Witam. Razem ze znajomymi ze szkoły postanowiliśmy wykonać pewien projekt. Po godzinach buszowania w sieci i szukania ciekawego pomysłu naszą uwagę przykuł interaktywny stolik. W wolnych chwilach pracowaliśmy nad schematem oraz rozważaliśmy różne opcje odnośnie tego jakie dodatkowe funkcje owe urządzenie będzie posiadać. Pierwszy prototyp został już w większości wykonany, zatem uznaliśmy, że warto było by go przynajmniej częściowo tutaj opisać.
Opis
ILDS Table jak nazwa wskazuje jest interaktywnym stolikiem ledowym, po kilku miesiącach pracy oraz wielu testach można było odetchnąć z ulgą ponieważ pierwszy prototyp działał tak jak się tego spodziewano. Cały produkt składa się z czterech paneli w które wchodzą nadajniki oraz odbiorniki podczerwieni, niebieskie diody LED, rezystory oraz potrzebne wyprowadzenia. Oprócz tego obowiązkowym elementem jest sterownik niezbędny do jakiegokolwiek działania całej reszty. Sam stolik ma wymiary 55x55 cm i wykonany jest w większości z płyty wiórowej oraz pilśniowej, w wnętrzu blatu jest wycięty kwadrat o wymiarach 43x43 cm by można włożyć do niego szybę, przez którą przechodzą promienie świetlne.
Zasada działania
Na poniższym rysunku mamy uproszczony schemat działania stolika. Podczerwień emitowana jest z nadajnika IR, która następnie po odbiciu od obiektu znajdującego się nad nim trafia do odpowiedniego odbiornika dzięki czemu możemy określić pozycję przeszkody nad panelem. Następnie sygnał analogowy z czujnika przekazywany jest do sterownika, każdy z nich ma oddzielny numer w programie by można odróżnić na jakim obszarze aktualnie wykrywany jest ruch, dzięki czemu możemy zaświecać odpowiednie diody LED i podziwiać świetlne efekty. Jak widać zasada działania jest bardzo prosta, jednak samo wykonanie już do banalnych nie należy, bez podstawowej wiedzy o elektronice i programowaniu wykonanie projektu nie było by możliwe, tym bardziej, że wszystko zostało zrobione od podstaw bez użycia gotowych modułów, które tak powszechnie są dzisiaj stosowane, jednak niesie to ze sobą same zalety, od kosztów wykonania po możliwość późniejszej dowolnej modyfikacji sterownika i paneli w zależności od naszych potrzeb.
Sterownik
Do naszego sterownika został użyty układ o nazwie Atmega32. Został on wybrany z kilku prostych przyczyn. Jak to przeważnie bywa pierwszą z nich będzie cena, 8 zł zapłacone za główny układ sterujący pracą całego stolika jest jak najbardziej opłacalne ze względów ekonomicznych, owszem można by do tego użyć popularnego ostatnio Arduino i tego typu podobnych zestawów uruchomieniowych jednak po co przepłacać kilkukrotnie więcej, skoro możemy uzyskać ten sam efekt przy odrobinie większym wysiłku? Drugim powodem dla wybrania tego procesora jest wystarczająca liczba wyprowadzeń by móc podłączyć wszystkie wymagane peryferia, a ostatnim to, że posiada wystarczającą ilość pamięci by móc realizować określony program i wyznaczone mu zadania.
Jak wiadomo, by sterować jasnością każdej diody LED poprzez odpowiednie wypełnienie procentowe przebiegu prostokątnego będzie nam potrzebne wyjście PWM. W procesorze nie ma ich zbyt wiele, zatem trzeba by poszukać jakiegoś układu zewnętrznego, który umożliwi nam zwiększenie ich ilości. Pomocny w tym przypadku będzie właśnie scalak o nazwie TLC5940, jest on 16 kanałowym generatorem PWM, sterowanym poprzez magistralę SPI. Co to oznacza? Dzięki użyciu jednego takiego układu zyskujemy dodatkowe 16 wyjść dzięki którym możemy sterować jasnością diod, dodatkowo ogromną zaletą jest to, iż nie jest potrzebne użycie żadnego rezystora by móc je podłączyć.
Kolejnymi potrzebnymi układami są demultipleksery oraz wzmacniacze. Ich zastosowanie jest potrzebne z jednej ale za to bardzo prostej przyczyny, zwiększenie dostępnej ilości wejść do badania stanów z czujników. Jak wiadomo odbiorników IR mamy aż 64, co za tym idzie musimy mieć możliwość odczytania stanu każdego z nich w dowolnym momencie, jeden taki układ dostarcza nam ich aż 16.
Przyszła pora na mały dodatek w postaci modułu Bluetooth HC-05. Nie jest on obowiązkową częścią sterownika jednak jeśli chcemy w jakiś sposób komunikować poprzez urządzenie mobilne bez tego się nie obędzie. Samo działanie jest proste, wystarczą nam 2 linie RxD i TxD oraz oczywiście Vcc i GND by móc w jakiś sposób układ zasilić. Urządzenie komunikuje się z procesorem poprzez magistralę UART wysyłając do niego odpowiednie ciągi liczb 8 bitowych. Po odczycie możemy określić to jaki przycisk w aplikacji został użyty i w zależności od tego wykonać żądaną akcje.
Panele LED
W panelach używane diody LED są w kolorze niebieskim, ich średnica wynosi 5mm, a prąd maksymalny 20mA. Do projektu zostało ich wykorzystane 256 sztuk. Nadajniki oraz odbiorniki podczerwieni są również o tej samej średnicy ze względów wizualnych, pracują na długości fali 940nm, jest to bardzo ważne by ten parametr w obu przypadkach był identyczny, inaczej cały panel nie będzie działał prawidłowo. Maksymalne napięcie wyjściowe z fotodiody IR wynosi ok. 1,5V, a prąd maksymalny nadajnika IR wynosi ok. 50mA, jest to dosyć dużo jednak dzięki temu ruch może być wykrywany dokładniej i na większej odległości, kąt świecenia wynosi 60 stopni.
Oczywiście 4 panele będziemy musieli jakoś połączyć ze sterownikiem. Złącza jakie zostały wykorzystane to IDC10 i IDC16 żeńskie oraz taśmy ze złączami IDC16. Gniazdo IDC10 służy jako wejście do programatora, a pozostałe pozwalają na łatwe bezpośrednie podłączenie paneli do sterownika.
Stolik
Po wykonaniu całej elektroniki oczywiście wypadało by ją gdzieś umieścić, do tego celu trzeba było wykonać stolik. Z powodu braku pieniędzy na wykonanie stolika od podstaw przyszedł pomysł kupna gotowego i dostosowania go odpowiednio do montażu. W tym celu należało wybrać się do jednego ze sklepów sprzedającego meble różnego rodzaju, pierwszą dobrą myślą było odwiedzenie IKEI, w swojej ofercie mają bardzo fajny kawowy stolik za koszt tylko 30 złotych! Co prawda nie jest on najwyższej jakości jednak do wykonania prototypu nadawał się idealnie. Wymiary jego blatu to 55x55cm, a wysokość od podstawy wynosi 45cm. Materiały z jakich głównie jest wykonany to płyta wiórowa oraz pilśniowa, kolory do wyboru były różne, jednak najlepiej prezentuje się w czarnym kolorze. Oczywiście by móc zamontować w nim panele należało wykonać kilka przeróbek. Min. wycięcie kwadratowego otworu itp.
Program
Sam program został napisany w języku C. Najważniejszą jego częścią jest oczywiście główny algorytm sterowania stolikiem dzięki któremu możemy doświadczać wizualnych efektów w zależności od położenia naszej dłoni nad powierzchnią blatu. Oprócz tego oczywiście znajdują się w nim też elementy odpowiedzialne za obsługę demultiplekserów, układów pwm itp. W zależności od potrzeb została napisana również funkcja do wyświetlania napisów, animacji czy prosta gra snake.
Nie obyło się również bez wykonania prostej aplikacji na androida w programie App Inventor, jest ona dość uniwersalna ponieważ wcześniej służyła mi jako pilot do sterowania LineFollowerem.
Podsumowanie
Mam nadzieję, że cała konstrukcja wam się spodobała. Niebawem będziemy pracować nad drugą wersją ILDS Table, która będzie nieco tańsza w wykonaniu ponieważ zredukujemy niepotrzebną liczbę niektórych elementów. Jeśli chcecie wspomóc nasz projekt możecie odwiedzić FanPage ILDS i zostawić lajka, wrzucamy tam często zdjęcia z prac nad projektami itp. Jeśli macie jakieś ciekawe pomysły czy propozycje piszcie oczywiście w komentarzach. Poniżej dodaję poglądowy film na YT gdzie możecie zobaczyć efekt całej pracy. Nie ma oczywiście tam przedstawionych wszystkich funkcji, lecz tylko te główne.
Facebook projektu: https://www.facebook.com/ildsystem
