Датчик для обнаружения страйкбольной пули

Я пытаюсь сделать страйкбольный хронограф / хронометр (устройство, которое измеряет скорость пуль страйкбола). Идея состоит в том, чтобы измерить время, в течение которого пуля движется из точки А в точку Б, и затем я могу вычислить скорость пули.

Пуля выстреливается в пластиковую трубу диаметром 32 мм. Я пытался поставить на одну сторону ИК-светодиод, а на другой стороне фототранзистор (BPW 40), как в начале, так и в конце трубки. Что-то вроде этого:

Синие круги - это фототранзисторы, красные круги - это инфракрасные светодиоды, а белые круги - это страйкбольные пули.

Когда пуля проходит через область, где нарисована пуля 2 (прямо между ИК-светодиодом и фототранзистором), все работает отлично. Но когда пуля проходит там, где нарисованы пули 1 и 3, она не обнаруживается. Это ожидаемое, но нежелательное поведение.

Итак, мой вопрос: как я могу обнаружить пули независимо от их положения? Я думал о размещении инфракрасных светодиодов и фототранзисторов вокруг трубы (не только в одном месте), вот так:

но это решение не самое дешевое: 5 ИК-светодиодов + 5 BPW 40 = приблизительно $ 12, умноженные на 2 (потому что он мне нужен с обеих сторон трубы) = $ 24. Есть ли более дешевое решение? Является ли BPW 40 хорошим выбором для фототранзистора? Я не знаю, какие ИК-светодиоды я использую (и продавец в магазине тоже не знает - он сказал мне, что они являются стандартными для пультов дистанционного управления, таких как телевизор или контроллер DVD).

Диаметр трубы - 32 мм, длина - около 14 см (датчики будут на расстоянии 10 см друг от друга). Диаметр страйкбольной пули 6 мм.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Я пойду за моей второй идеей. У меня просто еще один вопрос: лучше ли расположить ИК-излучатели и фототранзисторы таким образом:

или так:

Благодарность !!

Вам не нужно, чтобы BB был отцентрирован между излучателем и детектором

Может быть возможно использовать фототранзистор в качестве аналогового датчика, а не переключателя (что, как я подозреваю, вы делаете в настоящее время) Даже если ваш предмет не полностью блокирует свет, он изменит свет в области занятой трубы. Используйте свой фототранзистор для создания напряжения, усиления или буферизации, если необходимо, и отправьте выходной сигнал на дифференцирующий усилитель . Это должно генерировать ненулевое напряжение при изменении интенсивности света. Предполагая, что ваша система закрыта на обоих концах (и что у вашего страйкбольного пистолета нет значительной дульной вспышки), это должно происходить только тогда, когда пуля проходит область.

Некоторые идеи из световых завес

Также учтите, что ваша проблема похожа на проблему, решаемую с помощью световых завес, но в меньшем масштабе. Это особенно похоже на вашу последнюю диаграмму с несколькими датчиками. Несколько хитростей можно позаимствовать из световых завес:

• Легче спроектировать и собрать прямоугольные световые завесы, чем другие формы. Предполагая, что вы спроектировали свою трубу так, чтобы она была достаточно большой, чтобы поток воздуха вокруг пули не представлял проблемы, вы можете поставить на конце трубы коробки с плоскими печатными платами для монтажа излучателей и детекторов. Это было бы значительно проще и надежнее, чем сверлить отверстия в трубе и прокладывать провода повсюду.

• Ваше разрешение может быть значительно увеличено путем сканирования ваших излучателей и проверки каждого из ваших детекторов. Это изменяет ваш шаблон сканирования с ряда линий (которые затем должны быть <6 мм друг от друга) на линии между каждым детектором и каждым излучателем. Вам нужно будет убедиться, что сформированный шаблон не оставляет зияющих отверстий, например, непосредственно примыкающих к излучателям или детекторам (хотя их можно удалить, просто расставив детекторы и излучатели дальше друг от друга). Обратите внимание, что вам нужно будет сканировать довольно быстро; ограничивающим фактором, вероятно, являются ваши фототранзисторы с временем нарастания и спада порядка 10 микросекунд. Чтобы избежать обнаружения, 6-миллиметровый объект должен был бы путешествовать в:

  $\frac{6~\mathrm{mm}}{10~\mathrm{{\mu}s}} \approx 2000 \mbox{ feet per second}$

  что, я надеюсь, значительно быстрее, чем способна ваша страйкбольная пушка.

Еще одна проблема о вашем источнике:

Я не знаю, какие ИК-светодиоды я использую (и продавец в магазине тоже не знает - он сказал мне, что они являются стандартными для пультов дистанционного управления, таких как телевизор или контроллер DVD).

Нет, просто нет. Физические магазины и настоящие продавцы полезны только в том случае, если (1) у вас нелепое время, и вы не можете дождаться следующего дня, когда ваши запчасти поступят по почте, или (2) они повышают ценность продукта. У вас нет времени, и ваш продавец ничего не знает о товаре, поэтому я настоятельно рекомендую вам начать смотреть на авторитетных онлайн-дистрибьюторов, таких как Mouser и Digikey, которые предоставят таблицы данных и оригинальные запчасти.

Кроме того, ваше ценовое предложение в 12 долларов за 5 ИК-излучателей (обратите внимание, что светодиоды излучают только видимый свет, поэтому технически некорректно называть их ИК-светодиодами, они называются «инфракрасными излучателями») и 5 ​​фототранзисторов просто смешно. Стоимость ИК-излучателей составляет около 0,15 долл. США каждый, а фототранзисторов - около 0,30 долл. США каждый, поэтому вы должны смотреть на 2,25 долл. США для своей установки из 5 частей. Также обратите внимание, что эти цены указаны для небольших количеств сквозных отверстий: если вы покупаете катушки или используете более дешевые детали SMD, ни светодиод, ни фототранзистор не должны стоить больше, чем 0,10 доллара.

редактировать

Чтобы выбрать между различными возможными конфигурациями излучателей и детекторов, проведите линии прямой видимости через каждую пару, которую вы собираетесь проверить, как показано здесь:

Левый более плотный в центре, а правый использует значительное количество линий прямой видимости при проверке крайней периферии. Так как вы не работаете с критически важным для безопасности приложением, таким как световая завеса, где вы не можете позволить себе время от времени пропускать какой-либо объект, и поскольку ваши объекты должны быть сосредоточены в центре (и давать ошибочные результаты, если они попадают в стороны), я бы предложил левый.

Тем не менее, оба будут сложны в изготовлении. Я все еще предлагаю использовать прямоугольное расположение, как показано здесь:

Эта схема описывает верхнюю материнскую плату, содержащую микроконтроллер и разъем для питания, заземления и импульса, который выдается при обнаружении объекта, с дочерними платами, установленными на прямоугольных разъемах. Это создает расстояние 32/5 = 6,4 мм между парами излучатель / детектор без проверки диагоналей, увеличение счетчика с 5 до 6 или 8 (что было бы легко) позволило бы выполнить простое линейное сканирование.

Учтите, что схемы для эмиттера и детектора в основном идентичны (и имеют низкую плотность / сложность), вы, вероятно, могли бы сделать все три платы физически идентичными и просто заполнить их по-разному, чтобы сэкономить деньги. Для материнской платы, микроконтроллера SSOP или SOIC в верхней части платы, выполните ввод / вывод с обеих сторон до отверстий 0,1 "для прямоугольного заголовка. Для дочерних плат поместите ряд следов эмиттера / детектора (они Достаточно легко найти его в механически идентичных упаковках, таких как пара Kingbright APT2012F3C / AA3021P3S) и резисторы в нижней части, и запустить соединения обратно к заголовкам. Несколько паяных перемычек было бы достаточно для изготовления платы любого типа, как показано в следующем Схема, или вы могли бы придумать и сделать один конец платы соединением для излучателей, а другой для детекторов.

Опять же, я настоятельно рекомендую тщательно продумать дизайн для технологичности на данном этапе! Вы не хотите получать кучу компонентов, которые не можете надежно собрать, особенно если у вас есть длительное время выполнения заказа, как указано. Небольшое усилие, вложенное рано, может сэкономить много усилий позже.

Редактировать № 2: Схема для предлагаемого дизайна

Я использовал ATtiny40 в этом проекте, есть множество контроллеров, которые можно использовать. Извините за беспорядок сетей снаружи, я пробую новый аккуратный онлайн-редактор (щелкните изображение, чтобы открыть его), у которого еще нет автобусов.

Один метод, который может оказаться дешевле и проще, это использовать лазер. Как сказал Кевин, легче сделать световую завесу в прямоугольной трубе, чем в круглой. Сделайте внутреннюю часть трубки светоотражающей, либо приклеив зеркала внутрь, либо супер-полировкой. Затем направьте лазер через отверстие в трубе, чтобы он несколько раз отскакивал, прежде чем попасть в фототранзистор. Пока нет отверстий, достаточно больших для прохода мяча, вы гарантированно его обнаружите (вам может понадобиться больше отскоков в круглом корпусе, чем я нарисовал).

Другой способ восприятия, который ближе к тому, что вы используете сейчас, - это инвертировать вещи. Вместо того, чтобы светодиоды светились на фототранзисторах и шарик отключал сигнал, почему бы не расположить его так, чтобы фототранзисторы обнаруживали свет, отраженный от шарика?

Расположите светодиоды так, чтобы на фототранзисторах не было света. Сделайте светодиоды очень яркими. Когда шарик проходит светодиоды, он ярко светится при освещении, и на фототранзисторах обнаруживается слабый сигнал.

Пока что большинство детекторов, предлагаемых в этой теме, работают в цифровой области, требуя, чтобы пуля достаточно перекрывала луч света для запуска цифрового выхода. Поскольку излучатель и детектор могут быть расположены либо для обнаружения импульса отраженного света от проходящей пули, либо ее тени. Я предлагаю, чтобы фотодетектор был аналоговым в работе, работал ниже уровня насыщения и был подключен к детектору OOK Op-Amp.

Преимущество использования OOK-детектора состоит в том, что фоновый шум фильтруется для обеспечения уровня смещения для порогового детектора-компаратора, что делает детектор очень чувствительным к небольшим изменениям входного сигнала. Любое внезапное небольшое изменение уровня освещенности над уровнем фона запускает цифровой выход. Тщательно выбирая постоянные времени входного фильтра верхних частот и фильтра нижних частот смещения, можно обеспечить возможность настройки общего отклика детектора на сигнатуру изменения света, связанного с проходящим снарядом, отфильтровывая большую часть фонового шума. в результате медленных изменений уровня освещенности.

Таким образом, высокий коэффициент усиления детектора можно затем использовать для преобразования небольшого изменения уровня освещенности в требуемый цифровой импульс. Я полагаю, что первым шагом в создании такой системы было бы провести эксперимент, подключив осциллограф с переменным напряжением к фототранзистору, подключенному в конфигурации с повторителем, и исследовать наилучшее расположение светодиодов-излучателей и фотодетектора в трубке, которая создает Наибольший сигнал от отражения или тени от проходящей пули.

Не зная ИК-альбедо как снаряда, так и внутренней стенки трубы, невозможно порекомендовать, какое расположение даст наилучшие результаты. Я подозреваю, что наибольшее отношение сигнал / шум может быть получено при обнаружении рассеянной вспышки света от проходящей пули, но для этого необходимо, чтобы альбедо трубки было очень низким, а альбедо пули - высоким.

Я предлагаю, чтобы излучатель и приемник были выбраны так, чтобы иметь самый широкий угол обзора, при этом объект должен создавать веер света через трубку, чтобы максимизировать зону обнаружения. Здравый смысл указывает, что чем больше отношение поперечного сечения снаряда к трубе, тем выше отношение сигнал / шум, создаваемое тенью.

Функция трубки состоит в том, чтобы максимально уменьшить влияние окружающего света на детектор. При условии, что свет от ИК-излучателя преобладает, должна быть возможность отрегулировать выход ИК-излучателей для смещения детектора в его наиболее чувствительную линейную область работы, точку наибольшего наклона на кривой отклика детекторов.

Дальнейшее улучшение скорости, чувствительности и шумоподавления детекторов может быть достигнуто путем замены простого фототранзистора на фотодиод, такой как BPX65 и высокоскоростной OP-Amp. Существует ряд схем, в которых используется обратная связь по напряжению для поддержания постоянного напряжения смещения через постоянную фотодиода. Это увеличивает скорость детектора, поскольку фототок не используется для зарядки внутренней емкости диодов. Такие схемы обычно используются радиолюбителями, которые исследуют дальнюю линию, линию прямой видимости, оптическую связь с использованием малой амплитудной модуляции светодиодного света с малой ПЧ, модулированной поднесущей. В этом случае индекс модуляции АМ обычно составляет менее 10%, обычно 5%. Я подозреваю, что это похоже на сигнал AM, который можно ожидать от проходящей пули,

Думая об оптимальном оптическом устройстве для детектора и излучателя. Я считаю, что детектор и излучатель света должны быть коллимированы для создания параллельного пучка через трубку. Это может быть достигнуто путем размещения детектора и излучателя в противоположных фокусных точках, обращенных к параболическим отражателям. Это должно привести к пересечению и параллельному лучу ИК-света, пересекающему центральную линию трубки.

Поскольку нецелесообразно придавать трубке необходимый параболический профиль, такую ​​конструкцию можно создать, вставив два толстых пластиковых листа, имеющих профиль краевого параболического отражателя, в противоположные боковые стенки трубки через прорези, врезанные в стенку трубки. Край параболической формы вставок покрыт зеркально отражающей лентой Fablon. Требуемый параболический профиль можно получить, напечатав требуемую кривую на бумаге для лазерного принтера и перенеся ее, например, на пластиковый лист uPVC толщиной полдюйма в качестве метки трафарета для резки. Насколько это идеальное оптическое устройство лучше, чем просто использование круглого профиля трубки, является предметом эксперимента или подробного расчета.

Возможно, несколько светодиодов, указывающих на один фототранзистор, могут быть обнаружены и уменьшают мертвую зону.

Время заняться экспериментами! Также стоит взглянуть на скамейку, чтобы убедиться, что вы всегда находитесь в приятном месте.

Просто чтобы расширить ответ на все вопросы. Для пользователей Windows Phone есть приложение Wp7. Wp 7,5 Wp7,8 и Wp8. Это приложение называется CronoPhone (не Chrono, но без "H"), это отличное приложение для страйкбола с калькуляторами и шт ...

Но в нем также есть подробное руководство, в котором описывается, как сделать аппаратное обеспечение для хронографа необходимым. Кроме того, у него есть программное обеспечение, в котором он использует пробоотборник микрофона телефона для поиска аналоговых пиков от приемников ... А затем вычисляет MpS из пули. Если вы хотите, чтобы FPS использовал вычислитель в приложении ...

Надеюсь, я помогу. Помните, что это называется CronoPhone (без "h" в Chrono) ...