Устройство автоматической фотосъёмки по звуку заданной частоты

Авторы: Фадеев Семен Владимирович, 9 класс; Корсакова Кристина Сергеевна, 9 класс.
Руководители: Лацимирский Иван Федорович, Широков Валентин Владимирович, Ржечицкий Александр Эдвардович.
Учреждение: МБОУ г. Иркутска лицей № 2

Цель
Сконструировать устройство, которое будет автоматически делать фотоснимки при регистрации звуковых колебаний заданной частоты.

Актуальность
Проводя эксперименты по звуковому воздействию на неньютоновскую жидкость, мы заметили, что при использовании музыки на определенных частотах звука неньютоновская жидкость приобретала различные формы, похожие на фигуры Хладни. Мы пытались это сфотографировать, но сделать это было не так легко: попасть в нужный момент времени, когда происходило изменение формы, получалось редко. А так как неньютоновская жидкость обычно принимала интересную форму при определенных частотах, у нас возникла идея создать устройство, которое бы на определенной частоте звука подавало сигнал на фотоаппарат, заставляя его фотографировать.

Задачи
1 Изучить основы электроники.
2 Освоить управление затвора фотоаппарата с помощью электрического сигнала.
3 Получить сигнал с микрофона и выделить из него необходимую частоту.
4 Научиться работать с микроконтроллерной платой Intel Galileo Gen 2.
5 Объединить все вместе и написать программу управляющую устройством.

Разработка прототипа
Для начала мы познакомились с основными принципами электроники: силой тока, разностью потенциалов, падением напряжения, внутренним сопротивлением батареек, с работой светодиодов, транзисторов.
Чтобы реализовать нашу задумку, также мы начали изучать основы языка программирования Wiring, так как он весьма прост, а плата Galileo может с ним работать. Сначала мы решили ряд простых задач, таких как включения светодиодов с помощью программы, управление светодиодов от кнопки и т. п.
После получения базовых знаний начался процесс создания устройства. Он был непростой, так как плата Galileo — хрупкая вещь, и ошибаться нельзя, иначе контроллер может сгореть (в процессе мы всё-таки пару раз ошиблись, но сгорел, к счастью, только LCD-дисплей).
Мы собирали наше устройство в 3 этапа:

1 Подключение фотоаппарата к плате. В данном случае мы использовали фотоаппарат Canon; Мы использовали кабель от дистанционного пульта для фотоаппарата, который разобрали. После чего узнали, как он работает, и подсоединили его так, чтобы с платы можно было управлять затвором фотоаппарата. Фотоаппарат подключался к Galileo через схему оптической развязки (рис. 2), состоящей из 3 резисторов, полевого транзистора и оптрона. Оптрон играл роль реле и замыкал цепь на спусковом кабеле для спуска затвора фотоаппарата.

2 Подключение микрофона к плате через усилитель. При соединении микрофона с аналогово-цифровым преобразователем платы уровень сигнала оказался слишком низкий. Поэтому потребовался усилитель на двух операционных усилителях.

3 Создание и настройка звукового частотного фильтра и подключение его к микрофону. Чтобы сделать фильтр, нам надо было научиться работать с конденсаторами. В качестве первого фильтра мы использовали два последовательно соединенные RC-цепочки: первая – фильтр низких частот, вторая – фильтр высоких. После проверки работы такого фильтра мы пришли к выводу, что он не подходит нам по своим характеристикам — слишком маленькая добротность и невозможность регулировки, поэтому мы использовали фильтр на операционных усилителях, схему которого взяли из книги. В нем нам все понравилось (можно раздельно регулировать резонансную частоту и добротность, причём делать это обыкновенными переменными резисторами).
Мы написали программу для Galileo, которая обрабатывает сигнал, поступающий на микроконтроллерную плату. Если этот амплитуда сигнала превышает заданный порог, то плата подает сигнал на фотоаппарат для съемки и, если необходимо, формирует задержку для недопущения слишком частого срабатывания затвора фотоаппарата.

Выводы
1 Когда мы отладили работу устройств по-отдельности, мы приступили к их объединению.
2 В итоге, после преодоления всех сложностей, у нас получился прототип нужного устройства.
3 Мы научились работать с микроэлектроникой, паять, немного программировать.
4 Мы реализовали проект нашего устройства. Но в его работе есть небольшие недочеты, которые мы старательно пытаемся устранять для полноценной работы устройства.

Перспективы на будущее
1 В будущем мы предполагаем использовать устройство для регистрации формообразования неньютоновской жидкости при звуковом воздействии.
2 Кроме того мы добавим LCD-дисплей, на котором будут показываться текущие значения резонансной частоты и добротности фильтра.
3 Также полезным дополнением будет сохранение данных (амплитуда, частота, время) на карту microSD.
4 Возможно, окажется целесообразным добавить возможность программного управления параметрами фильтра.

Литература
> Пейтон А. Дж., Волш. В Аналоговая электроника на операционных усилителях — М:. БИНОМ, 1994, 352 с.: ил. — ISBN 5-7503-0013-7