พบกับแนวคิดนอกกรอบในการทำโครงงานจากแผงวงจรควบคุมอัตโนมัติ มาสู่ของเล่นสำหรับเจ้าหน้าขนตัวโปรด

แมวเป็นสัตว์เลี้ยงที่อยู่กับคนมานาน มีสัญชาติญาณในการล่าสูง ชอบวิ่งเล่นสนุกสนานซุกซน ของเล่นแมวจึงจัดว่า เป็นอุปกรณ์ที่ดีที่จะทำให้แมวรู้สึกสนุกสนาน โดยของเล่นแมวมีด้วยกันหลายแบบ แต่จะดีกว่าไหม ถ้าคุณสามารถสร้างของเล่นแมวที่มีการตอบสนองกับมันได้โดยอัตโนมัติ

หัวใจหลักของโครงงานนี้คือ แผงวงจร iBEAM ที่ใช้ไอซีออปแอมป์เป็นอุปกรณ์สำคัญในการทำงานร่วมกับโมดูลตรวจจับและวัดระยะทางด้วยแสงอินฟราเรด เมื่อแมวเข้ามาใกล้ วงจรจะขับมอเตอร์ทำงาน เพื่อทำให้ของเล่นเคลื่อนที่ออกห่างจากแมวไปด้วยระยะห่างค่าหนึ่งแล้วหยุด เมื่อแมวเข้ามาใกล้อีก วงจรจะขับมอเตอร์ให้ทำงานเพื่อทำให้ของเล่นเคลื่อนที่ห่างจากแมวอีกครั้ง ในรูปที่ 1 แสดงโครงสร้างการทำงานของโครงงานของเล่นสำหรับแมว

รูปที่ 1 ไดอะแกรมการทำงานของ KittenToys ของเล่นสำหรับแมว

รู้จักกับ GP2D120/GP2Y0A41 โมดูลวัดระยะทางด้วยแสงอินฟราเรด

GP2D120 และ GP2Y0A41 เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดระยะทางด้วยแสงอินฟราเรด โดยภายในตัวโมดูลจะมีอุปกรณ์หลัก 2 ตัวคือ LED อินฟราเรดและตัวรับแสงอินฟราเรดแบบอะเรย์ โดย LED จะขับแสงอินฟราเรดผ่านเลนส์นูนเพื่อโฟกัสแสงให้มีความเข้มมากที่สุดไปยังจุดใดจุดหนึ่ง เมื่อแสงกระทบวัตถุจะเกิดการสะท้อนและกระเจิงของแสงไปในทิศทางต่างๆ แสงส่วนหนึ่งจะสะท้อนกลับมายังภาครับ โดยมีเลนส์ภาครับทำหน้าที่รวมแสงและกำหนดจุดตกกระทบ แสงจะถูกส่งผ่านไปยังโฟโต้ทรานซิสเตอร์จำนวนมากที่ต้อเรียงตัวกันเป็นส่วนรับแสงหรืออะเรย์รับแสง ตำแหน่งที่แสงตก กระทบนี้จะถูกนำมาคำนวณหาระยะทางจากภาคส่งไปยังวัตถุได้

รูปที่ 2 หน้าตาและการจัดสายสัญญาณของโมดูลวัดระยะทางเบอร์ GP2D120/GP2Y0A41

คุณสมบัติทางเทคนิคที่สำคัญ
• ใช้การตรวจจับระยะทางด้วยการสะท้อนแสงอินฟราเรด
• วัดระยะทางได้ 4 ถึง 30 เซนติเมตร
• ไฟเลี้ยงที่เหมาะสมคือ +4.5 ถึง +5V ต้องการกระแสไฟฟ้าที่การวัดระยะทางสูงสุด 50mA
• ให้เอาต์พุตเป็นแรงดันในย่าน +0.4 ถึง +2.4V ที่ไฟเลี้ยง +5V
• ใช้งานได้โดยไม่ต้องต่ออุปกรณ์ภายนอกเพิ่มเติม

ในรูปที่ 3 เป็นกราฟแสดงผลการทำงานของโมดูล GP2D120 และ GP2Y0A41 (ทำงานเหมือนกันทุกประการ) จะเห็นได้ว่า ที่ระยะทางตรวจจับใกล้แรงดันเอาต์พุตที่ได้จะมีค่าสูง และลดลงเมื่อระยะทางที่วัดได้เพิ่มขึ้น

รูปที่ 3 กราฟแสดงผลการทำงานของโมดูล ​GP2D120 และ GP2Y0A41

เตรียมอุปกรณ์
จัดหาอุปกรณ์ตามรูปที่ 4 โดยแผงวงจร iBEAM และโมดูล GP2D120 หรือ GP2Y0A41 และอุปกรณ์ส่วนใหญ่จัดซื้อได้จาก INEX ที่ www.inex.co.th

รูปที่ 4 อุปกรณ์ทั้งหมดที่ต้องใช้ในโครงงานของเล่นของแมว KittenToy

การสร้าง
เริ่มจากโครงสร้าง
(1) สวมล้อพลาสติกเข้าที่แกนหมุนของชุดมอเตอร์พร้อมเฟืองขับรุ่น BO2-120:1 ที่มีการติดตั้งตัวยึด (motor holder) ไว้แล้ว ขันยึดให้แน่นด้วยสกรูเกลียวปล่อย 2 มม. ตามรูปที่ 5

รูปที่ 5

(2) นำสกรู 3×10 มม. 2 ตัว ร้อยเข้ารูกลางของฉากโลหะ 2×5 รู ทั้ง 2 ชิ้น เพื่อเตรียมไว้ยึดอุปกรณ์ในขั้นตอนถัดไป ตามรูปที่ 6

รูปที่ 6

(3) นำฉากโลหะจากขั้นตอนที่ (2) ยึดเข้ากับแผ่นฐานกลม โดยติดฉากโลหะทั้งสองชิ้นในทิศทางตรงข้ามกันตามตำแหน่งในรูปที่ 7

รูปที่ 7

(4) หงายแผ่นฐานขึ้นมา แล้วนำกล่องรองกะบะถ่านมาสวมเข้ากับ สกรู 3×10 มม. ที่ยึดกับฉากโลหะไว้ แล้วขันยึดให้แน่นด้วยนอต 3 มม. ทั้ง 2 จุด ดังรูปที่ 8

รูปที่ 8

(5) นำชุดมอเตอร์พร้อมเฟืองขับมายึดกับด้านตั้งฉากของฉากโลหะ 2×5 รูทั้งสองตัวที่ยึดกับแผ่นฐานไว้แล้วด้วยสกรู 3×6 มม. ในลักษณะตามรูปที่ 9

รูปที่ 9

(6) นำแบตเตอรี่ AA จำนวน 4 ก้อนบรรจุลงในกะบะถ่าน จากนั้นนำไปติดตั้งบนกล่องรองกะบะถ่าน ดังรูปที่ 10

รูปที่ 10

(7) ยึดโมดูลวัดระยะทาง GP2D120 กับฉากโลหะ 2×3 รู ด้วยสกรู 3×6 มม. และนอต 3 มม. ขันยึดให้แน่น ทำเช่นเดียวกันทั้งสองข้าง ดังรูปที่ 11

รูปที่ 11

(8) นำฉากโลหะ 2×5 รูมายึดกับแผงวงจร iBEAM โดยวางฉากโลหะด้านยาว 5 รู ขนานกับแผงวงจร iBEAM จากนั้นยึดด้วยสกรู 3×6 มม. และนอต 3 มม. ขันยึดให้แน่นตามรูปที่ 12.1 จากนั้นนำโมดูล GP2D120 จากขั้นตอนที่ (7) มายึดกับแผงวงจร iBEAM ด้วยสกรูหัวตัด 3×5 มม. ดังรูปที่ 12.2 เชื่อมต่อสายสัญญาณจากโมดูล GP2D120 เข้าที่ช่องอินพุดด้านซ้าย (LEFT_Sensor) ของแผงวงจร iBEAM ดังรูปที่ 12.3

รูปที่ 12 ติดตั้งโมดูล GP2D120 เข้ากับแผงวงจร iBEAM

ประกอบร่าง
(9) นำแผ่นฐานที่ยึดมอเตอร์และกะบะถ่านแล้วมาประกอบกับส่วนควบคุมและตัวตรวจจับ ต่อสายไฟของกะบะถ่านเข้าที่ช่อง POWER ของแผงวงจร iBEAM และต่อสายไฟของมอเตอร์เข้าที่จุดต่อเอาต์พุตด้านซ้ายของแผงวงจร iBEAM ดังรูปที่ 13

รูปที่ 13 เตรียมการประกอบร่างของโครงงาน

(10) ตัดด้ายเชือกร่มยาว 10 เซนติเมตร ประมาณ 30 เส้น เรียงให้ดีและใช้เทปใสติดปลายด้านใดด้านหนึ่ง จากนั้นนำไปติดกับปลายหลอดพลาสติก เพื่อใช้เป็นพู่ล่อให้แมวมาเขี่ยเล่น นำหลอดที่ติดด้ายเชือกร่มแล้วเสียบเข้ากับโครงของส่วนควบคุมและมอเตอร์ โดยให้หลอดพลาสติกอยู่ตรงด้านเดียวกับโมดูลวัดระยะทางดังรูปที่ 14.2 จะได้โครงของชิ้นงานที่พร้อมสำหรับการทดสอบต่อไป

รูปที่ 14 ยึดพู่เข้ากับโครงของส่วนควบคุม

ทดสอบการใช้งานและตั้งค่าอุปกรณ์
(1) ถอดสายมอเตอร์ที่เสียบกับจุดต่อเอาต์พุตด้านซ้ายของแผงวงจร iBEAM ออกก่อน เพื่อให้ปรับค่าตัวต้านทานบนแผงวงจร iBEAM ได้ง่ายขึ้น
(2) เปิดสวิตช์ไฟเลี้ยงของแผงวงจร iBEAM จะเห็น LED สีเขียวบนแผงวงจรควบคุมติดสว่าง หากไม่ติด อาจต่อสายไฟเลี้ยงจากกะบะถ่าน 4 ช่องผิดขั้ว หรือต่อสายไม่แน่น ทำการแก้ไขให้ถูกต้อง
(3) นำมือไปวางตรงบริเวณพู่เชือกร่มที่ปลายหลอด แล้วค่อยๆ ปรับค่าตัวต้านทานที่ตำแหน่ง LEFT Sensor ของแผงวงจร iBEAM จนกว่า LED สีแดงที่แสดงสถานะเอาต์พุตของจุดต่อเอาต์พุตด้านซ้ายจะติดสว่าง
(4) เลื่อนมือให้ห่างออกไปประมาณ 5 เซนติเมตร จากนั้นปรับค่าตัวต้านทานที่ตำแหน่ง LEFT Sensor ของแผงวงจร iBEAM จนกว่า LED สีแดงที่แสดงสถานะเอาต์พุตของจุดต่อเอาต์พุตด้านซ้ายจะดับ เป็นอันเสร็จสิ้นการปรับแต่ง
(5) ปิดสวิตช์ของแผงวงจร iBEAM ต่อมอเตอร์เข้ากับจุดต่อเอาต์พุตด้านซ้ายให้เรียบร้อย
(6) เปิดสวิตช์และทดสอบการใช้งาน โดยนำมือเข้าใกล้บริเวณพู่เชือกร่ม จะทำให้วงจรทำงาน มอเตอร์ถูกขับ ทำให้ตัวชิ้นงานหมุนห่างออกไป

ตกแต่งอุปกรณ์ของเล่นแมว
เนื่องจากอุปกรณ์ทั้งหมดถูกติดตั้งอยู่โดดๆ จึงทำให้อาจถูกแมวที่มาเล่นกัดสายไฟเสียหายได้ จึงจำเป็นจะต้องใช้กล่องหรือภาชนะอื่นๆ มาครอบตัวโครงงาน มีขั้นตอนการทำและตกแต่งชิ้นงานดังนี้

(1) เตรียมสายไฟสำหรับทำสวิตซ์เปิดปิดจากภายนอก เนื่องจากเมื่อนำกล่องมาครอบแผงวงจรแล้ว จะเปิดสวิตช์จากแผงวงจร iBEAM โดยตรงไม่ได้ โดยตัดสายไฟอ่อนยาวประมาณ 10 เซนติเมตร จำนวน 2 เส้น บัดกรีเข้ากับสวิตชฺเปิดปิด ดังรูปที่ 15

รูปที่ 15 บัดกรีสายไฟให้แก่สวิตช์เปิดปิดภายนอก

(2) นำภาชนะหรือกล่องมาเจาะให้เป็นช่องให้โมดูลวัดระยะทางทำการตรวจจับวัตถุได้ และเจาะรูทางด้านหลังเพื่อใช้ติดตั้งสวิตซ์เปิดปิด อาจตกแต่งด้วยดวงตาตุ๊กตาหรือโบว์ต่างๆ ได้ตามใจชอบ ดังตัวอย่างในรูปที่ 16

รูปที่ 16 ตัวอย่างกล่องบรรจุ, แนวทางการตกแต่งกล่อง และการติดตั้งสวิตช์เปิดปิดเพิ่มเติมให้แก่โครงงานของเล่นแมว

(3) นำกล่องที่ทำเสร็จแล้วมาครอบชุดอุปกรณ์ควบคุม โดย
(3.1) ปลดสายไฟบวกของกะบะถ่านออกจากแผงวงจร iBEAM จากนั้นต่อสายไฟของสวิตช์เปิดปิดภายนอกอนุกรมกับสายไฟบวกของกะบะถ่านโดยใช้เทปพันสายไฟ เพื่อใช้สวิตช์ภายนอกในการเปิดปิดไฟเลี้ยงวงจร
(3.2) ต่อสายไฟลบของสวิตช์เปิดปิดเข้ากับขั้วบวก(+) ของแผงวงจร iBEAM
(3.3) สายไฟขั้วลบของกะบะถ่าน (สีดำ) ต่อเข้ากับขั้วลบ (-) ของแผงวงจร iBEAM
(3.4) เปิดสวิตช์ที่แผงวงจร iBEAM ไว้ตลอดเวลา (แต่อย่าเพิ่งเปิดสวิตซ์ที่อยู่บนกล่อง)
(3.5) นำกล่องครอบวงจรทั้งหมด แล้วยึดติดด้วยเทปใส จะได้ผลงานดังรูปที่ 17

รูปที่ 17 ตัดต่อสายไฟเลี้ยงเข้ากับสวิตช์เปิดปิดภายนอกของโครงงานของเล่นแมว

รูปที่ 18 KittenToy ที่เสร็จแล้วพร้อมใช้งาน