Разработка электронных программируемых конструкторов POV-дисплея для образования и развлечения

Актуальность

Имеющиеся в продаже комплекты для сборки POV-дисплея имеют цену от 1800 до 14000 руб. При этом их сборка довольно сложна, поскольку предусматривает SMD-пайку, предполагающую наличие специального дорогостоящего оборудования – паяльной станции с феном стоимостью 6000 – 18000 руб.

Пользователь должен применять программное обеспечение, предоставленное разработчиком, чтобы содержимое дисплея соответствовало описанию, и не может загружать в устройство свою программу, чтобы изменить содержимое дисплея и не вызвать непонимание программы.

Цель

Разработка недорогих электронных программируемых конструкторов POV-дисплея для образования и развлечения.

Задачи

1. Проведение анализа рынка наборов POV-дисплея.
2. Составление дорожной карты проекта и списка необходимого оборудования.
3. Освоение сред программирования Arduino IDE, EV3 и составление программ для POV-дисплеев и испытательного стенда.
4. Сборка, программирование и испытание POV-дисплеев на основе плат Arduino Uno, Arduino Nano, а также микроконтроллеров ATmega 328P-PU и ATTiny 85-20PU.
5. Сборка испытательного стенда из робототехнического набора Lego Mindstorms EV3 Education и 3D-моделирование.
6. Проведение испытаний POV-дисплеев.
7. Анализ полученных результатов.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Персональный компьютер HP ProBook 4720s с установленным на нём ПО – 2 шт.
• Робототехнический набор Lego WeDo Education 1.0 – 1 компл.
• Набор Lego Power Functions – 1 компл.
• Набор Lego Education «Возобновляемые источники энергии» – 1 компл.
• Робототехнический набор Lego Mindstorms EV3 Education – 1 компл.
• Набор электроники «Матрёшка Z» – 3 компл.
• Плата: Arduino Nano – 1 шт.
• Микроконтроллеры: ATmega 328P-PU – 1 шт. и ATTiny 85-20PU – 1 шт.
• Акселерометр MMA8452 – 1 шт.
• Светодиод (3 мм) – 25 шт.
• Выключатель – 5 шт.
• LiPo-аккумулятор, 3,7 В – 1 шт.
• Батарейка CR2032– 1 шт.
• Паяльник с терморегулятором – 1 шт.

Описание

В проекте лично автором были разработаны четыре модификации программируемых конструкторов POV-дисплея (POV – Persistance of Vision, англ. – инерция зрения). Три – на беспаечной макетной плате, последний вариант – на печатной плате.

Программируемый конструктор № 1 был собран из деталей робототехнического набора Lego WeDo Education 1.0, набора Lego Education «Возобновляемые источники энергии» и представляет собой качающуюся балку, приводимую в движение электромотором посредством кривошипно-шатунного механизма.

Этот механизм преобразует вращательное движение кривошипа, который одним концом жёстко закреплён на валу мотора, в поступательное движение шатуна, шарнирно соединённого с кривошипом. Другой конец шатуна шарнирно соединён с балкой. Нижний конец балки, в свою очередь, шарнирно соединён с плитой – основанием всей этой конструкции.

Электронная часть POV-дисплея из программируемого конструктора № 1 представляет собой вставленные в качающуюся балку 10 светодиодов, подсоединённых через резисторы к плате Arduino Uno, которая управляет светодиодами по специально составленной программе-скетчу, написанной в среде программирования Arduino IDE. При раскачивании балки видно световое изображение или текст, запрограммированный в скетче в виде определённых последовательностей сигналов светодиодов. Этот эффект называется персистенцией и основан на инерции нашего зрения, когда отдельные последовательные световые вспышки кажутся непрерывными (например, когда мы смотрим кинофильм, плёнка которого состоит из отдельных кадров).

Помимо этого, в электронную часть программируемого конструктора № 1 входят две оптические пары (оптопары): светодиод (источник светового сигнала) и фоторезистор – приёмник этого сигнала. Оптопары устанавливаются таким образом, чтобы балка оказалась между источником и приёмником в крайнем правом и крайнем левом положениях. Тогда при постоянном свечении светодиодов-источников, фоторезисторы фиксируют освещённость, которая меняется в зависимости от того, перекрывает ли балка светодиоды.

Изменение освещённости при перекрытии светодиодов фиксирует Arduino Uno и, согласно программе, переключает вывод символов «слева направо» на «справа налево» и наоборот. В проекте было собрано несколько вариантов программируемого конструктора № 1. В результате был выбран вариант с массивным основанием. Это увеличило устойчивость POV-дисплея. С той же целью и для питания мотора был использован массивный мультиметр-аккумулятор Energy meter из набора Lego Education «Возобновляемые источники энергии».

Кроме того, был запрограммирован прямой (слева направо) и обратный (справа налево) вывод символов в зависимости от направления движения балки, фиксируемого двумя оптопарами. В результате удалось отобразить на POV-дисплее из программируемого конструктора № 1 разные слова. К недостаткам данной конструкции следует отнести её громоздкость, значительную вибрацию во время работы, необходимость дополнительного крепления проводов, перемещающихся вместе с балкой. При этом в результате замедления движения балки при прохождении «мёртвой точки» получаются разные расстояния между буквами и уменьшенная ширина первой буквы. Кроме того, в скетче была использована только латиница.

Для создания более лёгкого и компактного POV-дисплея был разработан программируемый конструктор № 2 на основе платы Arduino Nano, беспаечной макетной платы и акселерометра MMA8452, фиксирующего изменение направления движения POV-дисплея при размахивании рукой за счёт изменения знака ускорения. При этом для большей надёжности POV-дисплея и чёткости изображения при размахивании рукой использовалась светодиодная шкала, а также плоский LiPO-аккумулятор на 3,7V.

Большей компактности устройства добились, перейдя от управляющей платы к микроконтроллеру, что и было реализовано в программируемом конструкторе № 3 на основе микроконтроллера ATmega 328P-P.

Стремясь к ещё большей компактности и надёжности, а также делая шаг к серийному производству, разработали программируемый конструктор № 4 на основе меньшего по размеру микроконтроллера ATtiny85 и печатной платы, которая также была уменьшена. Кроме того, было уменьшено количество светодиодов (с 8 до 5) и их размер (с 5 до 3 мм), а также использованы более компактный источник питания CR2032 на 3В и миниатюрный выключатель. В результате после пайки из программируемого конструктора № 4 получился лёгкий и компактный карманный POV-дисплей без соединительных проводов, который можно установить даже на велосипедное колесо. В состав этого конструктора входит также разработанный и напечатанный нами на 3D-принтере пластиковый корпус.

Поскольку было уменьшено количество светодиодов с 8 до 5, а также появилось желание помимо латиницы отображать на POV-дисплее и кириллицу, пришлось для написания скетча разобраться с кодировкой символов. Для этого был переделан найденный в интернете генератор символов 15х8 в 5х5. Генератор автоматически высчитывает кодировку символа после его набора щелчками по соответствующим ячейкам.

Для проведения испытаний POV-дисплея из программируемого конструктора № 4 на основе робототехнического набора Lego Mindstorms Education EV3 был спроектирован и изготовлен испытательный стенд, управляемый кнопками блока EV3, планшетом или сотовым телефоном по Bluetooth с помощью приложения Commander, позволяющими плавно менять скорость вращения POV-дисплея. Для увеличения количества оборотов на стенд была установлена повышающая зубчатая передача 5:1.

Первые испытания сопровождались значительной вибрацией, для уменьшения которой на несущей балке был установлен противовес.

Проведённые испытания показали, что при плавном увеличении скорости вращения световые символы сначала вращаются в одну сторону, затем «замирают», а потом вращаются в другую. Такая «неподвижность» символов возникает при скорости вращения POV-дисплея 9 об./сек.

Результаты работы/выводы

1. Спроектированы и разработаны бюджетные программируемые конструкторы POV-дисплея для образования и развлечения.
2. Собранные из программируемых конструкторов POV-дисплеи дают отчётливые изображения надписей и символов, экономичны, могут быть использованы для изучения стробоскопического эффекта на уроках физики, для изучения программирования в среде Arduino IDE различных световых надписей и изображений на уроках информатики и робототехники, а также для развлечений.
3. POV-дисплей, изготовленный из программируемого конструктора № 4 на печатной плате с микроконтроллером ATTiny 85-20PU, компактен (умещается в кармане), надёжен, дёшев (около 150 руб.). Он пригоден для серийного производства, привлекателен для детей, может быть установлен на колесо велосипеда, самоката, скутера и др. средств передвижения.

Перспективы использования результатов работы

Заказчиками и потребителями результатов этого проекта могут быть дети и их родители, а также образовательные учреждения: школы, колледжи и вузы.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ООО ГК «Современные технологии»

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

1. Городской конкурс проектов «Юные техники и изобретатели – 2022» – призёр.
2. XLIV Международная молодёжная научная конференция «Гагаринские чтения». Школьная сессия «Юный учёный» 2022 – диплом I степени.
3. Городской конкурс проектов «Школа будущего – 2022» – призёр.

Мнение автора

«Мне очень понравилась атмосфера открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» – соревновательная, но в то же время праздничная»