Sensor para detecção de bala de airsoft

Estou tentando criar um cronógrafo / cronômetro de airsoft (um dispositivo que mede a velocidade da bala de airsoft). A idéia é medir o tempo em que a bala está viajando do ponto A ao ponto B, e então eu posso calcular a velocidade da bala.

A bala é disparada em tubo de plástico com diâmetro de 32 mm. Tentei colocar de um lado o LED infravermelho e, do outro lado, o fototransistor (BPW 40), tanto no início quanto no final do tubo. Algo assim:

Círculos azuis são fototransistores, círculos vermelhos são LEDs IR e círculos brancos são balas de airsoft.

Quando a bala passa pela área em que a bala 2 é desenhada (entre o LED IR e o fototransistor), tudo funciona perfeitamente. Mas quando a bala passa onde os marcadores 1 e 3 são sorteados, ela não é detectada. Isso é esperado, mas comportamento indesejado.

Então, minha pergunta é: como posso detectar marcadores independentemente de sua posição? Pensei em colocar LEDs infravermelhos e fototransistores em torno do tubo (não apenas em um lugar), como este:

mas essa solução não é mais barata: 5 LEDs IR + 5 BPW 40 = cca $ 12 vezes 2 (porque eu preciso dos dois lados do tubo) = $ 24. Existe alguma solução mais barata? O BPW 40 é uma boa escolha para fototransistor? Não sei quais LEDs de infravermelho estou usando (e o vendedor da loja também não sabe - ele me disse que são genéricos para controladores remotos, como controladores de TV ou DVD).

O diâmetro do tubo é de 32 mm e demorará cerca de 14 cm (os sensores terão 10 cm de distância). O diâmetro da bala de airsoft é 6mm.

EDITAR:

Eu vou para a minha segunda idéia. Só tenho mais uma pergunta: é melhor organizar emissores de infravermelho e transistores fotográficos desta maneira:

ou desta maneira:

Obrigado !!

Você não precisa que o BB esteja centralizado entre o emissor e o detector

Pode ser possível usar o fototransistor como um sensor analógico e não como um comutador (que é o que suspeito que você esteja fazendo no momento). Mesmo que seu item não bloqueie completamente a luz, ele mudará a luz na área do tubo ocupado. Use seu fototransistor para criar tensão, amplificação ou buffer, se necessário, e envie a saída para um amplificador diferenciado . Isso deve gerar uma tensão diferente de zero sempre que a intensidade da luz mudar. Supondo que seu sistema esteja fechado nas duas extremidades (e que sua pistola de airsoft não tenha um flash de focinho significativo), isso só deve acontecer quando uma bala passa pela área.

Algumas idéias de cortinas de luz

Considere também que seu problema é semelhante ao resolvido por cortinas de luz, mas em uma escala menor. É especialmente semelhante em seu último diagrama, com vários sensores. Alguns truques podem ser emprestados das cortinas de luz:

• É mais fácil projetar e montar cortinas de luz retangulares do que outras formas. Supondo que você tenha projetado seu tubo para ser grande o suficiente para que o fluxo de ar ao redor da bala não seja um problema, você pode colocar caixas na extremidade do tubo contendo PCBs planas para montar seus emissores e detectores. Isso seria consideravelmente mais fácil e mais robusto do que fazer furos no tubo e nos fios em todo o lugar.

• Sua resolução pode ser aumentada significativamente, varrendo seus emissores e verificando cada um de seus detectores. Isso altera seu padrão de varredura de uma linha de linhas (que precisaria ser afastadas <6mm) para linhas entre cada detector e cada emissor. Você precisará verificar se o padrão formado não deixa buracos, como imediatamente adjacentes aos emissores ou detectores (embora eles possam ser removidos simplesmente espaçando os detectores e emissores). Observe que você precisará digitalizar rapidamente; o fator limitante é provavelmente seus fototransistores com tempos de subida e descida da ordem de 10 microssegundos. Para escapar da detecção, um objeto de 6 mm precisaria viajar em:

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

  o que é, espero, significativamente mais rápido do que sua arma de airsoft é capaz.

Mais um problema sobre sua fonte:

Não sei quais LEDs de infravermelho estou usando (e o vendedor da loja também não sabe - ele me disse que são genéricos para controladores remotos, como controladores de TV ou DVD).

Não. Apenas não. Lojas físicas e vendedores da vida real só são úteis quando (1) você está em uma situação ridícula e não pode esperar até o dia seguinte para que suas peças cheguem pelo correio ou (2) elas agregam valor ao produto. Você não está pressionando pelo tempo e seu vendedor não tem noção da mercadoria, então eu sugiro fortemente que você comece a procurar distribuidores on-line respeitáveis ​​como Mouser e Digikey, que fornecerão folhas de dados e peças genuínas.

Além disso, sua cotação de US $ 12 para 5 emissores de infravermelho (observe que os LEDs emitem apenas luz visível, então é tecnicamente incorreto chamá-los de LEDs de infravermelho, eles são chamados de "emissores de infravermelho") e 5 fototransistores são ridículos. Os emissores de infravermelho custam cerca de US $ 0,15 cada e os fototransistores custam cerca de US $ 0,30 cada, então você deve procurar US $ 2,25 para sua configuração de 5 peças. Observe também que essas cotações são para pequenas quantidades de peças passantes: se você estiver comprando bobinas ou usando peças SMD mais baratas, nem o LED nem o fototransistor devem ser superiores a US $ 0,10.

Editar

Para decidir entre as várias configurações possíveis de emissores e detectores, desenhe linhas de visão através de cada par que você verificará como mostrado aqui:

A esquerda é mais densa no centro, enquanto a direita usa um número significativo de suas linhas de visão para verificar a periferia extrema. Como você não está trabalhando com um aplicativo crítico de segurança, como uma cortina de luz, onde você não pode perder um objeto de vez em quando, e como seus objetos devem estar concentrados no centro (e dê resultados errados se atingirem o lados), sugiro o da esquerda.

Dito isto, ambos serão difíceis de fabricar. Eu ainda sugiro usar um arranjo retangular, como mostrado aqui:

Este diagrama descreve uma placa principal superior contendo um microcontrolador e um conector para alimentação, terra e pulso a serem emitidos quando um objeto for detectado, com placas filha montadas em conectores em ângulo reto. Isso cria um espaçamento de 32/5 = 6,4 mm entre os pares emissor / detector sem verificar as diagonais, aumentando a contagem de 5 para 6 ou 8 (o que seria fácil), permitindo que você faça uma varredura linear simples.

Considere que os circuitos para o emissor e o detector são basicamente idênticos (e de baixa densidade / complexidade), você provavelmente poderia tornar todas as três placas fisicamente idênticas e simplesmente preenchê-las de maneira diferente para economizar dinheiro. Para a placa-mãe, um microcontrolador SSOP ou SOIC na parte superior da placa, execute a E / S dos dois lados nos orifícios de 0,1 "para um cabeçalho em ângulo reto. Para as placas filhas, coloque uma linha de pegadas de emissor / detector (elas ' É fácil encontrar pacotes mecanicamente idênticos, como o par Kingbright APT2012F3C / AA3021P3S) e resistores na parte inferior, e executar as conexões de volta aos cabeçalhos.Alguns jumpers de solda seriam suficientes para criar uma placa para qualquer tipo, conforme mostrado a seguir esquemático, ou você pode ser extravagante e fazer de uma extremidade da placa uma conexão para emissores e a outra para detectores.

Mais uma vez, sugiro fortemente que você pense muito sobre o design para fabricação nesta fase! Você não deseja acabar com um monte de componentes que não podem ser montados de maneira confiável, especialmente se você tiver longos prazos de entrega, conforme indicado. Um pouco de esforço investido no início pode economizar muito esforço posteriormente.

Edit # 2: Esquema para o projeto proposto

Eu usei um ATtiny40 neste design, há uma variedade de controladores que podem ser usados. Desculpem a bagunça das redes por fora, estou experimentando um novo editor on-line (clique na imagem para abri-la) que ainda não possui ônibus.

Um método que pode acabar sendo mais barato e mais simples é usar um laser. Como Kevin disse, é mais fácil fazer uma cortina de luz em um tubo retangular do que em um redondo. Torne o interior do tubo reflexivo, colando espelhos no interior ou polindo-os super. Em seguida, aponte um laser através de um orifício no tubo para que ele salte várias vezes antes de atingir o fototransistor. Desde que não haja buracos grandes o suficiente para a bola passar, então você está garantido para detectá-la (você pode precisar de mais ressaltos na caixa circular do que eu desenhei).

Outro método de detecção mais próximo do que você está usando agora é inverter as coisas. Em vez de os LEDs brilharem nos fototransistores e a bola cortar o sinal, por que não organizá-lo para que os fototransistores detectem a luz refletida na bola?

Organize os LEDs para que não haja luz brilhando nos fototransistores. Faça os LEDs muito brilhantes. Quando a bola passa pelos LEDs, brilha intensamente sob a ilusão, e um pequeno sinal é detectado nos fototransistores.

Até agora, a maioria dos detectores sugeridos neste segmento parece operar no domínio digital, exigindo que a bala obstrua o feixe de luz o suficiente para acionar uma saída digital. Como o emissor e o detector podem estar dispostos para detectar um pulso de luz refletida da bala que passa ou de sua sombra. Sugiro que o fotodetector seja analógico em operação, funcionando abaixo do nível de saturação e acoplado a um detector OOK Op-Amp.

A vantagem de usar um detector OOK é que o ruído de fundo é filtrado para fornecer o nível de polarização do comparador do detector de limiar, tornando o detector muito sensível a pequenas alterações no sinal de entrada. Qualquer pequena mudança repentina no nível de luz acima do nível de fundo aciona uma saída digital. Através da seleção cuidadosa das constantes de tempo do filtro passa-alto de entrada e do filtro passa-baixo polarizado, deve ser possível adaptar a resposta geral do detector à assinatura da mudança de luz associada ao projétil de passagem, filtrando a maior parte do ruído de fundo resultante de mudanças lentas no nível da luz ambiente.

Assim, o alto ganho do detector pode então ser usado para converter uma pequena alteração no nível de luz no pulso digital necessário. Sugiro que o primeiro passo na construção de um sistema desse tipo seria experimentar a conexão de um osciloscópio ac ac a um foto-transistor conectado em uma configuração de seguidor e investigar a melhor disposição da posição do LED emissor e do foto-detector no tubo que produz o maior sinal de reflexão ou sombra da bala que passa.

Sem conhecer o albedo de IR do projétil e da parede interna do tubo, não é possível recomendar qual arranjo produzirá os melhores resultados. Suspeito que a maior relação sinal / ruído possa ser obtida com a detecção do flash de luz disperso da bala que passa, mas isso exige que o albedo do tubo seja muito baixo e o da bala seja alto.

Sugiro que o emissor e o receptor sejam selecionados para ter o ângulo de visão mais amplo, com o objetivo de produzir um ventilador de luz através do tubo, para maximizar a área de detecção. O senso comum indica que, quanto maior a proporção da seção transversal do projétil em relação à do tubo, maior a relação sinal / ruído que a sombra produzirá.

A função do tubo é reduzir ao máximo os efeitos da luz ambiente no detector. Desde que a luz do emissor de infravermelho domine, deve ser possível ajustar a saída dos emissores de infravermelho para direcionar o detector para sua região linear de operação mais sensível, o ponto de maior inclinação na curva de resposta do detector.

Uma melhoria adicional no desempenho da velocidade, sensibilidade e rejeição de ruído dos detectores pode ser obtida substituindo o foto-transistor simples por um foto-diodo, como um BPX65 e um OP-Amp de alta velocidade. Existem vários circuitos que usam feedback de tensão para manter a tensão de polarização DC através da constante do foto-diodo. Isso aumenta a velocidade do detector, pois a foto-corrente não é usada para carregar a capacitância interna dos diodos. Tais circuitos são comumente usados ​​por radioamadores que estão explorando comunicação de longo alcance, linha de visão e comunicação óptica usando modulação de pequena amplitude da luz LED por um subportador modulado por IF baixo. Nesse caso, o índice de modulação AM é geralmente menor que 10%, geralmente 5%. Suspeito que isso seja semelhante ao sinal AM que pode ser produzido por uma bala passageira,

Pensando no melhor arranjo óptico para o detector e o emissor. Acredito que a luz do detector e do emissor deve ser colimada para produzir um feixe paralelo através do tubo. Isso pode ser conseguido colocando o detector e o emissor nos pontos focais opostos dos refletores parabólicos. Isso deve resultar em um cruzamento e um feixe paralelo de luz infravermelha cruzando a linha central do tubo.

Como é impraticável moldar o tubo no perfil parabólico necessário, esse arranjo pode ser produzido inserindo duas folhas plásticas grossas, moldadas com um perfil de borda do refletor parabólico nas paredes laterais opostas do tubo, através de fendas cortadas na parede do tubo. A borda em forma de parabólica das pastilhas é coberta com fita refletora espelho Fablon. O perfil parabólico necessário pode ser produzido imprimindo a curva necessária no papel da impressora a laser e transferindo-a para, por exemplo, folha plástica de uPVC de meia polegada de espessura como marca de estêncil para corte. Quanta melhoria esse arranjo óptico ideal oferece sobre o uso do perfil circular do tubo é o assunto para experimentos ou cálculos detalhados.

Talvez vários leds apontando para um fototransistor possam ser detectáveis ​​e reduzir a zona morta.

Hora de fazer algum exercício! Também vale a pena observar um descanso para garantir que você esteja sempre no ponto ideal.

Apenas para estender o título do atendedor. Existe um aplicativo para usuários de telefones com Windows Wp7. Wp 7.5 Wp7.8 e Wp8. Este aplicativo é chamado CronoPhone (não cronógrafo, mas sem o "h"), é um ótimo aplicativo de airsoft com calculadoras e stuf ...

Mas também possui um guia detalhado que descreve exatamente como criar o harware do cronógrafo que você está usando. Além disso, possui um software no qual usa o amostrador de microfone do telefone para encontrar os picos analógicos dos receptores ... E depois calcula o MpS da bala. Se você quiser o FPS, use a calculadora no aplicativo ...

Espero que ajude. Lembre-se que é chamado CronoPhone (sem o "h" em Chrono) ...