Устройство для левитации с помощью ультразвука - Своими руками
Своими руками

Устройство для левитации с помощью ультразвука

>

Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаВ этой статье студент из государственного университета Навары расскажет нам, как сделать массив ультразвуковых излучателей для левитации мелких предметов. Он имеет 256 эмиттеров, расположенных в сетке 16×16 и работающих на частоте 40 кГц с индивидуальной регулировкой фазы. Устройство может фокусировать акустическую мощность в контролируемых положениях для создания динамической левитации мелких частиц и тактильной обратной связи. Его можно использовать для уникальных художественных инсталляций или проектов.
В начале видео можно посмотреть демонстрацию работы устройства.

Инструменты и материалы:
-Печатная плата 183×169 мм, 2 слоя (желательно заказать с платой трафарет для монтажа компонентов);
-Паяльная паста;-256x ультразвуковых излучателей диаметром 1 см, работающих на частоте 40 кГц;-Модуль CoreEP4CE6;-Драйверы MIC44274 – 128 шт;-Сдвиговые регистры 74hc595 – 32 шт;-Конденсаторы 0,1 мкФ 50в 0805 – 160 шт;
-Arduino Nano или переходник USB-UART;
-Разъем постоянного тока;-Штыревые разъемы;
-Провода;
-Изопропиловый спирт;
-Компьютер с ПО Ultraino (нужна JDK11)
Quartus 13.0sp 1 (для загрузки и компиляции кода FPGA)
Программатор FPGA ( Blaster USB ALTERA )
Мультиметр-Печь оплавления;-Паяльные принадлежности;-Осциллограф (в идеале с 2 каналами);
-Регулируемый источник питания;
-Документ открытого доступа (с техническими подробностями) здесь;
-Репозиторий Github;
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаШаг первый: подготовка платы
После изготовления платы ее нужно подготовить для дальнейшего монтажа.
Убедитесь, что все компоненты находятся под рукой и они подходят к печатной плате.
Протрите трафарет спиртом.
Разместите другие платы по бокам от основной и склейте их скотчем.
Сверху положите трафарет и выровняйте так, чтобы были видны только металлические площадки. Зафиксируйте трафарет скотчем.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаНанесите паяльную пасту на контактные площадки. Распределите его равномерно и удалите трафарет.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаШаг второй: пайка компонентов SMD
Теперь нужно припаять на плату SMD-комплектующие.
Установите драйверы, сделайте так, чтобы метки совпадали, чтобы они имели правильную ориентацию.
Поместите регистры сдвига, они тоже имеют ориентацию. Поместите керамические конденсаторы, они не имеют ориентации.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаПоместите печатную плату в духовку и установите параметры указанные для паяльной пасты.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаШаг третий: пайка компонентов со сквозным отверстием
Продолжаем сборку платы.
Отрежьте разъемы до нужной длины (22×2 каждый). Припаиваем их к плате.
Припаиваем разъемы шины питания, порты и разъем постоянного тока.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаШаг четвертый: программирование
Подключите кабель питания и программатор к модулю CoreEP4CE6. Откройте программатор (можно открыть напрямую Programmer или среду Quartus).

Выберите предоставленный файл primaryNoCalib.jic , выберите программу configure, выберите свой программатор и нажмите кнопку « Пуск» . Этот файл предназначен для первичной платы и не содержит калибровки фазы для эмиттеров.
После загрузки выключите и снова включите модуль. Светодиод L4 должен мигать.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаПодключите модуль к плате, обращая внимание на ее ориентацию (на плате есть белые отметки).
Подключите 5 В к шине 5 В и 9 В к шине 18 В.

Убедитесь, что каждый канал генерирует сигнал 40 кГц. Имейте в виду, что сигнальный контакт на каждой контактной площадке меняет положение каждые два ряда, один вывод является сигнальным, а другой – заземлением.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаШаг пятый: установка ультразвуковых датчиков
Установите и проверьте датчики. Для правильности монтажа мастер напечатал шаблон на 3D-принтере. Также его можно сделать используя лазерную резку. Файлы для изготовления шаблона можно скачать здесь.

Перед монтажом датчиков желательно проверить их полярность датчиков. Нередко производители неверно маркируют контакты. Затем датчики устанавливаются согласно полярности. Если это сделаете, то не нужно будет выполнять калибровку позже.

После размещения датчиков нужно уложить сверху датчиков доску, фанеру или лист пластика и осторожно перевернуть доску. Дальше нужно припаять датчики.
Подключаем шины питания 5 и 9В. Проверяем работу всех датчиков с помощью осциллографа.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаШаг шестой: настройка
Контроль тестирования с компьютера
Аrduino будет использоваться как дешевый USB-последовательный порт, чтобы компьютер мог отправлять команды на массив платы.
Загрузите пустой скетч на Arduino. Обеспечить питание одной платы и подключите заземление Arduino, RX и 5 В к плате, как показано на схеме.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаЗапустите программное обеспечение Ultraino. Загрузите симуляцию пустой платы.
На вкладке «Устройства» выберите протокол chainnedFPGA, нажмите «Подключить» и выберите порт Arduino (обычно последний).
Теперь нажмите A, чтобы выбрать, все преобразователи (или выберите все на вкладке «Преобразователи»), нажмите S, чтобы выключить их, или W, чтобы включить их. При этом должен быть слышен щелчок и будет изменение энергопотребления.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаКалибровка отклонения фазы и полярности излучателей
В этом шаге нет необходимости, если все датчики размещены правильно согласно полярности, в противном случае нужна калибровка. Здесь понадобится двухканальный осциллограф.

Подключите один канал к порту D и GND, чтобы получить опорный сигнал с платы, сделайте этот канал триггером. Подключите другой канал к запасному датчику.

Когда программное обеспечение ultraino запущено и подключено к плате, выберите первый датчик и включите его, поместите запасной датчик поверх него, и можно будет увидеть опорный сигнал (квадрат) и полученную ультразвуковую волну (синусоида) на осциллографе.
Нужно отрегулировать фазу принятого сигнала, чтобы она соответствовала опорному сигналу, используя клавиши H (вперед), J (назад) или K (изменение на 180º). Когда опорный сигнал повышается, принимаемая волна должна быть на пике. Откалибруйте все датчики.
Можно установить эту калибровку в файл моделирования и экспортировать ее в другие программы (например, прошивку FPGA).
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаШаг седьмой: работа устройства
С одной платой можно уже начинать демонстрацию работы. На демонстрационном видео мастер работает с песком и мелкими легкими предметами.

Положите доску над поверхностью с разделением 16 с. Установите высоту на 16 см (можно изменить это расстояние по своему усмотрению).
Программно выбираем нужные датчики и производим действие.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаМожно использовать две платы вместе. Для этого используем напечатанные на 3D-принтере соединители. Загружаем файл моделирования twoOppposedArrays.
Подключаем платы и проверяем включение и выключение верхней и нижней плат по отдельности (настройки: T – выбрать верх, B – выбрать низ, W – включить, S – выключить). Добавляем 4 точки в программе, устанавливаем расстояние.
Можно использовать линейку, чтобы расположить частицы на нужной высоте. Точки можно в дальнейшем перемещать.
Устройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаУстройство для левитации с помощью ультразвукаШаг восьмой: некоторые детали
Контроллер ESP32
Для расчета точек и отправки фаз на платы необходимо запустить симулятор Ultraino на ПК. Для более портативных систем мастер запрограммировал некоторые из основных алгоритмов в контроллер ESP32. Можно запрограммировать последовательности, запускаемые кнопкой. Или отправить через uart или wifi / http положение нужных фокусных точек.
Код для контроллера ESP32 можно найти здесь.
Для питания ESP32 и логики плат рекомендуется использовать понижающий модуль, который получает питание от 18 В и понижает его до 5 В.
Тактильная обратная связь
Для восприятия фокусных точек рукой звук должен быть модулирован с частотой 200 Гц. Код FPGA, который выполняет эту модуляцию, путем последовательного включения и выключения различных преобразователей (чтобы минимизировать слышимый звук) можно скачать здесь.
Параллельное подключение нескольких плат
На предыдущем шаге платы соединяются последовательно. Но также можно подключить их параллельно, имея USB-to-UART для каждой платы. Затем в коде Ultraino протокол должен быть SimpleFPGA для первой платы (обычно верхней), и нужно установить «Con Extra», чтобы подключить остальные платы.
Все готово. На видео в начале статьи можно посмотреть изготовление, настройки и работу такого устройства более подробно.

SitesReady

Только те, кто предпринимают абсурдные попытки, смогут достичь невозможного. - Альберт Эйнштейн

Follow us

Don't be shy, get in touch. We love meeting interesting people and making new friends.