Vamos descobrir como fazer um projetor a laser bastante simples com os eletrônicos que você pode encontrar em casa.
1. Introdução
Existem duas maneiras de criar uma imagem com uma varredura de vetor a laser e varredura de varredura.
Durante a digitalização vetorial, o laser se move ao longo dos contornos da imagem, apenas desligando ao passar de um contorno para o próximo. Isso significa que o laser está na maior parte do tempo, criando uma imagem resultante bastante brilhante.
Esse método é mais frequentemente usado em projetores industriais a laser em larga escala, mas requer o uso de um dispositivo eletromecânico bastante complexo - o galvanômetro - para mover o laser rapidamente. Os preços começam em US $ 80 por par e é muito impraticável (
embora possível ) fazer em casa.
O segundo método é a
varredura raster . Lá, o raio laser se move de um lado para o outro, desenhando a imagem linha por linha. Esse é o método usado nos antigos televisores e monitores CRT.
Como os movimentos verticais e horizontais são feitos repetidamente, isso requer uma configuração mecânica muito mais simples do que a digitalização vetorial. Além disso, como a imagem é dividida em elementos separados, é muito mais fácil programar.
A principal desvantagem da digitalização de varredura é que o feixe passa por todos os elementos da imagem, mesmo aqueles que não precisam ser iluminados, fazendo com que a imagem fique mais escura. Mas, devido à simplicidade, esse foi o método que escolhi para o meu projetor a laser.
Para mover o feixe de laser ao longo de uma linha (horizontalmente), existe uma técnica muito conveniente: é usar um espelho girando a uma velocidade constante. Como a rotação é contínua, você pode mover o feixe rapidamente. Mas mover o feixe para outra linha é mais difícil.
A opção mais fácil é usar vários lasers apontados para o espelho rotativo. A desvantagem é que o número de linhas exibidas seria determinado pelo número de lasers usados, o que torna a configuração mais complicada, além de que você precisaria de um espelho alto. Mas também existem vantagens - a única parte móvel de todo o sistema é o espelho (menos coisas para quebrar), e o uso de vários lasers pode tornar a imagem mais brilhante.
Aqui está um exemplo de um projetor construído dessa maneira.
Outro método de varredura, freqüentemente encontrado na Internet, é combinar varreduras verticais e horizontais usando um tambor de espelho giratório, onde "facetas" separadas são colocadas em ângulos diferentes do eixo rotativo. Essa configuração de espelho faz o raio laser refletir em diferentes ângulos verticais quando o espelho está girando, criando uma varredura vertical.
Mesmo que o projetor resultante seja bastante simples em essência (você só precisa de um laser, um espelho com um motor e um sensor de sincronização), esse método tem uma grande desvantagem - é muito difícil construir um espelho multifacetado em casa. Normalmente, a inclinação das "facetas" deve ser ajustada perfeitamente durante a construção, e o nível de precisão exigido é incrivelmente alto.
Aqui está um exemplo desse projetor.Para facilitar, usei outro método de escaneamento - um espelho em rotação constante para formar o escaneamento horizontal e um espelho periodicamente oscilante para o escaneamento vertical.
Realização
Digitalização horizontal
Onde você pode encontrar um espelho de rotação rápida? Em uma impressora a laser antiga, é claro! As impressoras a laser usam um espelho poligonal, colocado em cima de um motor sem escovas, para escanear o feixe de laser ao longo do papel. O motor é geralmente colocado no topo da placa de circuito impresso que o controla.
Eu já tinha um módulo espelho de uma impressora antiga:
Não consegui encontrar a documentação para o módulo ou o chip dentro dele; portanto, para determinar o layout dos pinos do módulo, tive que fazer engenharia reversa. As linhas de energia são fáceis de localizar - elas estão conectadas ao único capacitor eletrolítico na placa de circuito impresso. Mas simplesmente fornecer energia ao motor não é suficiente para fazê-lo girar - você também precisa fornecer um sinal de relógio para definir a velocidade de rotação. O sinal é um meandro simples da frequência de 20 a 500-1000 Hz.
Para encontrar a linha certa, peguei um gerador de impulsos configurado para 100 Hz e o conectei (através de um resistor) a todas as linhas disponíveis da porta do módulo a laser. Quando o sinal é fornecido na linha correta, o motor começa a girar. O espelho gira muito rápido para nossos propósitos - conforme medido posteriormente, ele gira a uma velocidade acima de 250 RPS. Mas, infelizmente, a rotação do motor tornou bastante barulhento. Não é um problema para minhas experiências, mas certamente seria perceptível quando o projetor estiver completo e funcionando. Talvez isso possa ser atenuado usando um módulo espelho mais recente ou apenas colocando o módulo em uma caixa.
Laser
Para testes preliminares, usei um laser de um ponteiro laser barato. O módulo deve ser configurado para ter vários graus de liberdade - para apontar corretamente o laser para o espelho.
Como usamos a varredura raster, a luz do laser é distribuída por toda a área da imagem, o que torna a imagem bastante fraca - só é visível no escuro.
Então, muito mais tarde, depois que desenhei com sucesso uma imagem, substituí o módulo a laser por um mais poderoso - o diodo a laser de um DVD player.
Aviso: os lasers de DVD são muito perigosos e podem cegá-lo! Ao trabalhar com o laser, use óculos de proteção o tempo todo!
Os módulos laser e espelho poligonal foram colocados em cima de uma pequena prancha de madeira. Depois de fornecer o sinal de ponto ao motor e a energia ao laser, você deve apontar o laser de forma que o raio atinja as bordas do espelho. Como resultado, enquanto o espelho está girando, você obtém uma longa linha horizontal.
Fotossensor de sincronização
Para permitir que o microcontrolador rastreie a posição de um feixe de laser em movimento, precisamos de um fotosensor. Mas, para isso, usei um fotodiodo obstruído por um pedaço de papelão com um pequeno orifício no meio. É necessário rastrear o momento em que o feixe atinge o fotodiodo com mais precisão.
Aqui está o sistema de montagem do fotodiodo (sem o cartão):
Durante a operação normal, o raio laser refletido deve atingir primeiro o fotodiodo, e somente então - o espelho de varredura vertical.
Após instalar o sensor, testei-o fornecendo tensão através do resistor e observando o sinal com um osciloscópio - sua amplitude era suficiente para conectar o sensor diretamente à entrada GPIO do microcontrolador.
Digitalização vertical
Como mencionei anteriormente, usei um espelho periodicamente oscilante para formar a varredura vertical. Como você dirige isso? A maneira mais fácil é usar um eletroímã. Às vezes, as pessoas montam os espelhos em cima dos alto-falantes do computador, mas não é uma opção particularmente desejável (os resultados são inconsistentes, muito difíceis de calibrar).
Na minha construção, usei o motor BLDC de um DVD player para controlar o espelho de varredura vertical. Como o projetor foi projetado para a saída de texto, não havia muitas linhas para desenhar, o que significava que o espelho deveria estar apenas ligeiramente inclinado.
O motor BLDC consiste em três bobinas, que juntas formam um estator. Se uma das bobinas estiver conectada a uma fonte de energia com carga positiva e as outras duas estiverem conectadas alternadamente à fonte com carga negativa, o rotor do motor tremerá. A varredura angular máxima é determinada pela configuração do motor, especificamente - o número de pólos. Para um motor de DVD, não excede 30 graus. Como esse motor é poderoso e fácil de controlar (são necessárias apenas duas chaves), ele se encaixa muito bem com a nossa finalidade de construir um projetor a laser de texto.
É assim que o motor com um espelho conectado se parece:
Observe que a superfície reflexiva do espelho deve estar na frente - ou seja, não é obstruída pelo vidro.
Visão geral
É assim que o projetor parece montado:
O módulo de projeção de perto:
O espelho poligonal se move no sentido horário, de modo que o raio laser se move da esquerda para a direita.
O poderoso diodo laser de DVD já está instalado (dentro do colimador). O espelho de digitalização vertical é configurado de forma que a imagem projetada seja apontada para cima - no meu caso, para o teto do meu quarto.
Como você pode ver na figura, o laser e as partes mecânicas do projetor são controlados pelo microcontrolador STM32F103 instalado em uma pequena placa de depuração (Blue Pill). Esta placa está instalada na tábua de pão.
Esquema do dispositivo:
Como mencionei anteriormente, para controlar o motor de espelho poligonal, precisamos de apenas um sinal - o sinal de relógio (POLY_CLOCK) produzido por um dos temporizadores do STM32 trabalhando no modo PWM. Sua freqüência e taxa de funcionamento permanecem inalteradas enquanto o projetor está funcionando. Para alimentar o motor, eu uso uma fonte de alimentação separada de 12V.
Os dois sinais PWM para controlar o espelho de varredura vertical são gerados por outro timer do microcontrolador. Esses sinais são colocados através de um chip ULN2003A que controla o motor do DVD. Assim, definindo diferentes taxas de serviço para os canais PWM da época, podemos alterar o ângulo de viragem do motor.
Infelizmente, a versão atual do projetor não fornece feedback sobre a localização do espelho. Isso significa que o microcontrolador pode acionar os espelhos, mas não "sabe" sua posição atual. A inércia do rotor e a indutância das bobinas produzem alguns atrasos na alteração da direção da rotação.
Graças a tudo isso, há duas consequências principais:
- A densidade da linha não é constante, porque a velocidade de rotação do espelho não pode ser controlada;
- Muitas linhas não estão operacionais. O espelho de varredura vertical vacila em ciclos, de modo que algumas linhas podem ser exibidas de cabeça para baixo e outras de cabeça para baixo. Como resultado, como não podemos rastrear a posição, as linhas só podem ser exibidas enquanto o motor está girando de uma maneira específica. Como apenas metade das linhas está sendo exibida, o brilho da imagem é reduzido pela metade.
No entanto, a falta de feedback torna o dispositivo bastante fácil de construir.
O processo de formação da imagem também é bastante simples:
- Toda vez que o raio laser atinge o fotodiodo, o microcontrolador gera uma interrupção. Nesta interrupção, a velocidade de varredura horizontal atual é calculada pelo MCU. Depois disso, o timer de sincronização especial é redefinido.
- Esse cronômetro de sincronização gera suas próprias interrupções em momentos específicos durante a varredura horizontal.
- Em particular, algum tempo após a sincronização, o sinal de controle do laser precisa ser formado. Meu dispositivo o forma com um combo DMA + SPI. Essencialmente, esses módulos transmitem uma linha da imagem na saída MOSI SPI no momento certo, um bit de cada vez.
- Depois que a saída da imagem terminar, o laser deverá ser ligado novamente, para que o fotodiodo possa novamente aceitar seu feixe.
A modulação a laser é feita através de uma das teclas do chip ULN2003A. O resistor R3 é necessário para proteger o diodo laser contra sobrecorrente. Está instalado no final do cabo do laser, isolado. Para alimentar o laser, usei uma
fonte de alimentação externa. É importante controlar o consumo de corrente do laser e garantir que ele esteja dentro da faixa aceitável para o diodo laser específico.
Exemplo de uma imagem (8 linhas de altura):
O texto está um pouco fora de proporção porque o projetor aponta para uma parede em ângulo. Atualmente, todo ciclo de varredura vertical tem 32 etapas (uma etapa significa girar o espelho poligonal em uma borda).
O projetor pode exibir 14 linhas distintas: tudo depois disso começa a se misturar com outras linhas, corrompendo a imagem.
A foto no início também usa uma fonte de 8 linhas, o que torna possível exibir até duas linhas de texto um pouco bem.
As fontes 11x7 e 6x4 também são suportadas no código:
Exemplo de "texto em execução":
O vídeo faz a imagem tremer verticalmente, mas não é visível na realidade.
Projeto no GitHub.