เครื่องมือวัดโปรไฟล์ลิ้นไอ้ (Camshaft) แบบอัตโนมัติ

เมื่อ 30 ปีก่อน พี่เองก็เคยนั่งกระดาษกราฟ หน้าปัดวัด (Dial Indicator) และล้อวัดองศา (Degree Wheel) อยู่หลายวันเพื่อพล็อตโปรไฟล์ลิ้นไอ้สำหรับเครื่องยนต์แข่ง หลังจากที่ได้เล่นกับสเต็ปเปอร์มอเตอร์และไมโครคอนโทรลเลอร์มาพอสมควร ก็เลยคิดว่า "เฮ้ย ทำไมไม่สร้างเครื่องมือที่ทำมันให้อัตโนมัติซะเลยล่ะ?"

ดีไซน์นี้เป็นของพี่เองจ้า แม้ว่าจะมีเครื่องมือวัดลิ้นไอ้ด้วย Arduino ให้เห็นบนเน็ตอยู่หลายแบบ และพี่ก็ได้แรงบันดาลใจ รวมถึงโค้ดที่ดัดแปลงมาจาก GitHub และที่อื่นๆ ด้วย

พี่มีวิดีโอการทำงานมาให้ดูกัน

โปรโตคอลลับของหน้าปัดวัดดิจิทัล

การสร้างเครื่องยนต์แข่งต้องวัดลิ้นไอ้ให้ละเอียดถึงระดับหนึ่งในหมื่นของนิ้ว ไมโครมิเตอร์ธรรมดาไม่สามารถแมปเส้นโค้งที่กวาดไปมาได้ Arduino Camshaft Measurement Tool ตัวนี้จะดักจับข้อมูลการเคลื่อนที่ (displacement telemetry) จากหน้าปัดวัดดิจิทัลแบบเรียลไทม์ แล้วพล็อตกราฟการยก (lift graph) แบบ 360 องศาที่แม่นยำสุดๆ ลงบนแล็ปท็อปของน้องโดยตรงเลย!

หน้าปัดวัดดิจิทัลราคาถูกๆ ประมาณ 25 ดอลลาร์ ดูเหมือนจะเป็นอุปกรณ์สแตนด์อโลนใช่ไหม? แต่จริงๆ แล้วใต้แผ่นพลาสติกเล็กๆ นั้นมีแผ่นโลหะจิ๋ว 4 จุดซ่อนอยู่ (VCC, GND, CLK, DATA)

1. กับดักระดับแรงดัน (Logic Level Trap): หน้าปัดวัดทั่วไปพวกนี้ทำงานด้วยแบตเตอรี่กระดุม 1.5V ขณะที่ Arduino ใช้ 5V ถ้าน้องต่อตรงๆ กันละก็ Arduino จะส่งแรงดัน 5V เข้าไปทันที แล้วหน้าปัดวัดน้องก็... จบ! (ห้ามช็อตนะตัวนี้)
2. น้องต้องใช้ วงจรลดระดับแรงดันด้วยทรานซิสเตอร์ NPN (NPN Transistor Level Shifter) หรือโมดูลแปลงระดับลอจิกแบบ 4 ช่อง 3.3V-to-5V โดยเฉพาะ
3. ข้อมูลไม่ได้ส่งออกมาเรื่อยๆ นะ มันส่งเป็นระเบิด (bursts) หน้าปัดวัดเป็น "เจ้านาย (Master)" มันจะส่งสัญญาณนาฬิกา (CLK) ออกมาทุกๆ ไม่กี่มิลลิวินาที ตามด้วยข้อมูลไบนารีดิบๆ 24 บิต (DATA)

การดักจับและพล็อตข้อมูลสตริง 24 บิต

Arduino ต้องทำตัวเป็นผู้ฟังแบบพาสซีฟและทำหน้าที่เป็นตัวดักจับข้อมูลความเร็วสูง

• attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(CLOCK_PIN), readBit, FALLING);
• ทุกครั้งที่สัญญาณนาฬิกาตก (clock dips) Arduino จะอ่านสถานะของพิน DATA ทันที (1 หรือ 0)
• จากนั้นมันจะเลื่อนข้อมูล (shift) นี้เข้าไปในตัวแปร long จำนวนมหึมา ซึ่งแทนค่าหน่วยนิ้วหรือมิลลิเมตร
• ขั้นตอนการสร้างกราฟ: Arduino จะต่อเข้ากับ Rotary Encoder ที่ติดอยู่กับแกนกลางของลิ้นไอ้ที่กำลังหมุน
• ที่ 0 องศา การยก (lift) คือ 0.0000"
• ที่ 90 องศา การยกอาจเป็น 0.4560"
• Arduino จะส่งตัวเลขทั้งคู่นี้ (90, 0.4560) ผ่าน Serial Monitor ไปยัง PC เพื่อพล็อต "เส้นโค้งโปรไฟล์" ของลิ้นไอ้โลหะชิ้นใหญ่ได้เลย!

อุปกรณ์ที่ต้องจัดให้พร้อม (สู้งานนะน้อง)

• Arduino Uno/Nano (พอสำหรับดักจับโปรโตคอลมาตรฐานของหน้าปัดวัด)
• หน้าปัดวัดดิจิทัลยี่ห้อ Harbor Freight หรือทั่วไป (ต้องมีพอร์ตลับให้เข้าถึงได้)
• โมดูลแปลงระดับลอจิกแบบสองทาง 3.3V ไป 5V (ข้อนี้ห้ามต่อรอง! ไม่งั้นเครื่องมือพังแน่)
• Rotary Encoder แบบออปติคัลความละเอียดสูง (เพื่อติดตามองศาการหมุนของลิ้นไอ้)
• ขาตั้งวัดแบบแม่เหล็กและหนักมาก (ต้องแข็งแรงมั่นคงสุดๆ การสั่นไหวแม้แต่นิดเดียวจะทำลายค่าการอ่านระดับไมโครได้)