Neregistrovaný, ale o to známější uživatel fóra Hannibal (známý z tématu o emulátoru EMA51, zvukového generátoru, mikro fotbalu, MCU modulu, Helleny-51 (single-board computer), postupu pro crack a LED kostky) byl tak hodný a zaslal mi hotovou konstrukci sféry (nebo koule - záleží na překladu).
Sphere v1.00 - Sféra 1.00
SPHERE - ASYAsoftware-1996, Hannibal-2010
Túto vec, ktorej princíp spočíva vo vykresľovaní hologramu LEDkami, časovanými synchro-východiskovým bodom, určite už každý niekde videl (napr. na krátkych videách z YOUTUBE), ale málokto vie, že s tým prišli už v roku 1996 ASYAsoftware. Demonštrovali takýmto spôsobom logo počítačov Amiga – tzv. „Boing BALL“. Ich konštrukcia, obsahujúca vtedy 24 hranatých LED ma zaujala, preto som sa zhodol pre zostavenie nejakého čisto alternatívneho postupu, ktorý som si vytvoril počas skladania svojej verzie konštrukcie a ktorý by (teoreticky) mohol nejako poslúžiť prípadným záujemcom. Pozor: postup nieje možné brať ako konkrétny návod, skôr len ako vodítko, pretože prvky a možnosti na zostavenie konštrukcie v čiste amatérskych podmienkach má určite každý z nás iné. Pri stavbe som sa snažil použiť väčšinu vecí z tzv. „šuplíkových zásob“.
Ako základ som si vybral „mezaxial“, dosť atyp – napájanie mal 36-56VDC/115mA (cca.6,5W), počet otáčok žiaľ neuvedený, Typové označenie / výrobcu (PAPST…?) neviem – štítok bol rozmazaný. Tieto vetráky sú ale rýchlobežiace, takže potrebných cca 30-40 ot/sec. to malo. Presne som to zmerať nemal ako – nemám čítač.
Obr. 2 a 3
Po odstránení istiaceho krúžku (segerky) som sňal plastovú propelu z rotora – bola uchytená (zatavená) v dierach na troch bodoch (kovový rotor, obshujúci magnet mal ešte viacero dier).
Na rotor šiel pripevniť nejaký „pastorok“ (neviem túto vec presne nazvať: priemer 52mm, výška 10+10mm, užšia časť: priemer 15mm, 3 skrutky: 3mm/zapustené hlavy), ktorý bol vytočený na sústruhu zo silonu (tak, aby zodpovedal priemeru rotora: 52mm a 25mm výška) s presne zvrtanými dierami a narezanými závitmi. Stredom, celou dĺžkou až po rotor prechádzala tiež diera s narezaným závitom pre 6-stku skrutku (valcová hlava, imbus).
Pružinka, navlečená na oske rotoru bola nahradená adekvátnym počtom mosadz. podložiek (aby sa eliminovalo pruženie rotora kôli zbernici – viz text… a aby ho bolo možné spätne po dokončení zaistiť voči vypadnutiu).
Ďalšou vecou bola zákl. doska pre súčiastky – priemer 130mm (jednostranný plošák hrúbky 2,5mm) a podložka (napr. z plexiskla), sila 3mm, so 4-rmi narezanými závitmi pre skrutky: 3mm/zapustené hlavy, obe s prevrtanými dierami v strede pre uchytenie nosnej skrutky na pastorok a prevlečenie vodičov zo zbernice.
Túto podložku som nepoužil, lebo môj 2,5mm plošák bol krásne rovný a dosť pevný voči ohybu, no kamarát, s ktorým som skladal konštrukciu súbežne zohnal iba tenký plošný spoj hrúbky 1,5mm a podložku z plexiskla použiť musel.
Obr. 4, 5, 6, 7 a 8
Následne som priamo na dosku plošáku (výroba fólie/prefocovanie = nemám na to čas/prostriedky) nakreslil obrazec spoja podľa predlohy. Tá bola kamarátom Martinom pôvodne navrhnutá pre 2x MCU s ovládaním až pre 128 LED, no ja som urobil v konštrtukcii/programe úpravu a osadená je iba polovica plošáku. Iste si každý všimne dosť zásadnej chyby: boli použité klasické veľkosti súčiastok (odpory, kondenzátory…) namiesto SMD, pričom táto konštrukcia si doslova vyžaduje použitie SMD.
Čo k tomu dodať – som už starší a nedokážem tieto drobné súčiastky osadiť, ani na ne riadne nevidím, preto to bolo osadené „klasikou“ (s výnimkou MCU – to je v pätici PLCC44 a osadil mi ju Martin). Ak niekto použije SMD, len tým získa pri vyvažovaní konštrukcie – preto SMD určite doporučujem. Tak isto by bolo možné zjednodušiť schému, namiesto 16-stich tranzistorov pre katody LED použiť 8-bit budiče SMD napr. 74LS244. To opäť uberie na váhe konštrukcie, čo sa prejaví pravdaže pri odstredivých silách a vyvažovaní.
Mne šlo predovšetkým o zminimalizovanie spotreby z dôvodu využitia napájania z batérií (batériový elektro rozvod na chate, kde 220V nemáme). Tranzistorové budiče totiž pri zhasnutých LED odber nemajú, no integrované obvody (LS244) majú spotrebu, či už LEDky svietia, alebo nie.
Obr. 9 a 10
Teraz sú potrebné dva zbernicové CU-krúžky, ktoré som natlačil na pastorok (pod horným musí byť vybraná ryha pre drát, vedúca zo spodného). Pomocou „kartáčov“ nimi budeme prenášať šťavu pre logiku. Je vhodné voľné miesta okolo nich fixnúť napr. epoxidom, aby sa nemohli pohnúť. Takto riešená zbernica má malú obvodovú rýchlosť (krúžky sa menej derú).
Obr. 11
Ďalej je nutné vyrobiť ľahký prstenec (Martin, skladajúci svoju „sphéru“ to nazýval krídlo). Je z plošáku sily 2mm, vonkajší priemer má 160mm, hrúbka steny po obvode 8mm, šírka plochej základne je 60mm.
Stred sa dá vybrať vŕtačkou a vyseknúť dlátkom. V zapojení som použil len 72 žltých (grafické pole) + 8 červených (textové pole) LED, ktoré pomerne slušne svietia už pri 5mA.
Mali priemer 2mm (veľká výhoda by boli SMD LED – nemal som ich… „akú mala, takú dala“ ? ).
Každú LED som po stranách jemne prešiel brúsnym kotúčom, pričom sa zúžili na cca 1,8mm – z dôvodu natlačenia na seba (LEDky majú na spodu obrubu, ktorá ich odtláčala).
Prstenec je nutné rozdeliť na 5 sekcií, na túto stranu priletujeme anody LED. Druhá strana prstenca má rozdelenú každú sekciu na 16 častí pre katody (program ovláda vždy 16 LED súčasne) – viz ďalej text…
Obr. 12 a 13
Potom je treba prstenec osadiť (napr. pomocou uholníka) presne na stred a kolmo (!!) na plošák + zaistiť ho prídržnými kúskami kuprextitu a až následne vybrúsiť stred, aby bolo možné zatiahnuť nosnú 6mm skrutku. Osvedčilo sa mi najskôr vypilovať v strede ihlovými pilníkmi plošák na výšku/šírku hlavy skrutky a až po zaletovaní som vybrúsil zvyšok. Pri pájkovaní si meď dobre odmastite a neletujte dlho, inak sa bude kuprextit kriviť! To isté platí i pri osádzaní LED na prstenec: pracujte rýchlo a s malým množstvom cínu – každý ušetrený gram je dobrý! Následne je dobré vyskúšať zložiť celú kostru, či všetko sedí.
Obr. 14
Ak je vsio OK, môžeme osadiť plošák súčiastkami, prstenec LED-kami a porobiť drátové zväzky (použitý je CU-L priemeru 0,3mm). Ja som po osadení ešte veľmi opatrne vyľahčil obvod prstenca dierami s dvojkou vrtákom. Poslúžili mi i pri vyväzovaní. Nebudem klamať – treba sa pripraviť asi na 16-20hodín šiplavej práce, z ktorej tečú nervy… Po osadení doporučujem zväzky vyviazať niťou a frknúť riedkym lakom, aby sa polepili. Lak síce mierne zvýši váhu, no je to na úkor odolnosti voči oteru šelaku CU drátu pri odstredivých silách. Plošák si popredu oživte a skontrolujte každú LED (ja som jednu žiaľ teplom zničil a musel som ju vymieňať).
Obr. 15 a 16
Teraz je vhodné potrieť povrch pastorka epoxidom, konštrukciu presne opatrne zložiť a fest stiahnuť nosnou skrutkou. Po 24hod epoxid vyschne a je možné rotor osadiť na základňu mezaxialu.
Obr. 17
Pripravte si trojky skrutky, podložky, matice a ručnú vŕtačku s adekvátnym vrtáčikom. Do protiľahlej strany prstenca po obvode bude treba fúknuť viacero dier, rovnako tiež po obvode do plošáku oproti súčiastkam. Toto musíte v závislosti na použitých súčiastkách odhadnúť. Fixnite vrchný bod prstenca dvomi drátmi (priemer cca. 0,5mm) voči okrajom plošáku – zabráni to rozkmitávaniu. Prax ukázala, že nieje treba, aby boli silno napnuté, skôr tak stredne voľné. Pri ich upevňovaní sa snažte vidieť pri pohľade z hora prstenec na strede nosnej skrutky.
Obr. 18
Po osadení všetkej elektroniky (MCU) pripojte mezaxial na reguláciu (AC, alebo DC) So zvyšovaním otáčok pridávajte skrutky a matice (ja som mal veľa hliníkových dištančných stĺpikov rôznej veľkosti) ako protiváhy.
Obr. 19
Výborná protiváha v mojom prípade boli vhodne umiestnený 5V stabilizátor (ktorý chladič s pochopiteľných dôvodov nepotrebuje) a vstupný filter, ktorý mal 2200mikro/50V. Konštrukcia nie je zložitá na vyváženie ani pri použitých klasických súčiastkach – mne sa to podarilo za necelú hodinu. Mala by byť vyvážená tak, že ju udržíte jediným prstom! (prstenec pôsobí reaktívnou silou na mezaxial, preto ho je nutné pridržať, inak má tendenciu sa voči prstencu otáčať). Pozor: nesmiete ju držať silno, alebo celou rukou! Ak čosi stále hádže, znamená to, že je stále treba doplniť/ubrať protiváhu, prípadne spraviť inde dieru pre závažie! Pri tejto skúške (30 minút nepretržitého behu) bolo vinutie mezaxialu vlažné (cca 35-38C). Nepredpokladám preto, že by bol moc zaťažený odporom vzduchu/odstredivou silou prstenca. Napätie adaptéra bolo naprázdno 35.7VDC, pri zaťažení len 33.2VDC. Celá konštrukcia (bez rotoru) vážila 133g.
Obr. 20, 21 a 22
(Martinovi sa osvedčila metóda vyvažovania pocínovať hrubou vrstvou jednu časť plošáku. On ale urobil uchytenie o čosi väčšieho priemeru prstenca oproti mojej konštrukcii kovovým „elkom“. Pripevnil ho kolmo do hora a nad stred prstenca kúsok od mezaxialu. Prstenec potom prichytil miniatúrnym ložiskom. Pri takomto osadení „sphéry“ je vyváženie o čosi jednoduhšie, konštrukcia je stabilnejšia, ale ten úchyt kazí dojem priestoru).
Po úspešnom vyvážení a skúške behu, si teraz pripravíme nosník pre „kartáče“ – je to novodur (hrúbka 6mm). V hornej časti má vybrúsené (od seba podľa šírky CU krúžkov) plytké drážky pre zatočený, zatiahnutý 1mm CU drát, ktorý slúži ako držiaky kartáčov – drží to pevne. Nosník potom pripevníme dvomi 3mm skrutkami (samorezy) v strede šasov mezaxialu. Siaha do výšky 2mm od plošáku nad rotorom a 5mm od okraju rotora.
Obr. 23 a 24
Kartáče sú vytvorené z materiálu, ktorý môj otec nazýva „kontaktová bronz“ – dva pásiky z relatívne pružného plechu, hrubé cca. 3-4mm, sila plechu je 0,5mm. Ich konce je dobré oškrabať nožíkom, a na opačnej strane po osadení rotora pricínovať (v smere rotácie) na CU dráty nosníka – nesmú drhnúť o pastorok,alebo plošák. Dĺžku treba prispôsobiť vopred, skrz dobrý dotyk s CU krúžkami pastorka. Kartáče sú mierne napružené. Potom je nutné zaistiť rotor segerkou a pripájkovať z opačnej strany nosníka na CU dráty vodiče napájania logiky.
Obr. 25, 26 a 27
Synchronizácia vykresľovania priestorového hologramu je vytvorená pomocou infra tranzistora (prijímač) a infra LED (vysielač), typy súčiastok žiaľ neviem. Tranzistor je umiestnený na obvode kruhového plošáku. Pod jeho aktívnou stranou je vyvŕtaná 2mm široká diera. Infra LED má podobný obal – bola navlečená v puzdre s podobnou drážkou. Trvale svieti – napájaná je z prívodných vodičov (pre kartáče) cez odpor 3k9, a umiestnená presne voči tranzistoru na šasoch mezaxialu. Vzdialená od plošáku je 4-5mm. MCU takto sníma otáčky a tzv. východiskový bod vykresľovania. Mezaxial nakoniec pripevníme na nejakú masívnu, 30mm silnú podložku.
Obr. 28, 29 a 30
To je ohľadom „hardware“ asi tak všetko… SW do MCU napálite pomocou programu „FLIP“, ktorý je ku stiahnutiu na atmel.com/. Nainštalujte ho, na port COM(1) pripojte kábel (cez oddeľovač MAX232) a program napálte do FLASH, pozor EEPROM musí zostať čistá. Nezabudnite po napálení ešte zaškrtnúť políčko „X2 MODE“. (Bližšie info ako možno napáliť MCU v čisto domácich podmienkach – viz. napr. článok „MCUmodul-AC2port“, ktorý je vo fóre „8051/8052“ na forum.mcontrollers.com/).
Schéma
Schéma zapojenia je jednoduchá a navrhnúť plošák nie je zložité – pravdaže je možné ju zjednodušiť, a na mieste tranzistorových budičov použiť IO (74LS244). Plošák môžeme prispôsobiť veľkosti súčiastok (SMD).
Obr. 31
Na plošáku sa nachádzajú všetky súčiastky, okrem switchu, odporu 3k9, infra-LED diody a prirodzene statoru mezaxialu. Napájanie pre stabilizátor prenášame krúžkami a kartáčmi. Tranzistry sú ľubovolné p-n-p typy (BC, BSY, KSY…). LED diody musia byť vysokosvietiace (ja som ich žiaľ nemal, a zbytočné peniaze na nové LED tak isto nie, no Martin vysokosvietiace diody použil – nádhera!). KPx.x/Apx.x sú katody a anody LED prís- lušných portov MCU. Schému oddeľovacieho prevodníku úrovní (MAX-232) neuvádzam, je k stiahnutiu na nete. Infra LED s tranzistorom boli pôvodne jeden snímací člen – nejaké 10mm veľké „účko“ z umelej hmoty, (slúžiace niekde v linke) kde boli osadené oproti sebe; žiadne označenie to nemalo. Ak máte schému zloženú správne, nemal by byť žiadny problém, konštrukcia pracuje okamžite. Po zapnutí sa mapa vykresľuje v úzkom pruhu – treba ho zväčšiť takmer na celú guľu zmenou konštanty. Vstup P3.0 znamená inkrement jej hodnoty, P3.1 – dekrement a P3.2 ju po správnom nastavení uloží do EEPROM, odkiaľ bude automaticky po zapnutí napájania načítaná. Konštantu je treba nastaviť v závislosti od otáčok mezaxialu – proste vypnete switch (aby sa mezaxial netočil), necháte len napájanie pre stabilizátor (cez CU krúžky), zapojíte požadovaný P3.x (napr. drátom na kostru) a rukou pohybujete rotorom z ľava do prava v mieste, kde sú nad sebou infra LED a tranzistor – LEDky vždy prebliknú. Po úprave (zvýšení / zmenšení hodnoty konštanty) vždy odpojte drát od pinu, zapnite switchom mezaxial, odskúšajte či sa vykresľuje správne celý hologram a napokon uložte konštantu do EEPROM rovnakým spôsobom.
Program je DEMO-verzia, tzn. textové pole, ako aj možnosť jeho úpravy terminálom (do 5 sec. od zapnutia je možné vložiť text – max. 64 znakov) je odstránené. Preto nie je nutnosť červené LED zapájať. MCU pracuje v dynamike, LED blikajú z hora – dolu vždy po celých sekciách, preto je problém urobiť solídne foto. Môžem ale ubezpečiť, že ľudské oko to vníma ako statický obraz už pri 25 ot/min. Dokonca i pri použití obyčajných LED hologram už pri večernom šere a hlavne v noci, v tme nádherne a ostro svieti. Veľmi ľutujem, že som neurobil lepšie fotky, no okrem storočnej debilnej 1Mpix Nokie nemám k dispozícii žiadny foťák. Takže… snád tento alternatívny manuál niekomu poslúži pri návrhu svojej konštrukcie.
sphere_v1_00-stavebna_dokumentacia.pdf (3.5 MB)
sphere_v1_00-video_ukazka.mp4 (2.61 MB)
sphere_v1_00-program.hex (8.38 KB)