Дешёвый хронограф для пневматики своими руками

Типы хронографов

Измерение стартовой скорости пули при помощи хронографа, позволяет выявить мощность пистолета или винтовки, подобрать подходящие пули, рассчитать баллистические поправки, провести сравнение скорости в начале и после модернизации оружия.

Существуют различные типы хронографов. Надульная модель занимает мало места и без труда помещается в кармане чехла, а также она меньше тратит энергию. Для конкретного типа оружия может потребоваться переходник. Такой вид не зависит от освещения и удобен в использовании на природе. Прицельную стрельбу можно вести вместе с прибором. Для СО2 такая модель не подходит.

При обладании внушительным арсеналом, лучше приобрести рамочный хронограф, чтобы не закупать большое количество переходников. Этот тип прибора хорошо работает с СО2, имеет разъем для внешнего источника питания. Броня позволяет проводить измерение показателей на различной дистанции, не опасаясь повредить механизм. Наличие дополнительного экрана помогает оперативно получать результаты.

Существуют также рамочные модели большого размера, расширяющие число возможностей. Такой вариант подходит для использования с любыми видами оружия, удобен при стационарном подключении к сети. В качестве альтернативы, хронограф может получать питание от батарей класса АА в количестве восьми штук. В отличие от модели малого размера, большой аппарат обладает встроенным индикатором фронтального типа. Можно дополнительно установить съемный экран. При помощи USB-адаптера можно переносить данные измерения с устройства на компьютер.

В следующей статье мы раскроем все секреты правил использования теодолита.

3.1. Пару слов о prescaler

Prescaler представляет собой делитель частоты, по-умолчанию в arduino-подобных платах он равен 128. От значения этой величины зависит максимальная частота опроса АЦП, по дефолту для 16 мГц контроллера получается 16/128 = 125 кГц. На каждую оцифровку уходит 13 операций, поэтому максимальная частота опроса пина — 9600 кГц (в теории, на практике реально не выше 7 кГц). Т.е. интервал между замерами примерно 120 мкс, это очень и очень много. Пуля, летящая со скоростью 300 м/с пролетит за это время 3,6 см — контроллер просто не успеет засечь факт прохождения пули через оптопару. Для нормальной работы нужен интервал между замерами как минимум 20 мкс, необходимое значение делителя для этого равно 16. Я пошел еще дальше и в своем девайсе использую делитель 8, делается это следующим образом:

Реальные замеры интервала analogRead на разных делителях:

Детали и принадлежности

• Китайский Digispark — 80 рублей на момент покупки
• Сегментный дисплей на TM1637 — 90 рублей на момент покупки
• ИК светодиоды и ИК фототранзисторы (10 пар) — 110 рублей на момент покупки, нам нужны 2 пары
• Резисторы 220 Ом (100шт) — 70 рублей на момент покупки, нам нужно только 2 штуки

На этом заканчиваются детали, которые необходимо покупать. Резисторы можно не заказывать, похожие по номиналу (но не меньше!) можно выдернуть из ненужной бытовой электроники. Таким образом, суммарные затраты менее 350 рублей, это ничто по сравнению с ценой нового заводского хронографа (over 1000р за самый простой, который по факту еще примитивнее нашего сабжа). Кроме деталей нам пригодятся:

• Провода — найти в оффлайне бесплатно не проблема
• Кусок пластиковой водопроводной трубы длиной более 10см (диаметр по вкусу) — так же легко найти
• Паяльные принадлежности
• Мультиметр (опционально)

Первые 3 детали достойны отдельного рассмотрения, так как имеют свои особенности, поэтому начнем с мини-обзоров на них.

1.2. Дисплей на базе TM1637

Между цифрами расстояние одинаковое, поэтому при выключенном двоеточии числовые значения читаются нормально. Вместе со стандартной библиотекой поставляется пример, который работает с Digispark-ом без плясок с бубном:

Все, что умеет стандартная библиотека, — выводить числа 0-9 и буквы a-f, а так же менять яркость всего дисплея целиком. Значение цифры задается функцией display(int 0-3, int 0-15).

Экспресс-курс по использованию дисплея

// 1. Объявить заголовочный файл
#include
// 2. Задать пины
#define CLK 0
#define DIO 1
// 3. Объявить объект
TM1637 tm1637(CLK, DIO);
// 4. Проинициализировать
void setup() {
tm1637.init();
tm1637.set(6); // Яркость
}
// 5. Использовать
void loop() {
// Вывод числа x на дисплей
int x = 1234;
tm1637.display(0, x / 1000);
tm1637.display(1, x / 100 % 10);
tm1637.display(2, x / 10 % 10);
tm1637.display(3, x % 10);
delay(500);
}

Это меня не устраивало, так как в своем хронографе я хотел предусмотреть вывод не только скорости, но и энергии пули (вычисляемой на основе заранее прописанной в скетче массы), эти два значения должны выводиться последовательно. Чтобы понять, что показывает дисплей в данный момент времени, нужно как-то разделять эти два значения визуально, например, при помощи символа «J». Конечно, можно тупо задействовать символ двоеточия как флаг-индикатор, но это же не тру и не кошерно) Поэтому я полез разбираться в библиотеку и на базе функции display сделал функцию setSegments(byte addr, byte data), которая зажигает в цифре с номером addr сегменты, закодированные в data:

Void setSegments(byte addr, byte data)
{
tm1637.start();
tm1637.writeByte(ADDR_FIXED);
tm1637.stop();
tm1637.start();
tm1637.writeByte(addr|0xc0);
tm1637.writeByte(data);
tm1637.stop();
tm1637.start();
tm1637.writeByte(tm1637.Cmd_DispCtrl);
tm1637.stop();
}

Кодируются сегменты предельно просто: младший бит data отвечает за самый верхний сегмент, и т.д. по часовой стрелке, седьмой бит отвечает за центральный сегмент. Например, символ «1» кодируется как 0b00000110. Восьмой, старший бит используется только во второй цифре и отвечает за двоеточие, во всех остальных цифрах он игнорируется. Чтобы облегчить себе жизнь я, как и полагается любому ленивому айтишнику, автоматизировал процесс получения кодов символов при помощи excel:

Теперь можно легко сделать так:

Let»s say HELLO

#include
#define CLK 0
#define DIO 1
TM1637 tm1637(CLK, DIO);
void setSegments(byte addr, byte data)
{
tm1637.start();
tm1637.writeByte(ADDR_FIXED);
tm1637.stop();
tm1637.start();
tm1637.writeByte(addr|0xc0);
tm1637.writeByte(data);
tm1637.stop();
tm1637.start();
tm1637.writeByte(tm1637.Cmd_DispCtrl);
tm1637.stop();
}
void setup() {
tm1637.init();
tm1637.set(6);
}
void loop() {
// Вывод Hello
setSegments(0, 118);
setSegments(1, 121);
setSegments(2, 54);
setSegments(3, 63);
delay(500);
}

1.1. Digispark

Представляет собой простую миниатюрную Arduino-совместимую плату с ATtiny85 на борту. Как подключить к Arduino IDE читаем на официальном сайте проекта, там же можно найти драйвера для нее. Существует два основных вида этой платы: с microUSB и более брутальный с USB коннектором, разведенным прямо на плате.

Мой хронограф не имеет собственного источника питания, поэтому я выбрал первый вариант платы. Встроенная батарейка/аккумулятор сильно повысит цену, не добавив при этом практически ничего к юзабилити. Power bank и кабель для зарядки телефона валяется практически у каждого.

Характеристики само собой унаследованы от ATtiny85, его возможностей в нашем случае достаточно с головой. Фактически МК в хронографе не делает ничего, кроме опроса двух датчиков и управления дисплеем. Для тех, кто впервые сталкивается с Digispark-ом, я свёл наиболее важные особенности в таблицу:

Эту табличку я использую как шпаргалку при разработке различных девайсов на базе этой платы. Как вы наверное заметили, нумерация пинов для функции analogRead () отличается, это следует учитывать. И еще одна особенность: на третьем пине висит подтягивающий резистор на 1.5кОм, т.к. он используется в USB.

Хронограф рамочного типа для пневматики своими руками

Хронограф фиксирует время пролета пули между несколькими датчиками и рассчитывает ее скорость. Устройство состоит из трех частей:

• рабочей зоны, пропускающей через себя пулю;
• схемы, проводящей вычисления;
• дисплея, показывающего рассчитанные результаты.

Схемы для хронографа могут быть различны по стоимости, функциональности и дизайну. Простейшие датчики считывают падающий на них свет, интенсивность которого изменяется по мере перемещения пули, отбрасывающей тень. Чувствительные к свету элементы являются частью многих хронографов, сделанных в домашних условиях и в заводских моделях.

Самостоятельно изготовленный прибор имеет несколько преимуществ:

• большое линейное расстояние между датчиками позволяет выводить расширенный диапазон скоростей;
• аппарат можно применять в домашних условиях на оружии, использующем саунд-модератор;
• широкая зона для работы дает возможность вести стрельбу в упор и с дальних точек, тестируя изменения баллистических данных на различных расстояниях;
• хронограф взаимодействует с пневматическим оружием любой конструкции и с различными принципами работы, например, ППП, РСР, СО2.

Наряду с этим, у аппарата есть и свои недостатки:

• громоздкость конструкции;
• потребность в защите от попадания для лицевой стороны рабочей зоны;
• влияние погодных условий и освещения на работу;
• чувствительность схемы оптики к значительным механическим воздействиям, включающим попадания пулевых осколков и рикошеты;
• вывод ложных показаний при появлении в камере посторонних предметов, таких как снег, насекомые или механические осколки;
• влияние траектории полета на фиксируемую скорость пули (движение объекта по диагонали снижает показатель).

Компоненты и материалы для сборки

Общее количество деталей и их сложность зависят от уровня навыков проектирования и установки схем у пользователя. Некоторые компоненты являются обязательными при любом виде сборки:

• светодиоды для создания искусственного источника света;
• паяльник с флюсом и припоем для закрепления проводов и установки микросхемы;
• оптические приемники для считывания уровня освещенности во время пролета пули через светодиоды;
• микросхема для определения времени полета пули и расчета скорости;
• дисплей для отображения результатов замеров;
• прямоугольный полый корпус, закрытый с четырех сторон (лучше выбирать изделие из цельного металла, которое будет устойчиво к ударам).

Этапы монтажа хронографа

Элементы микросхемы и датчики должны находиться под защитой или располагаться в местах, которые не будут доступны для прямого попадания пули. Под них нужно заранее подготовить место в корпусе. Внутренняя часть изделия покрывается темной краской, не создающей бликов, чтобы избежать лишних срабатываний прибора и увеличить его чувствительность.

Элементы чувствительные к свету и сами светодиоды монтируются в предварительно размеченные отверстия. Фотоприемники должны быть немного заглубленными, а светодиоды слегка выпирать во внутреннюю часть хронографа. Такое размещение позволит снизить интенсивность внешнего света, падающего на прибор.

На следующем этапе устанавливается и подключается к датчикам плата, размечаются секции под введение питания. Для самостоятельного составления схемы можно использовать рис. 1.

Рис. 1 Микросхема хронографа

Когда основные узлы будут собраны, схему нужно будет защитить от механических воздействий и влаги. Для этой задачи подойдет коробок из пластмассы для печатной платы, который будет иметь выходы к батарее, дисплею и датчикам.

Принцип работы хронографа собственного изготовления

В качестве источника питания для прибора могут использоваться батареи, аккумуляторы, блок питания, подключаемый к сети. Автономный источник более выгоден и удобен, так как настройка оружия в большинстве случаев проводится за пределами дома.

Процесс замера скорости проходит три этапа:

• пуля проходит через ось начального датчика, обнуляя счетчик времени в микропроцессоре;
• после пересечения пулей оси следующего датчика, время останавливается и данные передаются для проведения расчетов;
• микропроцессор проводит вычисления и выводит показатели скорости на дисплей.

Наглядно работу хронографа рамочного типа можно увидеть на рис. 2.

Рис. 2 Схема работы хронографа

Для того, чтобы самостоятельно собрать хронограф, понадобятся знания и опыт в электротехнике, пайке и разработке электрических цепей. Облегчить задачу можно, заказав изготовление микросхемы мастеру по электронике. Хронограф, собранный своими руками, обойдется значительно дешевле, чем покупной вариант.

Порядок сборки хронографа

Перед тем как ответить на вопрос, вроде как сделать рамочный хронограф для пневматики своими руками, следует подготовить корпус к установке датчиков и элементов микросхемы, которые должны быть защищены или расположены в местах, недоступных для попадания пули. Изнутри корпус рекомендуют окрасить темной небликующей краской, поглощающий свет. Это уменьшит число ложных срабатываний и повысит чувствительность прибора.

В заранее подготовленные отверстия в корпусе устанавливаются светодиоды и светочувствительные элементы. Светодиоды должны немного выдаваться во внутреннюю полость хронографа, а фотоприемники – быть слегка заглубленными, чтобы уменьшить интенсивность падающего внешнего освещения.

После установить плату, подключив ее к датчикам и подготовив места ввода питания. Если есть желание составить микросхему самостоятельно, минуя привлечение сторонних специалистов, можно использовать следующую схему (рис. 1).

Рис. 1 Микросхема хронографа

После сборки основных узлов необходимо закрыть электрическую схему прибора, обезопасив ее от механического воздействия и случайного попадания влаги. Это удобнее всего сделать, предусмотрев заранее отдельный пластмассовый коробок для печатной платы, имеющий выходы к дисплею, датчикам и батарее.

3.2. Итоговый скетч

• Первый цикл — измеряется разница между текущим и предыдущим значением на пине
• Если разница больше заданного порога, то выходим из цикла и запоминаем текущее время (micros())
• Второй цикл — аналогично предыдущему + счетчик времени в цикле
• Если счетчик достиг заданной величины, то информирование об ошибке и переход к началу. Это позволяет не уходить циклу в вечность, если пуля по каким-то причинам не была замечена вторым датчиком
• Если счетчик не переполнился и разница значений больше порога, то замеряем текущее время (micros())
• На основе разницы во времени и расстоянии между датчиками вычисляем скорость и выводим на экран
• Переход в начало

Собственно, весь код

/*
* Хронограф для измерения скорости движения пули, SinuX 23.03.2016
*/
#include
#define CLK 1 // Пин дисплея
#define DIO 0 // Пин дисплея
#define START_PIN 1 // Аналоговый пин старта
#define END_PIN 1 // Аналоговый пин финиша
#define START_LEV 50 // Порог срабатывания старта
#define END_LEV 50 // Порог срабатывания финиша
#define TIMEOUT 10000 // Время ожидания финиша в микросекундах
#define BULLET_WEIGHT 0.00051 // Масса пули в килограммах (для вычисления энергии)
#define ENCODER_DIST 0.1 // Расстояние между датчиками в метрах (10см = 0.1м)
#define SHOW_DELAY 3000 // Время показа результата
// Для ускорения analogRead
#ifndef cbi
#define cbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) &= ~_BV(bit))
#endif
#ifndef sbi
#define sbi(sfr, bit) (_SFR_BYTE(sfr) |= _BV(bit))
#endif
// Служебные переменные
int prevVal, curVal;
unsigned long startTime, endTime;
TM1637 tm1637(CLK, DIO);
/* Переделанная функция TM1637::display(), которая позволяет зажигать отдельные сегменты
* Нумерация сегментов: младший бит — верхний сегмент и т.д. по часовой стрелке
* Центральный сегмент — старший бит */
void setSegments(byte addr, byte data)
{
tm1637.start();
tm1637.writeByte(ADDR_FIXED);
tm1637.stop();
tm1637.start();
tm1637.writeByte(addr|0xc0);
tm1637.writeByte(data);
tm1637.stop();
tm1637.start();
tm1637.writeByte(tm1637.Cmd_DispCtrl);
tm1637.stop();
}
// Инициализация
void setup() {
// Устанавливаем prescaler на 8 для ускорения analogRead
cbi(ADCSRA,ADPS2);
sbi(ADCSRA,ADPS1);
sbi(ADCSRA,ADPS0);
// Инициализация дисплея
tm1637.init();
tm1637.set(6);
// Отображение приветствия
setSegments(0, 118);
setSegments(1, 121);
setSegments(2, 54);
setSegments(3, 63);
delay(1000);
}
// Главный цикл
void loop() {
// Заставка ожидания
showReady();
// Ожидание старта
curVal = analogRead(START_PIN);
do
{
prevVal = curVal;
curVal = analogRead(START_PIN);
} while (curVal — prevVal = TIMEOUT) { showError(); return; }
} while (curVal — prevVal

4. Примеры работы

правильном подключении

Приветствие после включения и переход в режим ожидания выстрела (экран заполняется полосками):

В случае ошибки — отображается «Err», и снова переход в режим ожидания:

Ну и сам замер скорости:

После выстрела сначала показывается скорость пули (с символом «n»), затем — энергия (символ «J»), причем энергия вычисляется с точностью до одного знака после запятой (на гифке видно, что при показе джоулей горит двоеточие). Корпус покрасивее найти пока не смог, поэтому просто залил все термосоплями:

Пожалуй, на этом у меня все, надеюсь, кому-то был полезен.

Хронограф является универсальным прибором, способным проводить замер скорости полета предметов малого размера. Настройку и тестирование пневматики удобнее всего проводить с хронографами рамочного типа. Они могут улавливать движение пуль, болтов арбалета, стрел, скоб рогатки. Хронограф для пневматики можно изготовить своими руками или приобрести в специализированных магазинах.

3.2. Итоговый скетч

Я не буду подробно описывать код, он и так хорошо задокументирован. Вместо этого я в общих словах опишу алгоритм его работы. Итак, вся логика сводится к следующим этапам:

• Первый цикл — измеряется разница между текущим и предыдущим значением на пине
• Если разница больше заданного порога, то выходим из цикла и запоминаем текущее время (micros ())
• Второй цикл — аналогично предыдущему + счетчик времени в цикле
• Если счетчик достиг заданной величины, то информирование об ошибке и переход к началу. Это позволяет не уходить циклу в вечность, если пуля по каким-то причинам не была замечена вторым датчиком
• Если счетчик не переполнился и разница значений больше порога, то замеряем текущее время (micros ())
• На основе разницы во времени и расстоянии между датчиками вычисляем скорость и выводим на экран
• Переход в начало

Это сильно упрощенная модель, в самом коде я добавил свистелок, в том числе вычисление и показ энергии пули на основе введенной заранее в коде массы пули.

Собственно, весь код

При правильном подключении девайс взлетел практически сразу, единственный обнаруженный недостаток — он негативно реагирует на светодиодное и люминисцентное освещение (частота пульсаций около 40 кГц), отсюда могут появляться спонтанные ошибки. Всего в девайсе предусмотрено 3 режима работы:

Приветствие после включения и переход в режим ожидания выстрела (экран заполняется полосками):

В случае ошибки — отображается «Err», и снова переход в режим ожидания:

Ну и сам замер скорости:

После выстрела сначала показывается скорость пули (с символом ‘n’), затем — энергия (символ ‘J’), причем энергия вычисляется с точностью до одного знака после запятой (на гифке видно, что при показе джоулей горит двоеточие). Корпус покрасивее найти пока не смог, поэтому просто залил все термосоплями:

Пожалуй, на этом у меня все, надеюсь, кому-то был полезен.

3.2. Итоговый скетч

Я не буду подробно описывать код, он и так хорошо задокументирован. Вместо этого я в общих словах опишу алгоритм его работы. Итак, вся логика сводится к следующим этапам:

• Первый цикл — измеряется разница между текущим и предыдущим значением на пине
• Если разница больше заданного порога, то выходим из цикла и запоминаем текущее время (micros())
• Второй цикл — аналогично предыдущему + счетчик времени в цикле
• Если счетчик достиг заданной величины, то информирование об ошибке и переход к началу. Это позволяет не уходить циклу в вечность, если пуля по каким-то причинам не была замечена вторым датчиком
• Если счетчик не переполнился и разница значений больше порога, то замеряем текущее время (micros())
• На основе разницы во времени и расстоянии между датчиками вычисляем скорость и выводим на экран
• Переход в начало

Это сильно упрощенная модель, в самом коде я добавил свистелок, в том числе вычисление и показ энергии пули на основе введенной заранее в коде массы пули.