

"Dekorasjon" -lysdioder (Func7 - Skjematisk/side 2):

Hensikten med disse lysdiodene er å skape en jakt på dekorasjonen av spillet. De lyser opp fra venstre til høyre. Det er totalt 12 blå lysdioder: 6 i begynnelsen av banen som representerer startstreken og 6 på slutten av banen som representerer målstreken

Jeg valgte å gjøre en displaymultipleksering for disse lysdiodene fordi det ville ha krevd mange flere pinner for å bestille dem (6 pinner med mutliplexing, 12 pin uten multiplexing).

Videre er det angitt i databladet at Vf er 4V, derfor kunne jeg ikke sette 2 lysdioder i serie (VCC er 6V), og jeg kunne heller ikke sette parallelt fordi de TEORIKT trenger 20 mA og at mikrokontrolleren bare kan levere 25 mA maks per pin, derfor ville 40mA vært umulig.

For å oppsummere, jeg kunne ikke lage en LED -forbindelse (satt i serie eller parallell), og jeg hadde ikke nok pinne på mikrokontrolleren til å kjøre dem uansett … Så jeg valgte å bruke en annen mikrokontroller (12F675) på 8 pinner for å kunne Takket være denne mikrokontrolleren kontrollerer jeg aktiveringen av lysdiodene ved å sette et høyt logisk nivå (VCC) på anodene deres, og jeg bruker PIC 16F628A og ULN2003A til å utføre multiplexingen.

Kan optimaliseres:

Jeg skjønte mens jeg utførte testene på et brødbrett at lysdiodene for samme strøm I = 20mA hadde stor forskjell i lysstyrke i henhold til fargene. For eksempel med 20mA var de blå lysdiodene mye lysere enn de grønne. Jeg syntes ikke det var estetisk at noen lysdioder var mye lysere enn andre, så jeg varierte motstanden i serie med de blå lysdiodene til jeg fikk samme lysstyrke som de grønne lysdiodene drevet med en strøm på 20mA.

Og jeg innså at de blå lysdiodene hadde samme lysstyrke som de grønne lysdiodene med en strøm på bare 1mA! Noe som betyr at hvis jeg hadde visst det før, kunne jeg ha valgt å sette de blå lysdiodene i serie (i grupper på 2). Og jeg trengte bare 3 pinner til på 16F675A (som er tilgjengelige), så jeg trengte ikke å legge til en annen mikrokontroller dedikert til å administrere disse lysdiodene.

Men på dette tidspunktet for designet jeg ikke kjente det, er det noen ganger en ikke ubetydelig forskjell mellom egenskapene til de tekniske dokumentasjonene og de virkelige egenskapene til komponentene …

Begrensning av strømmen (Func0):

Jeg hadde ikke planlagt denne delen i det hele tatt på tidspunktet for designet. Jeg la den til først helt på slutten av prosjektet, da alt allerede var ferdig. I begynnelsen hadde jeg ganske enkelt koblet VCC direkte til den elektriske ledningen med bare en nedtrekksmotstand for å sette inngangen til mikrokontrolleren som oppdager kontakten til bakken.

Men som jeg sa før, gjorde jeg mye forskning for å finne ut om strømmen som strømmer gjennom den elektriske ledningen, kan være farlig hvis den kommer i kontakt mellom ledningen og en menneskekropp.

Jeg fant ikke et presist svar på dette emnet, så jeg foretrakk å legge til en motstand mellom VCC og den elektriske ledningen for å redusere strømmen som krysser ledningen så mye som mulig.

Så jeg ønsket å sette en motstand med høy verdi for å redusere strømmen til den lavest mulige verdien, men da jeg allerede hadde fullført prosjektet og derfor alle sveiset og kablet de forskjellige kortene, kunne jeg ikke lenger fjerne nedtrekksmotstanden på 10Kohm. Jeg måtte derfor velge en motstandsverdi for å få 2/3 av VCC på BR0 -pinnen (pin 6 på 16F628A) slik at mikrokontrolleren oppdager selv om det er et høyt logisk nivå når det er kontakt mellom joysticken og den elektriske ledningen. Hvis jeg hadde lagt for mye motstand, hadde jeg hatt risikoen for at mikrokontrolleren ikke ville ha oppdaget endringen mellom lav logikk og høy logikk.

Så jeg valgte å legge til en motstand på 4,7K for å oppnå en spenning på omtrent 4V på pinnen når det er kontakt mellom joysticken og den elektriske ledningen. Hvis man legger til dette, vil motstanden til den menneskelige huden ved kontakt av den elektriske ledningen med hånden, for eksempel strømmen som strømmer gjennom kroppen være mindre enn 1 mA.

Og selv om en person berører ledningen, vil han bare være i kontakt med batteriets positive terminal og ikke mellom den positive og negative terminalen, men som jeg sa i ansvarsfraskrivelsen, må du alltid ta hensyn til hva du gjør med den elektriske strømmen.

Merk: Jeg nølte lenge med å legge til denne motstanden ettersom den elektriske strømmen som muligens er tilgjengelig for brukeren (via den elektriske ledningen) er svak og at enheten forsynes med batteri med bare 6V spenning, og at det kanskje er strengt unødvendig å begrense strømmen fra batteriene, men siden det er for barn, foretrakk jeg å ta så mange forholdsregler som mulig.

Trinn 6: Programmering

Programmer er skrevet på C -språk med MPLAB IDE og koden er kompilert med CCS C Compiler.

Koden er fullstendig kommentert og ganske enkel å forstå, men jeg vil raskt forklare hovedfunksjonene til de 2 kodene (for 16F628A og 12F675).

Det første programmet -CheminElectrique.c- (16F628A):

LED multiplexing management: Funksjon: RTCC_isr ()

Jeg bruker timer0 på mikrokontrolleren til å forårsake et overløp hver 2. ms, noe som gjør det mulig å administrere multiplexering av lysdiodene.

Håndtering av kontaktdeteksjon:

Funksjon: void main ()

Dette er hovedsløyfen, programmet oppdager om det er en kontakt mellom joysticken og den elektriske ledningen og aktiverer lysdiodene/summeren/vibratoren i henhold til kontakttiden.

Vanskeligheter med å angi ledelse:

Funksjon: lang GetSensitivityValue ()

Denne funksjonen brukes til å kontrollere posisjonen til bryteren som lar deg velge vanskeligheten og returnerer en variabel som representerer tiden det skal vente før alarmene aktiveres.

Håndtering av alarminnstillinger:

Funksjon: int GetDeviceConfiguration ()

Denne funksjonen brukes til å kontrollere posisjonen til bryteren som velger summer og vibratoraktivering og returnerer en variabel som representerer alarmer som må være aktive.

Det andre programmet -LedStartFinishCard.c- (12F675):

Blå LED -aktiveringshåndtering: Funksjon: void main ()

Dette er programmets hovedsløyfe, den aktiverer lysdiodene etter hverandre fra venstre til høyre (for å lage en jakt)

Se en zip -fil av MPLAB -prosjektet nedenfor:

Trinn 7: Lodding og montering

"Fysisk" del: Jeg begynte med å lage esken, så jeg kuttet treplater som var omtrent 5 mm tykke for toppen og sidene og valgte et brett på 2 cm tykt for å få bunnen til å ha mer vekt og at spillet ikke beveger seg.

Jeg monterte brettene mellom å være med trelim, jeg satte ikke på skruer eller spiker, og det er veldig solid!

For å gjøre spillet mer attraktivt enn en enkel malt eske, spurte jeg min kone om å lage en dekor på toppen av esken (fordi jeg virkelig suger på grafisk design …). Jeg spurte ham om å lage en svingete vei (for å ha et forhold til ledningen …) Med bokser/panel på kantene på kurvene, slik at jeg kan integrere advarsels -LED -ene mine. De blå lysdiodene på dekorasjonene vil være som start- og mållinjene. Hun skapte et landskap i "Route 66" -stil, med en vei som krysser en slags ørken, og etter flere inntrykk for å finne den gode plasseringen av lysdiodene var vi ganske fornøyd med resultatet!

Deretter boret jeg hull for alle kontaktene, bryterne og selvfølgelig lysdiodene.

Den elektriske ledningen er vridd for å lage sikksakk for å øke vanskeligheten med spillet, og hver ende er skrudd inn i en mannlig banankontakt. Kontaktene blir deretter koblet til de kvinnelige banankontaktene som er festet til husdekselet.

Elektronisk del:

Jeg har brutt ned den elektroniske delen til flere små prototypekort.

Det er:

- et kort for 16F628A

- et kort for 12F675

- 6 advarsels -LED -kort

- 4 kort for dekorative lysdioder (startlinje og målgang)

Jeg fikset alle disse kortene under lokket på esken, og jeg satte batteriholderen i den nedre delen av esken med summeren og DC -boostmodulen.

Alle de elektroniske elementene er koblet sammen med viklingstråder, jeg har gruppert dem så mye som mulig i henhold til deres retning, og jeg har vridd dem sammen og fikset dem med varmt lim slik at de er så "rene" som mulig og spesielt at det er ingen falske kontakter eller ledninger som kobles fra. Det tok meg virkelig lang tid å kutte/strippe/sveise/plassere ledninger riktig!

"Joystick" -del:

For joysticken tok jeg et lite stykke PVC -rør (1,5 cm i diameter og en lengde på 25 cm), og deretter loddet jeg hunkontakten slik:

- en terminal koblet til ledningen på enden av joysticken (ContactWire på skjematisk)

- en terminal koblet til den positive terminalen til vibratoren (2A på J1A -kontakten på skjematisk)

- en terminal koblet til vibratorens negative terminal (1A på J1A -kontakten på skjematisk)

Jeg integrerte deretter ledningen, vibratoren og jackkontakten inne i røret og festet jacken med varmt lim for å sikre at ingenting beveger seg når du kobler jackkabelen mellom joysticken og den andre delen av systemet.

Trinn 8: Video

Trinn 9: Konklusjon

Nå som prosjektet er over, var det veldig kult å gjøre dette prosjektet, selv om jeg angrer på at jeg hadde veldig lite tid til å gjøre det. Det tillot meg å ta en ny utfordring;) Jeg håper at dette spillet vil fungere i mange år og at det vil underholde mange barn som vil feire slutten av skoleåret!

Jeg gir en arkivfil som inneholder alle dokumentene jeg brukte/opprettet for prosjektet.

Jeg vet ikke om skrivestilen min vil være riktig fordi jeg delvis bruker en automatisk oversetter for å gå raskere, og siden jeg ikke er engelsktalende, tror jeg noen setninger sannsynligvis vil være rare for folk som skriver engelsk perfekt.

Gi meg beskjed hvis du har spørsmål eller kommentarer til dette prosjektet!