Budowa układu dmuchaw sterowanych Arduino - opis, schematy, montaż

Nie! Nie jest to żart primaaprilisowy! Dla wielu osób dużym zaskoczeniem może być fakt, że lewitujący obiekt utrzymuje się w strumieniu powietrza i z niego nie ucieka. Jest to jeszcze bardziej spektakularne zjawisko w przypadku większej liczby lewitujących obiektów. Unoszenie sferycznego ciała można zrealizować na wiele sposobów – na przykład za pomocą suszarki i piłeczki pingpongowej lub miniaturowej dmuchawy i balonu.

Zjawisko to, mimo prostoty, zawsze robi duże wrażenie i efektownie ilustruje prawa fizyki. W naszym projekcie proponujemy zastosowanie nie jednej, lecz większej liczby dmuchaw, których sterowanie pozwala na zmiany położenia lewitującego ciała. Projekt można wykorzystać w trakcie lekcji w szkole oraz wszelkich pokazów i festiwali nauki a nawet do celów reklamowych czy ozdobnych.

Opis układu dmuchaw sterowanych Arduino

Ogólny schematy blokowy układu pokazano na rysunku 1. Stanowi go system dmuchaw D1, D2..., których praca sterowana jest za pomocą kontrolera elektronicznego K. Odpowiednie zmiany natężeń generowanych strumieni powietrza mogą powodować ruch lewitującego obiektu O w obu kierunkach x, y oznaczonych przerywanymi linami. Na rysunku widać siedem przykładowych dmuchaw, ale układ pozwala na sterowanie ich większą liczbą.

Rys.1 Układ dmuchaw do sterowanej lewitacji aerodynamicznej-schemat blokowy

Schemat elektroniczny kontrolera K przedstawiono na rysunku 2. Arduino UNO, poprzez magistralę I2C (SDA, SCL), nadzoruje pracę układu PCA9685. Jest to sterownik szesnastu cyfrowych linii PWM o rozdzielczości 12 bitów. Układ ten zakupiono wraz z nakładką na Arduino oferowaną przez Adafruit (produkt ID 1411), którą można nabyć u krajowych dystrybutorów. Znajdują się na niej dodatkowe pola lutownicze pozwalające na montowanie własnych elementów.

Ze strony Adafruit można pobrać biblioteki obsługi układu PCA9685 przez Arduino oraz schematy do wykorzystania w EAGLE lub Fritzing. Znajdziemy tam też wyczerpujące informacje pomocne w montażu i użytkowaniu produktu. Odnośniki do nich podają również dystrybutorzy.

Rys.2 Schemat elektroniczny kontrolera dmuchaw

Sygnały z PCA9685 kierowane są na bramki tranzystorów mocy IRLR024, które z kolei kontrolują dmuchawy. W naszym projekcie zastosowaliśmy sterowanie poprzez kanały PWM0–PWM13 tranzystorami T1–T14, z których dwa skrajne pokazano na rysunku 2, a trzy na bardziej szczegółowym rysunku 3. Ich włączanie sygnalizują czerwone diody LED1–LED14.

Omawiane tranzystory, diody oraz inne elementy z rysunku 3 umieszczono na osobnej, specjalnie do tego celu zaprojektowanej płytce. Złącza X1–X14 (rysunek 2) wyprowadzono na tylny panel sterownika poprzez standardowe gniazda 5,5/2,1mm stosowane w zasilaczach. Pozwala to na wygodne podłączenie dmuchaw za pomocą przewodów z analogicznymi wtyczkami, które są powszechnie dostępne w handlu.

Rys.3 Tranzystory wykorzystane w układzie

Cały układ zasilany jest napięciem (VCC) 12V poprzez gniazda bananowe umieszczone na obudowie i dołączone do złączy X15 na płytce. Zasila ono zarówno Arduino, jak i dmuchawy poprzez układ tranzystorów. Dodatkowy wentylator podłączony bezpośrednio do złączy X15 zapewnia cyrkulację powietrza wewnątrz obudowy. Kondensatory C15– C19 stanowią lokalny bufor, a dioda LED15 sygnalizuje obecność zasilania.

Napięcie (VDD) 5V potrzebne do pracy sterownika PCA9685 pobierane jest z Arduino. Przełącznik S3 umożliwia odcięcie zasilania 12V od Arduino, gdy jest ono podłączone do portu USB komputera. Z kolei przełączniki S1, S2 wraz z rezystorami podciągającymi R16 i R17 służą zmianom trybów pracy kontrolera. Potencjometr POT1 reguluje prędkość przesuwania lewitującego obiektu.

W naszym układzie zastosowaliśmy miniaturowe dmuchawy odśrodkowe typu DC-P-R-3 (12V, 0,9A – fotografie 1a, b) dostępne na rynku za umiarkowaną cenę i zapewniające stosunkowo wąski, ukierunkowany strumień powietrza. Pierwotnie planowaliśmy pracę z większą liczbą tych elementów. Niemniej okazało się, że ich wydajności nie są identyczne. Testowaliśmy wysokości, na jakiej udaje się każdej dmuchawie z osobna utrzymać ten sam balon. Rozrzut wyników mieścił się w zakresie od kilku do kilkudziesięciu centymetrów!!!

Fot.1a Miniaturowe dmuchawy odśrodkowe typu DC-P-R-3

Fot.1b Miniaturowe dmuchawy odśrodkowe typu DC-P-R-3

Zakupiliśmy dodatkową partię tych dmuchaw, ale sytuacja się powtórzyła. Ostatecznie wybraliśmy najsilniejsze, z których każda zapewniała wysokość lewitacji około 60cm. Słabszych nie wykorzystaliśmy w projekcie, co wymusiło redukcję liczby używanych kanałów z szesnastu (możliwych do sterowania układem PCA9685) do opisywanych czternastu. Zapotrzebowanie prądowe dmuchaw okazało się również mniejsze od deklarowanego przez producenta (0,9A), dlatego ostatecznie wystarczył bezpiecznik 8A (F1 na rys. 2).

Przy powtórnej budowie opisywanego układu prawdopodobnie użylibyśmy może droższych dmuchaw, ale o bardziej powtarzalnych parametrach, co rekomendujemy Czytelnikom. Użyte tranzystory mają znaczącą nadwyżkę mocy, co daje możliwość sterowania różnymi typami tych urządzeń. Ograniczeniem jest wytrzymałość prądowa złączy i płytek kontrolera oraz grzanie tranzystorów.

Montaż i uruchomienie - układ dmuchaw sterowanych Arduino

Producent dostarcza płytkę ze sterownikiem PCA9685 praktycznie zmontowaną. Użytkownikowi pozostaje dolutować goldpiny służące prowadzeniu odpowiednich sygnałów i zasilania. Na wolnych polach lutowniczych zamontowaliśmy rezystory podciągające R16, R17 oraz dwa dodatkowe identyczne do wykorzystania w przyszłości (fotografia 2a). Na fotografii 2b widoczna jest gotowa płytka sterownika z przewodami, nałożona na Arduino UNO. Jego port USB dostępny jest przez otwór w panelu przednim obudowy, widoczny w prawej części zdjęcia.

Fot.2a Rezystory podciągające R16, R17

Fot.2b Gotowa płytka sterownika z przewodami, nałożona na Arduino UNO

Z kolei na analogicznych fotografiach 3a, 3b oraz na rysunku 4 (w arbitralnie dobranej skali) przedstawiono obie strony płytki z tranzystorami i diodami LED, którą należy wykonać i zmontować samodzielnie. Schematy i rysunki płytki udostępniono w materiałach dodatkowych do niniejszego artykułu dostępnych na Elportalu.

Jak widać, zastosowano tutaj elementy do montażu powierzchniowego, a ścieżki dodatkowo pocynowano, aby zwiększyć ich obciążalności prądowe. Wlutowane goldpiny służą dołączeniu przewodów idących od płytki ze sterownikiem PCA9685. Z kolei złącza śrubowe pozwalają na prowadzenie przewodów mocy i zasilania. Zamiast samodzielnego tworzenia tej płytki Czytelnicy mogą rozważyć zakup gotowych modułów z tranzystorami mocy.

Fot.3a Płytka z tranzystorami i diodami LED do układu dmuchaw

Fot.3b Płytka z tranzystorami i diodami LED do układu dmuchaw

Całość zawarto w obudowie o rozmiarach wewnętrznych 24×13×8cm pokazanej na fotografiach 4a, 4b, 4c. W prawej części wnętrza (fot. 4a) widoczna jest płytka sterownika PCA9685 nałożona na Arduino UNO, a na środku płytka z tranzystorami i diodami LED. Jak wspomniano, między sterownikiem a płytką tranzystorów poprowadzono taśmę kolorowych przewodów kompatybilnych z goldpinami.

Natomiast złącza śrubowe płytki tranzystorów połączono z ujemnymi zaciskami gniazd dmuchaw na panelu tylnym za pomocą grubszych (czarnych) przewodów o przekroju 1mm². Z kolei wspólny przewód dodatniego potencjału zasilania dolutowano do tych zacisków za pomocą litego drutu miedzianego bez osłony również o przekroju 1mm². Przewodami o takim samym przekroju poprowadzono zasilanie z gniazd panelu przedniego do złączy śrubowych płytki z tranzystorami.

Rys.4 Rysunek płytki z tranzystorami i diodami LED do układu dmuchaw

Na panelu przednim (fot. 4b) umieszczono od lewej: przełącznik S3 i otwór z dostępnym gniazdem USB Arduino, potencjomentr POT1, przełączniki S1 i S2, bananowe gniazda zasilania oraz gniazdo bezpiecznika. Z kolei na panelu tylnym (fot. 4c) zamontowano złącza 5,5/2,1mm do przyłączenia przewodów dmuchaw.

Należy dodać, że w dnie obudowy wywiercono szereg otworów o średnicy 6mm widocznych na górnej części fotografii 4a, aby ułatwić cyrkulację powietrza. Analogiczne otwory wykonano na pokrywie, na której dodatkowo zamontowano wentylator, co jest widoczne na fotografii 4c. Do dmuchaw domontowano przewody z wtyczkami zasilającymi typu 5,5/2,1mm o długościach około 1,5m, dobranych do rozpiętości układu.

Fot.4a Układ do sterowania dmuchawami - obudowa

Fot.4b i 4c Układ do sterowania dmuchawami - obudowa

Dmuchawy zamontowano na listwach z tworzywa sztucznego w odległościach co 20cm w sposób widoczny na fotografiach 1a, 1b. Śruby M4 z nakrętkami motylkowymi umożliwiają jednoczesną regulację ustawień stopek z kątowników metalowych oraz wylotów dmuchaw. Ich pionowa orientacja jest ważna dla prawidłowego działania całości.

Aby układ był przenośny, listwy z tworzywa podzielono na cztery części – trzy identyczne, dłuższe (80cm) oraz jedną krótszą (40cm), pokazane na fotografii 6, ze stosowną liczbą dmuchaw. Listwy łączy się za pomocą śrub i nakrętek motylkowych (M4) oraz płaskowników metalowych o rozstawie otworów 22mm jak widać na fotografii 5. Zarówno listwy, jak i kątowniki-stopki i płaskowniki są powszechnie dostępne w sklepach technicznych.

Powyższe rozmiary układu, w szczególności odległości między środkami dmuchaw, dobrano dla optymalnej lewitacji dużych balonów – „piłek” o średnicy 45cm (18”). Charakteryzują się one wydłużoną szyjką, którą po nadmuchaniu należy ciasno zawiązać a nadmiar odciąć. Z kolei na drugim końcu mają zwykle zakładkę z przymocowaną dużą gumką recepturką, którą trzeba odwiązać.

Operacje te służą minimalizacji masy balonów. W tym celu warto je również napełniać za pomocą pompki, a nie płuc, kiedy to dodatkowo tłoczona jest para wodna. Przy innych typach balonów lub mocach dmuchaw należy doświadczalnie dobrać optymalne rozmiary układu.

Fot.5 Połączenie listw (układ do sterowania dmuchawami - obudowa)

Fot.6. Listwy z dmuchawami

Program sterujący układu dmuchaw

Kod źródłowy programu zawarto w informacjach dodatkowych do niniejszego artykułu, dostępnych na Elportalu. Aplikacja wykorzystuje bibliotekę Adafruit_PWMServoDriver, którą należy pobrać, korzystając ze wspomnianych instrukcji na stronie producenta płytki.

Dwie kluczowe funkcje aplikacji to: Wlaczanie_Prawo_Lewo() oraz Wlaczenie_Wszystkich(). Pierwsza z nich powoduje włączanie kolejnych par dmuchaw od lewej do prawej i z powrotem. Numery tych jednocześnie uruchamianych urządzeń, w kolejnych interwałach czasowych pokazano w nawiasach:

(1, 2) – (1, 2, 3) – (2, 3) – (2, 3, 4) – (3, 4), … (12, 13, 14) – (13, 14) – (12, 13, 14) – (12, 13) – (11, 12, 13) – (11, 12), …

Dzięki takiemu schematowi, w danym momencie pracują jednocześnie co najmniej dwie sąsiadujące dmuchawy, co dodatkowo zwiększa wysokość lewitacji obiektu. Sekwencyjne włączanie i wyłączanie powoduje jego przesuwanie wzdłuż układu tam i z powrotem. Potencjometr POT1 pozwala na regulację prędkości ruchu poprzez czas zwłoki określany funkcją CzasCzekania().

Efekt działania opisywanego trybu widać na fotografii 7 oraz filmie M01 dostępnym w materiałach dodatkowych do tego artykułu na Elportalu. Z kolei druga z funkcji powoduje włączenie wszystkich dmuchaw i utworzenie „ściany” powietrznej, na której może jednocześnie lewitować wiele balonów. Efekt działania tej opcji przedstawiono na fotografii tytułowej oraz filmie M02. Wybór realizowanej funkcji odbywa się za pomocą przełącznika S1. Dodatkowy film M03 podsumowuje szczegóły działania kontrolera.

Fot.7 Efekt sekwencyjnego włączania i wyłączania dmuchaw

Należy dodać, że w układzie przewidziano także przełącznik S2, w tej chwili nieużywany. W przyszłości może służyć do uruchamiania innych trybów pracy odpowiadających różnej liczbie i konfiguracji dmuchaw. Na przykład warto rozważyć rozłożenie dmuchaw na planie okręgu, dookoła którego krążyłby lewitujący obiekt (obiekty). Wówczas pierwsza dmuchawa znajdowałaby się za ostatnią, a przykładowy schemat załączania powinien wyglądać następująco:

(1, 2) – (1, 2, 3) – (2, 3) – (2, 3, 4) – (3, 4), … (12, 13, 14) – (13, 14) – (13, 14, 1) – (14, 1) – (14, 1, 2) – (1, 2), …

Można dodawać kolejne sekcje dmuchaw połączonych równolegle do wyjść sterownika.

Opcje rozbudowy ograniczają tylko wydajności prądowe i wydzielana moc tranzystorów. Początkowo planowaliśmy płynnie rozpędzać i hamować dmuchawy, korzystając z funkcjonalności PWM sterownika PCA9685. Jednak w praktyce okazało się, że bezwładność ich wirników w zupełności zapewnia taki efekt. Ostatecznie wyjścia sterownika pracują tylko w trybach włącz/wyłącz. Niemniej przy innych modelach wentylatorów lub opcjach ruchu lewitujących obiektów sterowanie PWM może być przydatne.

Podsumowanie - co można zrobić z układem dmuchaw?

Autorzy mają nadzieję, że przestawiony projekt będzie źródłem inspiracji do realizacji kolejnych konstrukcji, nie tylko z lewitującymi obiektami. Można rozważyć zastosowanie systemu dmuchaw w jakimś rodzaju instrumentu muzycznego podobnego do organów. „Elementami wykonawczymi” mogą być tutaj flety czy inne piszczałki lub nawet butelki napełnione wodą lub piaskiem. Podobny efekt może być uzyskany z użyciem sprężonego powietrza i sterowanych zaworów. Wychodząc poza demonstracje fizyczne, układ może służyć wielokanałowej kontroli różnych odbiorników – na przykład silników, siłowników, źródeł światła, grzałek i tym podobnych. Warto wówczas skorzystać z funkcjonalności PWM sterownika PCA9685 i pracy ze wszystkimi szesnastoma kanałami.

Projekt wykonano w pracowni Koła Naukowego Fizyki Technicznej Politechniki Poznańskiej.