โปรเจกต์ Stroboscope สำหรับการใช้งานจริงจัง

การนำเสนอ

สโตรโบสโคป (Stroboscope) เครื่องนี้ถูกเรียกว่าเป็นรุ่นที่เน้นการใช้งานจริงจัง เนื่องจากไม่ได้มีวัตถุประสงค์เพื่อความสนุกสนานหรือความบันเทิงในไนท์คลับ แต่มันเป็นเครื่องมือที่มีความแม่นยำและใช้งานได้หลากหลาย ซึ่งสามารถใช้เพื่อวัดความเร็วการหมุนของมอเตอร์ หรือเพื่อวิเคราะห์การเคลื่อนที่แบบเป็นคาบ เช่น การสั่นของสายเครื่องดนตรี นอกจากนี้ยังสามารถเลือกเชื่อมต่อกับแฟลชอิเล็กทรอนิกส์เพื่อแยกภาพและถ่ายภาพการเคลื่อนที่ที่รวดเร็วได้ ยิ่งไปกว่านั้น มันยังสามารถซิงโครไนซ์กับสัญญาณภายนอกเพื่อเปลี่ยนให้เป็น Timing Light ซึ่งสามารถใช้เพื่อตั้งเวลาการจุดระเบิดของเครื่องยนต์รถรุ่นเก่าได้

หลักการทำงาน

โปรเจกต์นี้ถูกออกแบบโดยใช้ Arduino Nano Every แสงแฟลชถูกสร้างขึ้นโดยไฟฉาย LED ธรรมดาขนาด 9 LEDs ซึ่งแบตเตอรี่ขนาด 4.5 V ของเดิมถูกแทนที่ด้วยสายไฟสองเส้นที่เชื่อมต่อกับวงจรของสโตรโบสโคป คาบ (Period) และระยะเวลา (Duration) ของการกะพริบสามารถตั้งค่าได้โดยใช้ปุ่ม Pushbuttons สี่ปุ่ม โดยค่าต่างๆ จะแสดงบนหน้าจอ LCD ขนาด 16x2 ตัวอักษร มาตรฐาน ซึ่งค่าเหล่านี้สามารถปรับเปลี่ยนได้ตั้งแต่ 0.1 ms ถึง 999.9 ms โดยมีความละเอียดที่ 0.1 ms

ปุ่ม Pushbuttons จะทำหน้าที่เพิ่มหรือลดค่า Period หรือ Duration ของการกะพริบด้วยความเร็วที่เพิ่มขึ้นตามระยะเวลาที่กดปุ่มค้างไว้ ความเร็วนี้เป็นไปตามกฎ (Law) ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนได้ง่ายใน Code

LCD ที่ใช้แสดงค่า Period และ Duration นั้นรองรับการใช้งานกับ Library liquidCrystal และถูกเชื่อมต่อในลักษณะเดียวกับตัวอย่างใน Library นี้ ยกเว้นส่วนของ Backlight ที่สามารถปรับค่าได้ผ่าน Potentiometer

สโตรโบสโคปเครื่องนี้สามารถขับแฟลชอิเล็กทรอนิกส์เสริมได้ โดยการชอร์ตหน้าสัมผัสกลางเข้ากับ GND ในแต่ละ Period เป็นเวลาสั้นๆ แฟลชนี้สามารถใช้สลับกับไฟฉาย LED หรือใช้ไปพร้อมๆ กันก็ได้

การซิงโครไนซ์ของสโตรโบสโคปทำได้โดยการชอร์ต Digital Input ลง GND เมื่อ Input นี้เชื่อมต่อกับ GND การปล่อยแฟลชจะหยุดลง และเมื่อเปิดวงจรอีกครั้ง แฟลชจะถูกปล่อยออกมาหลังจากนั้นหนึ่ง Period พอดี ข้อควรระวัง: เมื่อทำการตั้งเวลาจุดระเบิดของเครื่องยนต์ ห้ามจ่ายแรงดันไฟฟ้าจากระบบจุดระเบิดเข้าไปยัง Input สำหรับการซิงโครไนซ์ เพราะอาจทำให้บอร์ด Arduino เสียหายได้

คำอธิบายและคำชี้แจง

9LED torch :

ไฟฉาย LED ถูกควบคุมโดย Digital Output D13 ของ Nano Every แต่มันไม่ได้เชื่อมต่อโดยตรงกับ Output นี้ เพราะต้องการกระแส 180 mA ที่แรงดัน 4.5 V ในขณะที่แต่ละ Output ของ Arduino ถูกจำกัดไว้ที่ 40 mA ไฟฉายนี้ได้รับพลังงานจากแบตเตอรี่ 9 V ผ่าน N-channel MOSFET Q2 และ Resistor R2 ขนาด 47 ohms โดย Resistor ตัวนี้จะจำกัดกระแสที่ผ่านไฟฉายไว้ที่ประมาณ 100 mA ซึ่งเพียงพอที่จะให้แสงสว่างที่เหมาะสม ทั้งนี้ Resistor ต้องสามารถทนกำลังไฟฟ้าได้อย่างน้อย 47 x 0.1² = 0.47 W ดังนั้น Resistor ขนาด 1 W จึงเป็นตัวเลือกที่ดี

ผมใช้ไฟฉายธรรมดาที่มีหัวแบบ 9 LEDs โดยบัดกรีสายไฟสองเส้น: เส้นแรกเข้ากับสปริง (Anode) และอีกเส้นเข้ากับตัวบอดี้ (Cathode)

Electronicflash :

Pins A6 ของ Nano Every ถูกโปรแกรมให้เป็น Digital Output ซึ่งจะส่งสัญญาณ Pulse สั้นๆ ในทุกๆ Period ของสโตรโบสโคป Output นี้เชื่อมต่อกับ Gate ของ N-channel MOSFET Q3 โดยขา Drain ของ Transistor ตัวนี้จะเป็นวงจรเปิด ยกเว้นในช่วงที่เกิด Pulse บน Pins A6 ซึ่งมันจะถูกเชื่อมต่อลง GND หน้าสัมผัสกลางของแฟลชอิเล็กทรอนิกส์สามารถนำมาเชื่อมต่อกับขา Drain ของ Q3 ในขณะที่ขาร่วม (Common) เชื่อมต่อลง GND

ส่วนนี้ของโปรเจกต์เป็นส่วนเสริมด้วยเหตุผลหลายประการ อย่างแรกคือคุณต้องมีแฟลชอิเล็กทรอนิกส์ (หรือต้องซื้อซึ่งมีราคาค่อนข้างสูง) แฟลชนี้ต้องมีเวลาในการประจุไฟใหม่ (Recycling time) ที่สั้นมาก ของผมเป็นรุ่น Canon Speedlite 430 EX เมื่อผมตั้งค่าในโหมด Manual ด้วยกำลังไฟ 1/64 ของกำลังไฟสูงสุด และเมื่อแบตเตอรี่เต็ม ผมสามารถตั้งค่า Period ของสโตรโบสโคปลงไปได้ถึง 70 ms นอกจากนี้คุณยังต้องการอะแดปเตอร์เพื่อเชื่อมต่อแฟลชอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับสโตรโบสโคป ผมใช้ของ Kaiser Fototechnik 1303 และแจ็คตัวเมียขนาด 3.5 mm

Pushbuttons:

ปุ่ม Pushbuttons ทั้งสี่ปุ่ม (PB0 ถึง PB3) เชื่อมต่อกับ Pins D6, D7, D8 และ D9 ของ Nano Every ตามลำดับ Pins เหล่านี้ถูกโปรแกรมให้เป็น Digital Inputs แบบมี Pullups และปุ่มกดจะทำหน้าที่เชื่อมต่อพวกมันลง GND เมื่อถูกกด

LCD:

LCD เชื่อมต่อในลักษณะเดียวกับตัวอย่างใน Library liquidCrystal โดยใช้ Pins D2, D3, D4, D5, D11 และ D12 ของ Nano Every

LCDbacklight :

ความสว่างของ LCD Backlight สามารถปรับได้ด้วย Potentiometer P2 ซึ่งจะจ่ายแรงดัน 0 - 5 V ไปยัง Analog Input A7 ของ Nano Every ส่วน LCD Backlight จะถูกขับเคลื่อนโดย PWM Output D10 ผ่าน N-channel MOSFET Q1 และ Resistor R1

โดยทั่วไป LCD มักจะใช้งานร่วมกับตัวควบคุม Hitachi HD 44780 ได้ แต่ส่วนของ Backlight ดูจะมีความซับซ้อนกว่าเล็กน้อย ผมได้วิเคราะห์ LCD หลายตัวและพบว่าแรงดันไฟฟ้าที่ใช้เลี้ยง Backlight มีตั้งแต่ 3 ถึง 5 V และกระแสไฟฟ้ามีตั้งแต่ 10 ถึง 130 mA วงจรที่นำเสนอ (Q1 และ R1) สามารถใช้ได้กับ Backlight ทุกประเภท หากมีการปรับค่า Resistor R1 ดังนี้:

ค่าของ R1 จะต้องมากกว่าค่า (9 - Vs) / If เล็กน้อย โดย Vs คือแรงดันไฟฟ้าของ Backlight และ If คือกระแสไฟฟ้าในหน่วย A นอกจากนี้ Resistor R1 ต้องสามารถทนกำลังไฟฟ้าได้มากกว่า (9 - Vs) x If

ตัวอย่าง: Backlight ของ LCD ของผมต้องการกระแส 130 mA ที่แรงดัน 4.2 V ดังนั้น R1 ต้องใหญ่กว่า (9 - 4.2) / 0.130 = 36.9 ohms เล็กน้อย ผมจึงเลือกใช้ Resistor ขนาด 47 ohms และมันต้องทนกำลังไฟฟ้าได้ (9 - 4.2) x 0.130 = 0.62 W ในกรณีของผม R1 จึงเป็น Resistor ขนาด 47 ohms 1 W

นี่คือข้อมูล LCD ที่ผมได้ทำการวิเคราะห์:

Powersupply :

สโตรโบสโคปใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ 9 V โดย Input Vin ของ Nano Every เชื่อมต่อกับขั้วบวก 9 V ผ่าน Diode D1 อาจต้องมีคำอธิบายเพิ่มเติมเกี่ยวกับ Diode ตัวนี้ คือเมื่อ Nano Every ได้รับพลังงานผ่าน USB จะมีแรงดันไฟฟ้าประมาณ 4 V ปรากฏที่ Pins Vin หาก LCD Backlight และ/หรือ ไฟฉาย LED เชื่อมต่อกับ Pin นี้ อาจมีกระแสไหลออกไปถึง 200 mA ดังนั้น Diode D1 จึงช่วยปกป้อง Nano Every โดยการป้องกันไม่ให้มีกระแสไหลออกจาก Vin ในขณะที่ Nano Every กำลังรับไฟจาก USB

Synchro:

ส่วนนี้จัดการด้วย Code เพียงไม่กี่บรรทัด และผมได้จำลองสัญญาณด้วยปุ่มกดที่เชื่อมต่อระหว่าง GND และ Pins A5 ของ Arduino เพื่อทดสอบฟังก์ชันนี้

บทสรุป

ผมหวังว่าคุณจะสนุกกับโปรเจกต์นี้ และผมคิดว่านอกจากการสร้างสโตรโบสโคปแล้ว คุณยังสามารถเรียนรู้ได้จากสองประเด็นหลัก เรื่องแรกคือการใช้ปุ่ม Pushbuttons และ LCD เพื่อปรับค่าประเภทต่างๆ ตามกฎ (Law) ที่สามารถปรับเปลี่ยนได้ง่าย และเรื่องที่สองคือการประยุกต์ใช้กับ LCD Backlight ประเภทต่างๆ และความสามารถในการปรับความสว่างของพวกมัน