Prosty pilot oparty na module radiowym nrf24L01

[StrongVoltage]

SŁOWEM WSTĘPU

Geneza powstania tego projektu jest niezwykle prosta i prozaiczna - po prostu potrzebowałem na szybko nadajnik do obsługi odbiorników z modułem nrf24l01. Wiele moich projektów i robotów opiera swoją komunikację właśnie na tych popularnych i dobrze znanych układach. Jednak do tej pory nie miałem opracowanego żadnego kompaktowego rozwiązania do tego celu. Nadeszła jednak chwila, w której potrzebowałem rozwiązania przydającego się poza moim warsztatem - czyli w terenie.

Projekt ten miał 3 główne założenia:

1. Wykonać projekt w maksymalnie jak najkrótszym czasie.
2. Do produkcji urządzenia wykonać ogólnodostępne komponenty walające się po moim warsztacie.
3. Zostawić w projekcie miejsce na dalsze usprawnienia.

Tym sposobem po dwóch dniach powstał pilot, którym bardzo bym chciał się podzielić ze społecznością tego forum, a także każdym, kto lubi tworzyć i będzie w potrzebie stworzenia takiego urządzenia.

Udało się spełnić wszystkie postawione wymagania. Czas produkcji prototypu zamyka się w niecałych 7 godzinach. W czas ten wliczony jest wydruk elementów na drukarce 3D, wytrawienie PCB oraz końcowy montaż całej elektroniki. Pilot posiada bardzo prosty i surowy styl, który w połączeniu z wyczuwalnym ciężarem 420 gramów daje odczucie solidnego i wytrzymałego produktu. Choć kształt pilota był tworzony w czysto improwizowanym procesie, bardzo dobrze układa się w dłoniach i zapewnia pewny chwyt całego urządzenia. Jeżeli więc potrzebny jest pilot RC a brak jest czasu, to do wykonania tego będziesz potrzebować:

• 2x Moduł Joystick z przyciskiem
• 1x Potencjometr montażowy 10k
• 1x gałka do potencjometru (nie jest konieczna ale to miły dodatek)
• 1x Arduino Nano - U3
• 2x przełącznik kołyskowy
• złącza goldpin męskie raster 2,54mm - J3, J4, J5, J6, J7, J8, J9, J10, J11, D1
• złącza goldpin żeńskie raster 2,54mm
• przewody męsko-męskie 10cm
• przewody męsko-męskie 20cm
• 1x moduł nrf24L01+PA+LNA (można użyć standardowego modułu) - U4
• 1x dioda LED THT 5mm 
• 1x stabilizator 5V LM7805 - U1
• 1x stabilizator 3,3V LF33CV - U2
• 1x rezystor 1k - R1
• 4x kondensator 100uF/16V (ważne by wysokość kondensatora nie była większa niż 7mm) - C2, C3, C4, C5
• 1x kondensator 100nF/50V - C5
• 2x złącze śrubowe ARK raster 5mm -  J1, J2
• 1x pojemnik na baterie 6xAA
• 1x laminat jednostronny FR4
• śruby do drewna fi3 12mm

ELEKTRONIKA:

Projekt płytki powstał w programie KiCAD. Nie ma w tym projekcie niczego wartego szerszego wyjaśniania. PCB ma za zadanie wyprowadzić złącza pod Arduino Nano, moduł radiowy oraz złącza sygnałowe goldpin. Arduino pełni rolę głównej jednostki obliczeniowej, obsługującej nasze radio. Szereg złącz sygnałowych jest podpiętych pod porty analogowe A0-A5, co umożliwia podłączenie sygnałów analogowych oraz modułów z interfejscem I2C (furtka na przyszłe modernizacje). Projekt PCB został wykonany z myślą o metodzie termotransferu, dlatego ułożenie oraz grubość ścieżek wygląda w taki a nie inny sposób. Priorytetem było stworzenie PCB łatwej i szybkiej w domowej produkcji. W załączniku umieściłem plik PCB.PDF zawierający layout niezbędny do wykonania płytki. Co do komponentów pasywnych potrzebnych do montażu PCB, domyślne wartości zostały wymienione wyżej w liście. Kondensatory C1,C2,C3,C4 mogą mieć inne wartości (np. 22uF-220uF). Ważne jest by zachować minimalnie napięcie 16V oraz wysokość kondensatorów maksymalnie 7mm. Rezystor R1 jest jedynie ogranicznikiem prądu i jego wartość jest w pełni zależna od decyzji montera. Na renderze widać diodę D1 wlutowaną w PCB. Ostatecznie zamontowałem tam złącze goldpin, aby doprowadzić zasilanie do diody statusowej umieszczonej w innym miejscu obudowy pilota.

 

KONSTRUKCJA PILOTA:

Konstrukcja została zaprojektowana w programie Fusion360. Posiadając modele 3D stworzonej PCB a także wszystkich niezbędnych komponentów, wykonałem stosowną obudowę. Starałem się, by pilot przypominał dostępne na rynku aparatury RC, aby finalny produkt mógł godnie prezentować się poza garażem np. w trakcie trwania różnych imprez lub zlotów. Finalny model składa się z 4 elementów: bazy, pokrywy frontu, pokrywy baterii oraz mocowania anteny. Do wydrukowania tych elementów skorzystałem z czarnego PLA. Części zostały wydrukowane na Bambulab A1 z użyciem supportów drzewnych, z wypełnieniem gyroidalnym 5%. Wszystkie pliki w formacie STL umieściłem  w folderze 3Dfiles.zip.

MONTAŻ ELEKTRONIKI:

Montaż najlepiej zacząć od podłączenia przewodów10cm Ż-Ż do modułów joystick. Przewody podwinąłem tak, aby przechodziły pod modułem i wówczas przykręciłem je śrubami 3mm do bazy pilota. Do potencjometru oraz diody statusowej LED przylutowałem przewody Ż-Ż, aby ułatwić ich podłączenie do PCB. W przypadku potencjometru, zastosowałem przewody 10cm a diody 20cm. Potencjometr posiada w bazie miejsce, gdzie można zamontować go na "wcisk", bez konieczności przykręcania. Należy pamiętać o usunięcia kombinerkami wystającej blokadki, która służy do unieruchamiania potencjometru na panelu. Dioda LED posiada również miejsce do jej umieszczenia. Zalecam poprowadzenie przewodów diody LED pod modułem prawego joysticka. Pilot posiada 2 przełączniki - "1" oraz "ON/OFF". Do przełącznika "1" można przylutować przewody 10cm Ż-Ż w celu podłączenia go do PCB. Do przełącznika "ON/OFF" można przylutować zwykłe przewody, ponieważ jest on podłączany do złącza ARK. Do zasilania pilota wykorzystano 6 baterii AA, przez wzgląd na ich powszechne występowanie w sklepach. Przewody koszyka baterii AA można zarobić i również wpiąć w dedykowane złącze ARK na PCB. Koszyk baterii montowany jest śrubkami stożkowymi fi3 x 8mm. W przypadku ich braku wystarczy cienka taśma dwustronna lub po prostu zamknięcie obudowy tylną klapą. W bazie znajdują się dedykowane miejsca pod umieszczenie małych opasek zaciskowych, które pomogą w organizacji przewodów. Sygnały należy podłączyć w sposób następujący:

1. Potencjometr - A0
2. Joystick lewy oś X - A1
3. Joystick lewy oś Y - A2
4. Joystick prawy oś X - A4
5. Joystick prawy oś Y - A5
6. Przełącznik "1" - A3

Po podłączeniu wszystkich przewodów, można podłączyć moduł radiowy nrf24L01. Jeżeli mamy model z dodatkową anteną, należy umieścić ją ostrożnie w dedykowanym kanale i przymocować za pomocą wydrukowanego mocowania.

NIE WKŁADAMY JESZCZE ARDUINO NANO!

PROGRAM:

Przed zamknięciem obudowy pilota, należy wgrać program na Arduino. Pilot nie ma niestety żadnego wyprowadzenia pod złącze USB, dlatego wszystkie zmiany w oprogramowaniu wymagają otwarcia pilota. Poniżej załączam prosty kod do działania tego pilota. Umożliwia on wysyłanie informacji za pomocą 6 kanałów. 5 kanałów obsługuje wyprowadzenia analogowe, mapując je na zakres 0-255 i wysyłając w takiej formie. Kanał 6 odpowiada za wysyłanie stanu logicznego przełącznika. Po zaprogramowaniu Arduino, można podłączyć je do PCB i zamknąć bazę pilota za pomocą frontu. Front przytwierdzany jest za pomocą śrubek fi3. Na potencjometr można założyć gałkę bez konieczności przykręcania jego wału. Pozostaje uruchomić pilot przełącznikiem ON/OFF i sprawdzić, czy elektronika uruchamia się poprawnie. Jeżeli Arduino daje nam lekką czerwoną poświatę a dioda statusowa mieni się na froncie, nasz pilot jest gotowy do działania.

#include <SPI.h>
#include <nRF24L01.h>
#include <RF24.h>

const uint64_t my_radio_pipe = 0xE8E8F0F0E1LL; //Adres

RF24 radio(9, 10);

struct Data_to_be_sent {
  byte ch1;
  byte ch2;
  byte ch3;
  byte ch4;
  byte ch5;
  byte ch6;
};

Data_to_be_sent sent_data;

void setup()
{
  radio.begin();
  radio.setAutoAck(false);
  radio.setDataRate(RF24_250KBPS);
  radio.openWritingPipe(my_radio_pipe);

  sent_data.ch1 = 127;
  sent_data.ch2 = 127;
  sent_data.ch3 = 127;
  sent_data.ch4 = 127;
  sent_data.ch5 = 127;
  sent_data.ch6 = 0;
}

void loop()
{
  sent_data.ch1 = map( analogRead(A0), 0, 1024, 0, 255);   //pot
  sent_data.ch2 = map( analogRead(A1), 0, 1024, 0, 255);   //joy1 X
  sent_data.ch3 = map( analogRead(A2), 0, 1024, 0, 255);   //joy1 Y
  sent_data.ch4 = map( analogRead(A4), 0, 1024, 0, 255);   //joy2 X
  sent_data.ch5 = map( analogRead(A5), 0, 1024, 0, 255);   //joy2 Y
  sent_data.ch6 = digitalRead(A3);

  radio.write(&sent_data, sizeof(Data_to_be_sent));
}

PODSUMOWANIE:

Projekt ten okazał się dla mnie całkiem przyjemnym ale także angażującym zadaniem, w którym mogłem przetestować swoje umiejętności wobec bardzo krótkiego czasu oraz ograniczonych zasobów. Mam nadzieję, że okaże się on dla kogoś równie przydatny jak dla mnie. Liczę także na dalszy rozwój tego projektu, dodając do niego nowe funkcje oraz poprawiając design.

PCB.pdf 3Dfiles.zip

Edytowano 17 marca przez StrongVoltage
Poprawa błędów pisowni

[orb777]

Fajny, estetycznie wykonany, a kod nad wyraz prosty.

A może następna wersja oparta o esp-wroom-32u + antenka, czyli wifi/espnow/ble w jednym?

[StrongVoltage]

Muszę też w końcu zabrać się za ESP32, więc coś opartego na tej platformie na pewno by się przydało. Uniwersalny nadajnik/odbiornik na ESP32 mógłby być o wiele bardziej funkcjonalny i praktyczny, zwłaszcza w bardziej zaawansowanych projektach.

[ethanak]

Fajne - też kiedyś taki miałem tylko prostszy 🙂

co bym dodał:

• Możliwość wyboru kilku różnych pipek (może się przydać)
• Sprawdzenie, czy odbiornik coś odbiera (jakaś kolorowa leda, np. zielona odbiera, czerwona nie)

 

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[_LM_]

Sprawdzałeś zasięg tego cuda? No i ile wytrzyma na jednym ładowaniu? Duży plus za zrobienie własnej PCB 🙂

[StrongVoltage]

Faktycznie, możliwość ustawiania adresu byłaby świetną opcją, zwłaszcza przy chęci obsługi więcej niż jeden odbiornik. Nie, nie miałem jeszcze okazji sprawdzać maksymalnego zasięgu pilota. Na pewno daje sobie radę na 10m w betonowym klocku. Co do czasu pracy, nie mam tutaj pewności, dużo zależy od baterii. Musiałbym wszystko pomierzyć i dopiero wtedy miałbym konkretne wnioski. Jego mocną stroną jest jednak to, że w razie potrzeby po prostu mogę wymienić baterie na świeże.