Arduino水滴控制器 - 2014.6.05

前些日子研究高速閃光燈觸發器,使用的是普通分立電子元件的簡單電路,但深入研究發現了一樣更好玩的東西:水滴碰撞。 要體驗一下水滴碰撞的奇妙之處可以先看看以下精彩的短片:
https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=FaKbpw4Ko8A
http://youtu.be/yD_AwjzTaI0

拍攝水滴碰撞需要精密的水滴控制器,製作水滴控制器對時間控制的精度要求很高,之前的單穩態延時電路較難符合要求,現在流行的做法是使用單片機(single-chip microcomputer)。

簡單來說單片機就是集成了處理器、記憶體及輸入輸出介面於一塊晶片的微型電腦。隨著科技的進步,現時單片機已廣泛地用於一些自動化裝置和家電中。

Arduino是意大利開發的開放原始碼的單片機微控制器,具有簡單的輸入輸出控制介面及簡化的編程語言,還有各式各樣的擴充模塊,適合沒有編程經驗和無線電基礎的人開發一些有趣的控制裝置。

Arduino UNO (長寬高約為 69mm x 54mm x 15mm)

Arduino Nano (長寬高約為 44mm x 18mm x 18mm)

對比一下兩者的大小

用麵包板(Breadboard)進行簡單電路的實驗是個省事又環保的方法

輸出控制電路:

光耦觸發電路:簡單安全,適合觸發相機快門及低壓閃光燈。下面右圖是用PC817製作的迷你光耦觸發開關模塊。

三極管觸發電路:普通小功率NPN管(如BC547)便宜容易找,適合觸發相機快門及低壓閃光燈。

可控硅觸發電路:小功率可控硅,耐壓高,適合觸發高壓閃光燈。

達林頓管觸發電路:可控制較大電流,適合用於驅動電磁閥。圖中的二極管1N4004用以防止電動機/電磁閥等電感類負載斷電時產生的瞬間反向高電壓對控制管造成損壞。

場效應管觸發電路:有現成的模塊供選購,可控制較大電流,適合用於驅動電磁閥。

繼電器控制電路:原理同上面的達林頓管觸發電路,只是換用小功率硅管(如BC547),+5V由Arduino供電。

按鈕控制電路:用硬件按鈕代替滑鼠點擊"開始"的動作

水滴控制器:

這次使用Arduino UNO R3及Arduino Nano V3製作水滴控制器,配合相機快門時滯抵消算法可在明室拍攝水滴。控制流程大致如下:

1) 控制電磁閥給水, 可控制水滴數量, 大小(由接通的時間控制)及間隔。
2) 延時
3) 觸發相機快門(觸發閃燈的時間減去快門延遲"D800為42毫秒,反光板預昇狀態下可設定為45毫秒,D90為65毫秒")
4) 觸發閃光燈。

1) 電腦水滴控制器:

這是個非常簡單又非常有彈性的做法,通過電腦USB端口連接Arduino控制電磁閥、相機快門及閃燈,適合多種流行平台,不需要自己編程,只要製作簡單的輸出控制電路,並下載有關的源碼和電腦端控制軟件即可。

Arduino UNO水滴控制器:一個相機快門線接口、兩個閃光燈接口(可擴充至三個)、一個電磁閥接口(可擴充至三個)及一個蜂鳴器接口(#12),用杜邦線連接到Arduino對應的接口(Arduino的14個數字接口中,2-13可用,但13腳開機時會出現干擾 ,建議不要接蜂鳴器以外的設備)。

稍加改良後可直插在Arduino UNO開發板上,簡單又清爽。(Arduino UNO的引腳排座雖然是2.54mm標準間距,但在7與8腳之間差了半個孔,用普通洞洞板時就有很大的問題,這裡只用了8-13腳這段的排座)。接口定義:相機快門線接口(#8)、兩個閃光燈接口(#9-10)、電磁閥接口(#11)、蜂鳴器接口(#12)

Arduino Nano水滴控制器:一個相機快門線接口(#10)、四個閃光燈接口(#6-9)、三個電磁閥接口(#3-5)、一個觸發按鈕接口(#12)、一個繼電器(#2)及一個蜂鳴器(#13)。吸收了UNO的經驗,用Nano製作的控制器可以用盡12個數字接口,為方便操作,加入了觸發按鈕(附外接控制線插座)及燈光控制繼電器,雖繼電器接點可接220V的電器,但祇用它來控制USB檯燈。

蜂鳴器接在#13腳有好有不好,好處是可以檢測板子是否正常工作(插上USB線響8下,進入程序響4下,串行通訊界面設定不正確時會持續短響)。缺點是怕吵的人可能不喜歡。

使用USB燈的效果

兩代控制器:

電腦端介面:見過網絡上兩位出色的攝影師選用的產品是GlimpseCatcher,但軟件 遍尋不果。下面是另一款介面相對簡單的Droplet。進入程序後首先選擇設備的串行通信(COM)端口。接下來按需要增/減控制裝置並定義好Arduino插腳就可以正式使用了,簡單又方便。

2) 獨立水滴控制器:http://forum.arduino.cc/index.php/topic,63036.0.html

使用一塊1602液晶顯示屏連按鍵板模塊輸入數值,讓Arduino可以脫離電腦獨立操作。上述網頁的源碼不包含相機及閃光燈延遲控制電路,需要使用B門及另加閃光燈延遲觸發電路。

電磁閥:

電磁閥的選擇很多,流行的牌子有亞德客(Airtac)和新恭(Shako)。亞德客有很多仿冒品,僅人民幣十幾元,單看外表難以分辨真偽,網上正品價格約RMB$60,便宜太多的幾乎可以肯定是假的。做水滴控制器來說常用的電壓有12V及24V,12V的電源比較容易找(很多DVD機的電源適配器是12V的),24V的電流會小一些。一般來說電磁閥的接線不用分正負,但如有LED指示燈的就要注意極性。

仿製的亞德客2V025-08電磁閥(12V),價格約RMB$16

新恭PU220AR-02(24V),份量十足,正品價格約RMB$85

供水瓶:

可以找普通飲料瓶改造,大小無所謂,一般100毫升以上的都可以。

礦泉水瓶

調料瓶

這款雙蓋透明濾濾料殼,直徑5CM,長25.4CM,有標準的1/4(2分)螺絲接口,很適合做水滴控制器的供水瓶。

供水系統使用"馬里奧特虹吸瓶"(mariotte syphon bottle)原理以保持水壓恆定

電磁閥線圈可轉四個不同角度,適合不同的安裝方法

連接水管及接頭:

使用外徑6mm,內徑4mm的魚缸氣泵透明塑料管連接供水瓶及電磁閥,進水口用2分6mm直通快插接頭,出水口用2分6mm(外徑6mm、內徑4.3mm)寶塔接頭,經試驗出水口最佳口徑(內徑)是4mm,上述規格已是銅寶塔頭的最小口徑,如不想自己改造,可與入水口一樣用6mm直通快插接頭接一段6mm塑料管做出水口 。

固定夾頭(M5螺絲)及各種連接頭(2分外牙直通、2分寶塔接頭"外徑6.4mm,內徑4.5mm"、M8穿板直通寶塔接頭、2分快插直通)

各種2分銅接頭:6mm/8mm快擰、6mm/8mm快插直通/彎頭、內牙直通、外牙直通、內牙/外牙寶塔接頭

同樣規格的寶塔接頭,只有內徑4mm-4.5mm纔適合用做滴水口,左:外徑6mm,內徑4.3mm;右:外徑6.5mm,內徑5mm

接線示意圖:

水滴拍攝所需的各種配件及安裝方式

單閥的固定方式:

多閥的固定方式:

試拍結果:

註: 自由落體時間計算公式 t = √ (2h / g)    * t:時間 h:高度 g:重力加速度 = 9.80665

 

參考資料:

http://photoduino.com/
http://mrossphoto.com/wordpress32/phspt/
http://www.scantips.com/drops/shako/
https://sites.google.com/site/iamcadboy/home

http://www.mjkzz.com/products/waterdrop.html
http://www.cognisys-inc.com/HowTo/three_valve_drops.php
http://ramigrafx.com/waterdrop-equipment/
http://www.uglyhedgehog.com/t-50240-1.html

http://youtu.be/9rkCbKxJwdY
https://www.youtube.com/watch?v=20Cd_mib9rk
http://youtu.be/9wJcDgImMls

 

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