Контроллеры движения своими руками

Делаем датчики движения своими руками

В быту все чаще появляются различные электронные устройства создающие комфортные условия проживания, позволяющие экономить затраты на коммунальные услуги. Эти приборы легко приобрести в специализированных магазинах. Однако не такие уж маленькие затраты многим не позволяют это сделать. Вариант изготовить устройство самостоятельно для «мастеров-самоделок» вполне осуществим. Кроме всего прочего не надо будет приглашать специалистов в случае неполадок — собственное творение никто не знает лучше автора.

Польза от установки датчика движения

Основные преимущества установки датчика изготовленного самостоятельно:

• в некоторых местах включить свет бывает затруднительно, с помощью датчика движения это можно сделать автоматически;
• датчик движения работает, как элемент энергосберегающей экономики там, где забывают выключать за собой свет;
• незаменимый в схеме охранной сигнализации от проникновения посторонних лиц на территорию дома;
• самые разнообразные другие опции, например, автоматическое открывание дверей при выезде автомобиля со двора.

Виды датчиков движения

По принципу формирования контрольного сигнала все датчики классифицируются по следующим группам:

• ультразвуковые;
• радиочастотные;
• инфракрасные;
• лазерные.

В каждом устройстве применяется свой вид излучения, характеристики которого заложены в их названии.

Советуем прочитать: узнайте какие бывают датчики движения, а также об их преимуществах и недостатках .

Самодельные датчики движения

Вопрос о том, как сделать датчик движения своими руками связан с ограниченными возможностями домашнего мастера, то есть должен быть максимально простым. Наибольшее распространение получили следующие варианты исполнения:

• прибор со встроенным источником света и находящегося на определенном расстоянии фотоэлемента транзистора (световой);
• прибор, состоящий из изготовленных самостоятельно электрических емкостей, который изменяет свои емкостные показатели при появлении в контролируемой зоне человека (емкостной);
• используется совсем недорогой комплект «Arduino», который реагирует на изменение теплового излучения.

Пример изготовления датчика

Световой датчик состоит из источника света и приемника светового излучения. В домашних условиях в качестве источника можно применить лазерную указку. Выбор может упасть также на светодиоды, что уменьшит расстояния между источником и приемником света. В охранной сигнализации источником может быть инфракрасный диод, что сделает устройство менее заметным.

Принципиальная схема приемника светового прибора представлена на изображении:

Что надо иметь для самостоятельного изготовления

Для практической реализации представленной схемы понадобятся следующие основные инструменты и комплектующие.

• Паяльник. Мастер должен уметь работать с этим инструментом.
• Мультиметр — для измерения электрических параметров собираемой схемы.
• Бокорезы, пинцет. Эти инструменты необходимы для выполнения проводки и работы с мелкими электронными комплектующими.
• Транзистор с фотоэлементом. Из него следует изготовить фотоэлемент — собственно основной чувствительный элемент датчика. Для этого подойдет фототранзистор с корпусом как показано на изображении:С помощью бокорезов освободить транзистор от крышки. Получится открытая поверхность кристалла фотоэлемента (смотреть изображение), которая будет реагировать на попадание света.
  
• Операционный усилитель для увеличения параметров сигнала при использовании внешних приемников для подачи сигнала (радиоприемник или другой вид информирования о случившемся событии). Выглядит операционный усилитель как показано на изображении:
  
• Конденсатор, резисторы, реле. В качестве реле подойдет РЭС55, смотреть изображение:
  
• Драйвер или блок питания для подачи напряжения (можно бывший в употреблении, но рабочий от 4.5 В до 12 В)

Основные рекомендации и порядок сборки

• Из подготовленных деталей выполняется несложная схема, приведенная выше.
• Производится подключение с помощью паяльника к блоку питания. Собранная плата выглядит, как показано на изображении:
  
• Собранную схему лучше разместить в каком-нибудь корпусе, подходящем по размеру.

Важно: оставить свободный доступ к светочувствительному элементу.

Как работает самодельный датчик света

Источник света направляет излучение на кристалл фотоэлемента транзистора VT1 (смотреть схему), создавая условия аналогичные подаче напряжения на его базу. В таком случае полупроводник откроется, а конденсатор С1 зарядится. Резистор R1 регулирует величину точки срабатывания транзистора и подбирается опытным путем (за базу взято значение 10 кОм). Конденсатор подбирается емкостью 10 мкф.

В тот момент, когда свет перестает падать на фотоэлемент, а это происходит при возникновении преграды в виде человека, конденсатор начнет разряжаться. При этом напряжение в точке А будет постепенно снижаться. Операционный усилитель многократно усиливает сигнал и на выходе можно будет подключить извещатели различного типа.

Анализировать информацию с датчика поможет установка в схему реле. Его подключаем следующим образом: один контакт соединяем с цепью питания, другой заземляем, а третий подключаем к извещателю, например, радиоприемнику, как показано на изображении:

Пока свет попадает на фотоэлемент, питающая цепь реле соединена с корпусом и радио не работает. В отсутствии сигнала от фотоэлемента контакт реле переключается на цепь питания (на изображении 12 В) и радио подает звуковой сигнал.

Емкостной датчик движения

Такой датчик реагирует на присутствие в контролируемой зоне человека. Существуют несколько исполнений этих устройств, однако принцип работы у них общий — изменение частоты высокочастотного генератора происходит с изменением емкости создаваемого устройством электрического поля.

Схема одного из устройств представлена на изображении:

Чувствительность схемы определяется полевым транзистором VT1, которая корректируется переменным резистором R1. На полевом транзисторе собран высокочастотный генератор, частота которого изменяется при приближении крупного предмета, например, человека. В режиме ожидания полевой транзистор генерирует колебания на первичную обмотку трансформатора. Со вторичной обмотки трансформатора эти колебания выпрямляются диодом VD1. При этом напряжение на коллекторе транзистора VT2 равно нулю (показано на вышеприведенной схеме). Данное состояние обеспечивает закрытое состояние тиристора VS1.

При приближении человека к сенсору А прекращается подача положительно открывающего напряжения на транзистор VT2. Он закрывается, а тиристор VS1 открывается. При этом производится коммутация реле, которое приводит в действие извещатель любого типа.

Все компоненты этой схемы можно за весьма небольшую цену приобрести в специализированных магазинах или, например, в интернет-магазине «Aliexpress». Схема простая и собрать ее не заставит большого труда.

Датчик на Arduino своими руками

Автоматизировать процесс работы можно использованием в схеме контроллера Arduino. Это позволит разработать инфракрасный датчик движения для включения света, реагирующий на изменение температуры. Для изготовления понадобятся следующие комплектующие:

• контроллер Arduino;
• печатная плата;
• кабель USB;
• инфракрасный датчик (PIR — сенсор);
• набор из резисторов, предохранителей, конденсаторов;
• электрические провода для монтажа.

Контроллер Arduino, который можно приобрести за совсем небольшие деньги в интернет-магазине Aliexpress, в своем наборе имеет некоторое количество программного обеспечения, которое можно приспособить под конкретную комплектацию управляемых устройств. Если подобрать программу включающую управление светодиодом, а управляющую кнопку заменить инфракрасным датчиком, то получим автоматическое устройство управления освещением на платформе Arduinо.

Освещением возможно управлять, если вместо диода подключить обмотку реле. Отличие работы освещения с использованием Arduino от системы с обычными датчиками заключается в том, что длительность его работы можно задавать с помощью программы.

Советы разработчикам датчиков движения своими руками

Прежде чем браться за создание датчиков движения самостоятельно следует оценить свои знания в области электронных устройств и по крайней мере хорошо владеть паяльным мастерством. Не исключено, что некоторым особо талантливым людям навыки могут прийти во время выполнения поставленной задачи.

Большим подспорьем будет иметь в наличии старые советские журналы для радио-конструкторов на любительском уровне. Советская элементная база еще не ушла совсем в прошлое. В указанной научно-технической литературе хорошо описываются способы ее применения.

В этих же журналах, где авторами являлись квалифицированные, высокого профессионального уровня советские инженеры, можно найти интересные идеи как сделать датчик движения, опирающиеся на применение простейших радиодеталей.

В устройствах для упрощения работ можно использовать готовые сенсоры, которые подключаются к извещателям световых, звуковых и других сигналов.

Самостоятельная разработка и изготовление датчиков движения занятие весьма увлекательное, а главное реализуемое. Применение в работе различных контроллеров позволяет приобрести опыт программиста. В статье приведена лишь небольшая часть реализуемых самостоятельно принципов действия датчиков движения. Неутомимое стремление к совершенству «мастеров-самоделкиных» значительно расширит область датчиков движения изготовленных своими руками.

Видео по теме

Источник

Создаём собственный игровой контроллер

Источник вдохновения

На игровых выставках разработчики Objects in Space показывали демо своей игры с контроллером на кокпите огромного космического корабля. Он был дополнен загорающимися кнопками, аналоговыми приборами, световыми индикаторами состояния, переключателями и т.д… Это сильно влияет на погружение в игру:

На сайте игры выложен туториал по Arduino с описанием коммуникационного протокола для подобных контроллеров.

Я хочу создать то же самое для своей игры

В этом примере я потрачу примерно 40 долларов, чтобы добавить красивые, большие и тяжёлые переключатели на кокпит симулятора гонок. Основные затраты связаны с этими самыми переключателями — если бы я использовал простые переключатели/кнопки, то цена была в два раза ниже! Это настоящее оборудование, способное выдерживать 240 Вт мощности, а я буду пускать по ним только примерно 0,03 Вт.

Предупреждение: я решил сэкономить, поэтому оставляю ссылку на дешёвый китайский веб-сайт, где закупаю кучу разных компонентов/инструментов. Один из недостатков покупки компонентов по дешёвке заключается в том, что часто у них нет никакой документации, поэтому в статье я решу и эту проблему.

Основные компоненты

Рекомендуемые инструменты

Программное обеспечение

Предупреждение

Я изучал электронику в старшей школе, научился пользоваться паяльником, узнал, что красные провода нужно соединять с красными, а чёрные с чёрными… Вольты, амперы, сопротивление и связывающие их уравнения — вот и всё, чем исчерпывалось моё формальное обучение электронике.

Для меня это был обучающий проект, поэтому в нём могут быть плохие советы или ошибки!

Часть 1. Собираем контроллер!

Работаем с переключателями без документации.

Как сказано выше, я покупаю дешёвые детали у розничного продавца с низкой маржей, поэтому первым делом нужно разобраться, как работают эти переключатели/кнопки.

Простая двухконтактная кнопка/переключатель

С кнопкой всё просто — в ней нет светодиодов и всего два контакта. Переключаем мультиметр в режим непрерывности/прозвонки () и касаемся щупами разных контактов — на экране будет отображаться OL (open loop, разомкнутая цепь): это означает, что между двумя щупами нет соединения. Затем нажимаем на кнопку, по-прежнему касаясь щупами контактов — на экране теперь должно отобразиться что-то типа 0.1Ω и мультиметр начнёт пищать (сообщая о том, что между щупами присутствует очень низкое сопротивление — замкнутая цепь).

Теперь мы знаем, что при нажатии кнопки цепь замыкается, а при отжатии — размыкается. На схеме это можно обозначить как простой выключатель:

Подключаем переключатель к Arduino

Найдите на плате Arduino два контакта: помеченный GND и помеченный «2» (или любым другим произвольным числом — это контакты ввода-вывода общего назначения, которыми мы можем управлять через ПО).

Если мы подключим переключатель таким образом, а потом прикажем Arduino сконфигурировать контакт «2» как контакт INPUT, то получим цепь, показанную слева (на рисунке ниже). При нажатии кнопки контакт 2 будет напрямую соединяться с землёй / 0V, а при отжатии контакт 2 не будет соединён ни с чем. Это состояние (ни с чем не соединён) называется «floating» (состояние с высоким импедансом) и, к сожалению, это не очень хорошее состояние для наших целей. Когда мы считываем данные с контакта в ПО (с помощью digitalRead(2)), получаем LOW, если контакт заземлён, и непредсказуемый результат (LOW или HIGH), если контакт находится в состоянии floating!

Чтобы исправить это, мы можем сконфигурировать контакт так, чтобы он находился в режиме INPUT_PULLUP, который соединяется с резистором внутри процессора и создаёт схему, показанную справа. В этой цепи при разомкнутом переключателе контакт 2 имеет путь к +5V, поэтому при его считывании результатом всегда будет HIGH. При замыкании переключателя у контакта по-прежнему будет путь с высоким сопротивлением к +5V, а также путь без сопротивления к земле / 0V, который «побеждает», благодаря чему при считывании контакта мы получаем LOW.

Разработчикам ПО порядок может показаться обратным — при нажатии кнопки мы считываем false / LOW, а при отжатии — true / HIGH.

Можно сделать и наоборот, но у процессора есть только встроенные подтягивающие резисторы и нет утягивающих вниз резисторов, поэтому мы будем придерживаться этой модели.

Простейшая программа для Arduino, которая считывает состояние переключателя и сообщает PC о его состоянии, выглядит примерно так, как показано ниже. Вы можете нажать кнопку загрузки в Arduino IDE, а затем открыть Serial Monitor (в меню Tools), чтобы увидеть результаты.

Другие переключатели почти без документации.

Светодиодный переключатель с тремя контактами

К счастью, на основных переключателях моей панели есть пометки трёх контактов:

Я не полностью уверен, как он работает, поэтому мы снова переключим мультиметр в режим непрерывности и коснёмся всех пар контактов при включенном и отключенном переключателе… однако на этот раз мультиметр вообще не пищит, когда мы касаемся щупами [GND] и [+] при «включенном» переключателе! Единственная конфигурация, при которой мультиметр пищит (обнаруживает соединение) — когда переключатель «включен», а щупы находятся на [+] и [lamp].

Светодиод внутри переключателя блокирует измерения непрерывности, поэтому из проведённых выше проверок мы можем предположить, что LED подключен непосредственно к контакту [GND], а не к контактам [+] и [lamp]. Далее мы переключим мультиметр в режим проверки диодов (символ ) и снова проверим пары контактов, но на этот раз важна полярность (красный и чёрный щуп). Теперь если мы соединим красный щуп с [lamp], а чёрный — с [GND], то светодиод загорится, а на мультиметре отобразится 2.25V. Это прямое напряжение диода, или минимальное напряжение, необходимое для его включения. Вне зависимости от положения переключателя, 2.25V от [lamp] к [GND] заставляет LED загореться. Если мы соединим красный щуп с [+], а чёрный — с [GND], то светодиод загорится только при включённом переключателе.

Из этих показаний мы можем предположить, что внутренности этого переключателя выглядят примерно как на схеме ниже:

1. [+] и [lamp] замыкаются накоротко, когда переключатель включен/замкнут.
2. Положительное напряжение от [lamp] к [GND] всегда зажигает светодиод.
3. Положительное напряжение от [+] к [GND] зажигает светодиод только при включенном/замкнутом переключателе.

Честно говоря, о присутствии резистора здесь можно только догадываться. Светодиод должен быть соединён с соответствующим резистором, чтобы ограничивать подаваемый на него ток, или он сгорит. Мой не сгорел и похоже, что работает правильно. На форуме веб-сайта продавца я нашёл пост, в котором говорится об установленном резисторе, поддерживающем работу до 12 В, и это сэкономило мне время на проверку/вычисления подходящего резистора.

Подключаем переключатель к Arduino

Проще всего использовать переключатель с Arduino, проигнорировав контакт [lamp]: подключить [GND] к GND в Arduino и соединить [+] с одним из пронумерованных контактов Arduino, например 3.

Если мы сконфигурируем контакт 3 как INPUT_PULLUP (так же, как и для предыдущей кнопки), то придём к показанному ниже результату. Слева вверху показано значение, которое мы будем получать, выполнив «digitalRead(3)» в коде Arduino.

Когда переключатель включен/замкнут, мы считываем LOW и светодиод загорается! Для использования такого переключателя в данной конфигурации мы можем использовать тот же код Arduino, что и в примере с кнопкой.

Проблемы этого решения

После подключения к Arduino полная цепь выглядит так:

Однако здесь мы можем увидеть, что при замыкании переключателя кроме небольшого ограничивающего ток резистора перед LED (я предполагаю, что его сопротивление 100 Ом) есть и ещё и подтягивающий резистор на 20 кОм, который ещё больше снижает величину тока, текущего через светодиод. Это означает, что хотя цепь и работает, светодиод будет не очень ярким.

Ещё один недостаток этой схемы в том, что у нас нет программного контроля над LED — он включён, когда включён переключатель, и отключен в противоположном случае.

Можно посмотреть, что случится, если мы подключим контакт [lamp] или к 0V, или к +5V.

Если [lamp] подключен к 0V, то светодиод постоянно отключен (вне зависимости от позиции переключателя), а распознавание позиции Arduino всё равно выполняется. Это позволяет нам при желании программно отключать LED!

Если [lamp] подключен к +5V, то светодиод постоянно включен (вне зависимости от позиции переключателя), однако распознавание позиции Arduino поломано — с контакта всегда будет считываться HIGH.

Подключаем этот переключатель к Arduino правильно

Мы можем преодолеть описанные выше ограничения (низкий ток/яркость светодиода и отсутствие программного контроля над светодиодом), написав больше кода! Чтобы разрешить конфликт между возможностью управления светодиодом и сломанным из-за него распознаванием позиции, мы можем разделить две задачи по времени, то есть временно отключать LED при считывании контакта датчика (3).

Сначала подключим контакт [lamp] к ещё одному контакту Arduino общего назначения, например, к 4, чтобы можно было управлять lamp.

Чтобы создать программу, которая будет правильно считывать позицию переключателя и управлять светодиодом (мы заставим его мигать), нам достаточно просто отключать светодиод перед считыванием состояния переключателя. Светодиод будет отключаться всего на доли миллисекунд, поэтому мерцание не должно быть заметно:

В Arduino Mega контакты 2-13 и 44-46 могут использовать функцию analogWrite, которая на самом деле не создаёт напряжения от 0V до +5V, а аппроксимирует его при помощи прямоугольной волны. При желании можно использовать её для управления яркостью светодиода! Этот код заставит свет пульсировать, а не просто мерцать:

Подсказки по сборке

Пост и так уже довольно большой, так что я не буду добавлять ещё и туториал по пайке, можете его загуглить!

Однако приведу самые базовые советы:

• При соединении проводов с большими металлическим контактами сначала убедитесь, что паяльник нагрелся и какое-то время нагревайте и металлический контакт. Смысл пайки заключается в образовании постоянного соединения созданием сплава, но если горячей является только одна часть соединения, то у вас запросто может получиться «холодное соединение», которое выглядит как соединение, но на самом деле не соединено.
• При соединении двух проводов наденьте сначала на один из них кусок термоусадочной трубки — после соединения трубку надеть будет нельзя. Это кажется очевидным, но я постоянно это забываю и мне приходится использовать вместо трубки изоленту… Протяните термоусадочную трубку подальше от соединения, чтобы она не нагрелась раньше времени. Проверив паянное соединение сдвиньте на него трубку и нагрейте её.
• Тонкие маленькие соединительные провода, которые я упоминал в начале, хорошо подходят для соединений без пайки (например, при подключении к Arduino!), но довольно хрупкие. После пайки используйте для их закрепления клеевой пистолет и устраните из самого соединения все напряжения. Например, красные провода на показанном ниже снимке при работе можно случайно потянуть, поэтому после пайки я зафиксировал их каплей горячего клея:

Часть 2. Превращаем устройство в игровой контроллер!

Чтобы ОС распознала устройство как игровой USB-контроллер, нужен достаточно простой код, но, к сожалению, также необходимо заменить firmware USB-чипа Arduino другим, которое можно взять здесь: https://github.com/harlequin-tech/arduino-usb.

Но после заливки этого firmware в Arduino устройство становится USB-джойстиком и перестаёт быть Arduino. Поэтому чтобы перепрограммировать его, нужно заново перепрошить исходную firmware Arduino. Эти итерации довольно мучительны — загружаем код Arduino, прошиваем firmware джойстика, тестируем, прошиваем firmware arduino, повторяем…

Пример программы для Arduino, которую можно использовать с этим firmware, показан ниже — он конфигурирует три кнопки в качестве вводов, считывает их значения, копирует значения в структуру данных, ожидаемую этим firmware, а затем отправляет данные. Смыть, намылить, повторить.

Часть 3. Интегрируем устройство с собственной игрой!

Если у вас есть контроль над игрой, с которой должно взаимодействовать устройство, то в качестве альтернативы можно общаться с контроллером напрямую — нет необходимости делать его видимым для ОС как джойстик! В начале поста я упомянул Objects In Space; именно такой подход использовали её разработчики. Они создали простой коммуникационный ASCII-протокол, позволяющий контроллеру и игре общаться друг с другом. Достаточно просто перечислить последовательные порты системы (они же COM-порты в Windows; кстати, посмотрите, как ужасно это выглядит на C), найти порт, к которому подключено устройство с названием «Arduino», и начать считывать/записывать ASCII по этой ссылке.

На стороне Arduino мы просто используем функции Serial.print, которые применялись в показанных выше примерах.

В начале этого поста я также упоминал мою библиотеку для решения этой задачи: https://github.com/hodgman/ois_protocol.

Она содержит код на C++, который можно интегрировать в игру и использовать её в качестве «сервера», и код Arduino, который можно выполнять в контроллере, чтобы использовать его в качестве «клиента».

Настраиваем Arduino

В example_hardware.h я создал классы, чтобы абстрагировать отдельные кнопки/переключатели; например, «Switch» — это простая кнопка из первого примера., а «LedSwitch2Pin» — переключатель с управляемым светодиодом из второго примера.

Код примера для моей панели кнопок находится в example.ino.

В качестве небольшого примера давайте допустим, что у нас есть единственная кнопка, которую нужно отправлять в игру, и один управляемый игрой светодиод. Необходимый код Arduino выглядит так:

Настраиваем игру

Код игры написан в стиле «single header». Для импорта библиотеки включим в игру oisdevice.h.

В едином файле CPP, прежде чем выполнять #include заголовка, напишем #define OIS_DEVICE_IMPL и #define OIS_SERIALPORT_IMPL — это добавит в файл CPP исходный код классов. Если у вас есть собственные утверждения, логгинг, строки или векторы, то существует несколько других макросов OIS_*, которые можно определить перед импортом заголовка, чтобы воспользоваться возможностями движка.

Для перечисления COM-портов и создания соединения с конкретным устройством можно использовать такой код:

Получив экземпляр OisDevice, нужно регулярно вызывать его функцию-член Poll (например, в каждом кадре), можно получать текущее состояние вывода контроллера с помощью DeviceOutputs(), использовать события устройства с помощью PopEvents() и отправлять устройству значения с помощью SetInput().

Пример приложения, делающего всё это, можно найти здесь: example_ois2vjoy/main.cpp.

Часть 4. Что если я хочу части 2 и 3 одновременно?

Чтобы контроллер мог работать в других играх (часть 2), нужно установить собственное firmware и одну программу Arduino, но чтобы контроллер полностью программировался игрой, мы использовали стандартное firmware Arduino и другую программу Arduino. Но что если мы хотим иметь обе возможности одновременно?

Пример приложения, на который я давал ссылку выше (ois2vjoy), решает эту проблему.

Это приложение общается с OIS-устройством (программа из части 3), а затем на PC преобразует эти данные в обычные данные контроллера/джойстика, которые потом передаются в виртуальное устройство контроллера/джойстика. Это означает, что можно позволить своему контроллеру постоянно использовать библиотеку OIS (другое firmware не требуется), а если мы захотим использовать его как обычный контроллер/джойстик, то просто запустим на PC приложение ois2vjoy, выполняющее преобразование.

Часть 5. Завершение

Надеюсь, кому-то эта статья показалась полезной или интересной. Спасибо, что дочитали до конца!

Если вам стало любопытно, то я приглашаю вас поучаствовать в развитии библиотеки ois_protocol! Думаю, будет здорово разработать единый протокол для поддержки всевозможных самодельных контроллеров в играх и стимулировать игры к прямой поддержке самодельных контроллеров!

Источник