Bramka z czujnikiem goli #projekt

Posted by

Często jak gramy w piłkarzyki w pracy, piłka tak się odbije od bramki, że nie wiadomo czy wpadła do niej, czy był tylko słupek. Aby raz na zawsze rozwiązać ten problem postanowiłem wykonać bramkę z czujnikiem, która wykryje piłkę wpadającą do środka. Cały projekt został wykonany pod ten stół, jeśli byłaby potrzeba użycia tego układu na innym, trzeba by poprawić projekt 3D bramki, reszta by została bez zmian.

Przygotowanie

Po pierwsze trzeba było wymyślić, w jaki sposób wykrywać czy był gol, czy nie. Miałem dwa pomysły:

  1. Wiązka podczerwona, po przecięciu której zaświeci się dioda sygnalizacyjna, że był gol.
  2. Materiał piezoelektryczny, który by był ukryty w środku bramki i piłka uderzająca w niego, wywołałaby zaświecenie się diody.

Punkt 2 wydaje mi się zbyt trudny w realizacji, gdyż najpierw trzeba byłoby taki materiał znaleźć o odpowiednim kształcie, a potem tak go przymocować, aby nie utrudniał wyciągania piłki z bramki.

Wybrałem sposób pierwszy, ze względu na to, że jest dość prosty w wykonaniu, a nie przeszkadza w ogóle w grze. Wymagał tylko przerobienia bramki, aby ukryć w niej diody podczerwone i fototranzystory.

Weryfikacja koncepcji

Przed rozpoczęciem projektowania bramki, czy jakąkolwiek inną rzeczą, musiałem się upewnić, że rozwiązanie z przecięciem wiązki IR będzie działało prawidłowo i niezawodnie. Skonstruowałem na szybko prototyp na płytce stykowej:

Wszystko działało jak trzeba, tylko fototranzystor nie nasycał się całkowicie przez to, że padało na niego światło słoneczne za oknem. Rozwiązaniem było, owinięcie go czarną taśmą po bokach. Na szczęście, jak będzie zamocowany w bramce to, nie będzie wystawał poza jej kontur, więc nie muszę się o to martwic. Można brać się do roboty 😀

Praca

Zacząłem od projektu 3D bramki, która zastąpiłaby istniejącą. Wymontowałem więc oryginalną, aby dokonać odpowiednich pomiarów i zaprojektować model 3D. Jedyny wspólny wymiar, jaki musiał być zachowany to obwód zewnętrzny, tylnej części bramki, bo wchodził on w wycięte miejsce w płycie. Rzecz względnie prosta, ale był pewien haczyk, otwór miał dwa łuki na rogach i trzeba było dość precyzyjnie je przenieść na model 3D. Wymyśliłem więc wzór matematyczny na obliczenie tego, który okazał się idealny, to po wydrukowaniu bramka odbiegała max. 0.5 mm w porównaniu do oryginału.

Trzeba było jeszcze obliczyć ile wiązek podczerwonych jest potrzebne, aby w 100% określić czy był gol czy nie. Wyszło, że bramka ma wysokość dwukrotnej średnicy piłki, więc wystarczyły tylko dwie wiązki umieszczone na 1/3 i 2/3 wysokości bramki. Dodatkowo wykonałem w projekcie kanaliki, gdzie schowają się przewody biegnące do diod i fototranzystorów. Tutaj jest dostępny projekt 3D bramki oraz innych elementów.

Układ elektroniczny

Układ elektroniczny można podzielić na dwie części, odpowiedzialny za wykrycie gola i zaświecenie diody, oraz układ monostabilny powodujący samowyłączenie po upłynięciu odpowiedniego czasu. Łączy je tylko jeden element, jakim jest przycisk resetujący cały układ.

System wykrywania goli został zrealizowany na bramkach AND z efektem „samozatrzasku” za co odpowiada dioda D4 oraz D5 łącząca out bramki z wejściem. Kiedy wiązka podczerwona padająca na fototranzystor zostanie przerwana, przestanie on przewodzić prąd i na wejściu bramki pojawi się stan wysoki. Natomiast drugie wejście jest cały czas podłączone do plusa, wiec na wyjściu pojawi się stan wysoki i dioda czerwona zaświeci. Układ pozostanie w tym.stanie do momentu aż go nie zresetujemy poprzez przycisk S2. Do wykrywania goli są użyte dwie wiązki oraz dwie bramki AND. Z racji, ze ich wyjścia są połączone, bo zasilają ta sama LED to obowiązkowe są diody które zapobiegną zawarciu, w przypadku kiedy jedna bramka by przewodziła do masy a druga z zasilania.

Normalnie można by było dać teraz przełącznik do zasilania i układ skończony, ale w życiu nic tak piękne nie jest i ktoś zapomni wyłączyć go. Układ jest zasilany bateryjne, wiec niewyłączenie go spowoduję szybkie rozładowanie baterii, gdyż diody IR cały czas działają. Cały układ pobiera niecałe 20mA. Może nie jest to dużo, ale taką bateryjkę 2032 rozładowałby w 10h, wiec jak ktoś na noc by zapomniał wyłączyć to następnego dnia by był problem.

Timer czasowy

Rozwiązaniem jest układ monostabilny wykonany na timerze 555, który ma ustawione, aby wyłączał główny tranzystor zasilający po 5 min od ostatniego wciśnięcia przycisku. Jedynym problemem, jaki natrafiłem było to, aby po wciśnięciu przycisku resetującego, timer zaczął odliczać od nowa. Ogólnie na samym układzie NE555 nie da się czegoś takiego zrobić, trzeba użyć dodatkowych komponentów, aby osiągnąć cel. Rozwiązaniem okazał się tranzystor, który rozładowuje kondensator C4 w momencie wciśnięcia przycisku i od razu powoduje wyzwolenie triggera.

Trzeba jeszcze dobrać odpowiednie parametry kondensatora i rezystora ładującego. Kondensator wybrałem o wartości 100uF, więc pozostało ze wzoru obliczyć, jaki muszę zastosować rezystor. Ze wcześniejszych doświadczeń wiedziałem już jaki użyć rezystor (2,2MOm), więc nie przerabiałem wzorów na wyliczenie rezystancji, lecz podstawiłem gotową i sprawdziłem jak ma się teoria do praktyki. Wzór na obliczenie czasu potrzebnego do naładowania kondensatora do określonego napięcia:

\(t(V) = ln[(1 – \frac{V}{Vo})^{-RC}]\)

Vo – napięcie zasilania
RC – stała czasowa: wartość rezystora [Om] * wartość kondensatora [F]

RC = 2 200 000 * 0,0001 = 220

Aby układ monostabilny zmienił swój stan na kondensatorze musi pojawić się napięcie równe 2/3 napięcia zasilania, czyli ok. 2V. Weźmy też pod uwagę, że pierwszy cykl czasowy będzie trwać trochę dłużej, gdyż kondensator ładuje się od 0V. W przypadku resetu układu, zacznie od 0.65V co równa się spadkowi napięcia na tranzystorze rozładowującym go, więc najpierw musimy obliczyć ile czasu potrwa naładowanie go do 2V, potem do 0.65V i na końcu odjąć te dwa wyniki.

obliczenie tego i pokazanie wynikow i opisanie jak sie to ma do praktyki

\(t(2) = ln[(1 – \frac{2}{3})^{-220}] = 241,7\) \(t(0,65) = ln[(1 – \frac{0,65}{3})^{-220}] = 53,7\)

241,7 – 53,7 = 188 sekund -> 3 min i 8 sekund

Powyższy wynik pokrywa się z czasami mierzonymi w praktyce. Po testach prototypu, stwierdziłem, że mogłem dać większy rezystor np. 4,7MOm. Poprawi się to w przyszłości 🙂

Ostatnim kluczowym elementem jest przycisk, który spełnia 3 funkcje:

  • załącza tranzystor zasilający cała płytkę
  • resetuje układ monostabilny
  • resetuje bramki AND

Aby można było wykonać te wszystkie operacje za pomocą jednego przycisku, trzeba było połączyć te układy do niego za pomocą diod Schottky’ego, by jak w przypadku bramek AND nie oddziaływały na siebie. Diody Schottky’ego nie są użyte tu przypadkiem, mają ponad dwukrotnie mniejszy spadek napięcia (~0.3V) od zwykłych prostowniczych, a przy zasilaniu 3V ma to duże znaczenie.

Zasilanie

Początkowo cały czas zakładałem, że użyje baterii 2032 o napięciu 3V, dlatego projektowałem układ jak najmożliwiej oszczędnie, ale po obliczeniach na jak długo wystarczy 200mAh zawarte w takiej baterii, to wychodzi, że średnio co tydzień lub dwa, musiałbym wymieniać ją. Postanowiłem zamienić ją na dwa paluszki AA połączone szeregowo, co daje 3V i ok. 2000mAh, czyli 10 razy więcej niż w przypadku pastylki.

Panel sterowania

Przycisk oraz LED’y wydzieliłem do osobnego „opakowania” które będzie przyklejone zaraz przy liczniku goli. Cały układ wraz z baterią, będzie schowany pod stołem, gdyż zajmuje dość sporo miejsca i nie będzie wyglądał estetycznie przyklejony do boku stołu. Model obudowy do druku 3D znajduje się tutaj. Dioda zielona 5mm, informuje o tym, że system jest włączony, natomiast czerwona 8mm sygnalizuje strzelonego gola. Wymiary diód są bardzo ważne, gdyż dziury w projekcie są wykonane pod nie właśnie. Ostatnim elementem jest przycisk dokładnie taki, aby również wpasował się w otwór. Całość jest połączona przewodami z płytą główną.

Montaż

Montażu bramki opisywał nie będę, gdyż jest to oczywiste, że po prostu wykręcamy starą i wkręcamy nowa 😀

Panel sterowania polecam przykleić obok licznika goli, aby był do niego łatwy dostęp. Najlepiej zrobić to na klej na gorąco. Prototyp można przykleić na taśmę dwustronną.

Układ elektroniczny z baterią najlepiej gdzieś schować, gdyż jest dość duży. Można umieścić go pod stołem na klej na gorąco, aby nie rzucał się w oczy i tylko przewody do niego poprowadzić. Prototyp można również przymocować na taśmę dwustronną, tylko mamy ograniczony czas, gdyż taśma szybko puści.

Gotowy prototyp, jeszcze bez obudowy na główną część układu oraz baterie:

Poniżej filmik prezentujący działanie układu:

Podsumowanie

Układ działa perfekcyjnie, nie było sytuacji, aby nie wyłapał jakiegoś gola, ani źle wykrył. Nawet uderzenie piłką w bramkę nie powoduje zadziałania układu, co mnie bardzo cieszy, bo tego obawiałem się najbardziej.

Jedyne co trzeba poprawić to moc diod sygnalizacyjnych, aby świeciły jaśniej (szczególnie czerwona) oraz zwiększyć można czas samo wyłączenia układu z 5 do 10 minut.

Jak długo układ wytrzymuje na baterii to niestety nie udało mi się sprawdzić, gdyż na razie zamontowałem prototyp, który po kilku dniach zdemontowałem. Więc ten etap testów, będzie musiał poczekać, aż wyjdzie wersja finalna.

Plany na przyszłość:

  1. Diody LED i fototranzystory, schować trochę głębiej, aby zmniejszyć kąt świecenia i absorpcji wiązki podczerwonej, gdyż w tym momencie jeśli LED IR będą za bardzo wystawać z obudowy to przerwanie jednej wiązki nie spowoduje zadziałania układu, gdyż fototranzystor będzie otwarty dzięki podczerwieni z drugiej diody
  2. Wykonać obudowę, w której będzie płyta główna oraz koszyk na baterie, z możliwością łatwej wymiany ogniw
  3. Zmniejszyć wartość rezystorów dla LED czerwonej i zielonej, aby świeciły jaśniej

Źródła i linki:

Projekt 3D bramki, filmik prezentujący działanie układu,

print

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *