دستگاه تجسم امواج رادیویی نامرئی با سنسور HB100

عکس‌ها و ویدیوهای بالا نسخه‌های اولیه دستگاه SWIM رو نشون می‌دن که چطور تونستن امواج رادیویی رو به صورت فیزیکی تو هوا ثبت کنن و یه اثر هنری بصری بسازن.

شاید برات جالب باشه که ایده اصلی این پروژه از کجا اومده. تو گذشته‌های دور، مدارها با لامپ‌های خلأ ساخته می‌شدن و چون نقشه‌هاشون در دسترس بود، درک عملکردشون خیلی راحت‌تر بود. اما با پیشرفت تکنولوژی و ورود تراشه‌های مجتمع (IC)، همه‌چیز تو یه جعبه سیاه کوچیک مخفی شد و دیدن اتفاقاتی که داخل مدار یا فضای اطرافش می‌افته، تقریبا غیرممکن شد.

حتی خیلی از سازنده‌ها روی قطعات رو پاک می‌کردن تا کسی متوجه ساختار مدار نشه. همین مخفی‌کاری‌ها باعث شد ایده ساخت وسیله‌ای که بتونه امواج نامرئی این گجت‌های جدید رو به تصویر بکشه، شکل بگیره.

برای دیدن امواج رادیویی به صورت عادی، معمولا به تجهیزات خیلی گرون‌قیمت نیاز داریم، اما یه ترفند فیزیکی فوق‌العاده وجود داره که می‌تونه این کار رو برامون انجام بده.

اگه بتونیم تو یه نمایشگر، محور زمان رو با محور مکان جایگزین کنیم، چی می‌شه؟ فرض کن به جای اینکه یه موج رو روی نمایشگر ثابت یه اسیلوسکوپ ببینی، یه گیرنده رو تو هوا حرکت بدی و شکل موج دقیقا تو همون نقطه‌ای که گیرنده قرار داره رسم بشه.

وقتی یه گیرنده متصل به یه آرایه نوری رو تو مجاورت یه فرستنده تو فضا حرکت می‌دی، موج رادیویی تو هوا نقاشی می‌شه. این سیستم دو تا ویژگی اصلی داره:

1. امواج نامرئی صوتی یا رادیویی رو به شکل کاملا مرئی درمیاره.
2. این امواج رو دقیقا در همون مختصات فیزیکی که حضور دارن و با همون مقیاس واقعی به تصویر می‌کشه.

بر اساس همین ایده، می‌شه به جای نمایشگرهای پیچیده، از یه ردیف ال‌ای‌دی که به صورت الکترونیکی کنترل می‌شه استفاده کرد. وقتی این آرایه نوری رو تو هوا تکون می‌دی، مثل یه اسیلوسکوپ واقعیت افزوده عمل می‌کنه. با استفاده از یه مدار کنترلی ساده می‌شه شدت سیگنال‌های دریافتی از امواج مختلف مثل صدا، ویدیو یا رادیو رو به نور تبدیل کرد.

به این سیستم جالب SWIM (ماشین ثبت متوالی امواج) می‌گن. دلیل این اسم‌گذاری اینه که با حرکت دادن دستگاه، خطای دید و پایداری تصویر روی شبکیه چشم (یا سنسور دوربین عکاسی تو نوردهی طولانی) باعث می‌شه کل شکل موج رو به صورت پیوسته و یکپارچه تو فضا ببینی.

تو تصاویر بالا می‌تونی منطق اصلی کار رو ببینی. یه فرستنده در یه نقطه ثابت، امواج الکترومغناطیسی تولید می‌کنه و یه آنتن متحرک اون‌ها رو دریافت می‌کنه. این آنتن به یه نمایشگر خطی (مثل همون ردیف ال‌ای‌دی‌ها) وصله.

هرچقدر آنتن تو فضا جابه‌جا می‌شه، ولتاژ سیگنال دریافتی رو روی نمایشگر نشون می‌ده و در نتیجه، کل مسیر موج تو هوا رسم می‌شه.

روش‌های مختلفی برای پیاده‌سازی این ایده وجود داره که با هم بررسیشون می‌کنیم. دستگاه SWIM اساسا از خطای دید انسان استفاده می‌کنه. تو اطلاعات نامرئی رو روی فضای واقعی اطراف خودت روکش می‌کنی؛ یه جور واقعیت افزوده کاملا فیزیکی و جذاب بدون نیاز به عینک‌های دیجیتالی! این پدیده با تکون دادن رفت و برگشتی مدار به وجود میاد و باعث می‌شه بعد زمان از فرایند نمایش حذف بشه.

در واقع، وقتی دستگاه رو با دستت تکون می‌دی، محور پایه‌ای تو از جنس فضا (مکان) می‌شه نه زمان. به همین خاطر موج دقیقا همون‌جایی که تو دنیای واقعی هست، با همون طول موج فیزیکی بهت نشون داده می‌شه.

از نظر فنی، یه موج در حال حرکت با معادلات پیچیده‌ای تو فضا و زمان تعریف می‌شه. اما وقتی گیرنده ما فرکانس موج رو دریافت می‌کنه و با استفاده از یه نوسان‌ساز محلی (Local Oscillator) اون رو اصطلاحا هتروداین می‌کنه، بخش زمان از معادله حذف می‌شه.

نتیجه این می‌شه که موج به جای حرکت کردن با سرعت نور، انگار تو فضا ثابت وایستاده و ما می‌تونیم ساختار فیزیکیش رو به راحتی با حرکت دادن دستگاه تو فضا ببینیم.

این مفهوم می‌تونه برای به تصویر کشیدن هر کمیت فیزیکی نامرئی دیگه‌ای هم استفاده بشه. حالا بیا بریم سراغ یه روش خیلی ساده تا بتونی خودت این دستگاه رو تو خونه بسازی و این پدیده جذاب رو با چشم‌های خودت ببینی.

یکی از ساده‌ترین راه‌ها برای خلق این اثر، استفاده از یه سنسور رادار داپلر معمولیه. فقط با صرف چند دقیقه زمان و قطعات خیلی ارزون، می‌تونی فرکانس میانی (IF) این رادار رو به صورت یه گراف نوری متحرک تو هوا به تصویر بکشی.

ارزون‌ترین و راحت‌ترین راه برای ساخت این گجت و تجسم امواج الکترومغناطیسی، استفاده از ماژول رادار داپلر مدل HB100 هست. راه‌اندازی این ماژول خیلی سادست. کافیه سیم‌های تغذیه رو به ترتیب به پین‌های 5 ولت و GND (زمین) ماژول وصل کنی. بعدش باید یه سیم به پایه IF (فرکانس میانی) و یه سیم دیگه به GND متصل کنی تا سیگنال خروجی رادار رو بگیریم.

پیشنهاد می‌کنم سیم‌های خروجی رو به هم بتابونی تا نویزهای محیطی کمتر روی سیگنالت تأثیر بذارن. این دو تا سیم در نهایت باید به یه مدار تقویت‌کننده (Op-Amp) با گین قابل‌تنظیم وصل بشن تا سیگنال ضعیف رادار رو برای نمایشگر نوری ما تقویت کنن.

تو طرح‌های قدیمی برای ساخت این آرایه نوری از مدارهای پیچیده و قطعات زیادی استفاده می‌شد، اما با اومدن تراشه LM3914 کار خیلی راحت شده. این آیسی یه درایور نمایشگر خطیه که بر اساس سطح ولتاژ ورودی، ال‌ای‌دی‌ها رو کنترل می‌کنه. قیمت این قطعه تو بازار خیلی پایینه و می‌تونی با یه هزینه خیلی کم چند تا ازش تهیه کنی.

با یه دونه از این آیسی‌ها می‌تونی 10 تا ال‌ای‌دی رو درایو کنی. اما جذابیت ماجرا اینجاست که قابلیت اتصال آبشاری (سری) دارن. مثلا با وصل کردن 10 تا تراشه به هم، می‌تونی 100 تا ال‌ای‌دی رو کنترل کنی و یه نمایشگر واقعیت افزوده با رزولوشن فوق‌العاده بالا برای دستگاهت بسازی.

برای شروع کار بهتره مدار رو با همون یه دونه تراشه و 10 تا ال‌ای‌دی ببندی و وقتی از عملکردش مطمئن شدی، سراغ چیدمان‌های 30 تایی یا 100 تایی بری.

کار رو با یک آیسی LM3914 و ردیف 10 تایی از ال‌ای‌دی‌ها شروع کن. برای اتصالات دقیق‌تر حتما به دیتاشیت این آیسی نگاهی بنداز. روال کار این‌طوریه که ماژول رادار HB100 تو یه نقطه از محیط ثابت قرار می‌گیره و تو باید این آرایه خطی ال‌ای‌دی رو مثل یه شمشیر نوری تو فضا عقب و جلو ببری.

با حرکت دادن مدار تو هوا، دستگاه مثل یه هدف متحرک برای رادار عمل می‌کنه و سیگنال داپلر برگشتی روی ردیف ال‌ای‌دی‌ها به نمایش درمیاد.

تقویت‌کننده‌ای که سر راه مدار گذاشتیم اینجا به دردت می‌خوره. با تغییر گین (Gain) اون می‌تونی حساسیت دستگاه رو بسته به فاصله‌ات از رادار تنظیم کنی. اگه حس می‌کنی سیگنال ضعیفه، می‌تونی گین رو ببری بالا یا حتی یه تیکه فلز کوچیک پشت دستگاه بچسبونی تا امواج رادار رو بهتر بازتاب بده.

اگه دنبال وضوح بیشتری هستی، می‌تونی چند تا LM3914 رو همون‌طور که تو نقشه‌ها هست به هم وصل کنی. در این حالت بهتره به جای ولتاژ مرجع داخلی، از یه رگولاتور ولتاژ مثل 78L05 استفاده کنی تا یه ولتاژ مرجع 5 ولت پایدار و خارجی به همه تراشه‌ها برسه.

تو عکس وسط می‌تونی نمونه‌ای که با 3 تراشه و 30 تا ال‌ای‌دی ساخته شده رو ببینی که سنسور HB100 هم در قسمت بالای تصویر قرار گرفته تا امواج رو تولید کنه.

عکس سمت راست هم یه نمونه مدار با 100 تا ال‌ای‌دی رو نشون می‌ده. یه نکته خیلی مهم تو ساخت این آرایه نوری، نظم و دقت در چیدمان LEDهاست. سعی کن اون‌ها رو دقیقا تو یه خط کاملا صاف قرار بدی؛ چون حتی یه ذره کجی تو چیدمانشون می‌تونه شکل موجی که تو هوا می‌بینی رو به هم بریزه.

استفاده از ال‌ای‌دی‌های SMD روی یه برد مدار چاپی (PCB) اختصاصی می‌تونه بهترین و تمیزترین نتیجه رو برای هم‌ترازی بهت بده. با این حال، حتی رو برد بورد هم می‌تونی این پدیده رو به راحتی تجربه کنی.

این پروژه به عنوان یه ابزار آموزشی، به بهترین شکل تفاوت بین امواج ایستاده (Standing Waves) و امواج نشسته (Sitting Waves) رو نشون می‌ده.

در نهایت بیا یه نگاه متفاوت به مفهوم امواج بندازیم. امواج ایستاده (Standing Waves) که تو فیزیک خوندیم، حاصل جمع دو موج هستن که تو دو جهت مخالف حرکت می‌کنن؛ مثل موجی که روی سیم گیتار ایجاد می‌شه.

اما پدیده‌ای که تو این پروژه خلق کردیم کمی متفاوته. به این حالت می‌گن "امواج نشسته" (Sitting Waves). این امواج حاصل ضرب دو موج تو یه جهت هستن و وقتی با دستگاه SWIM تو فضا حرکت می‌کنی، دقیقا به نظر می‌رسه که شکل موج کاملا ثابت و بی‌حرکت تو هوا نشسته!

تو تصویر سمت چپ می‌تونی شبیه‌سازی این امواج رو ببینی و در تصویر سمت راست، عکسی رو مشاهده می‌کنی که با تکنیک نوردهی طولانی، دقیقا همین امواج رو توسط دستگاه SWIM تو هوا ثبت کرده. این دستگاه تو گذر زمان از لامپ‌های رشته‌ای بزرگ و پرمصرف به ال‌ای‌دی‌های ظریف و فشرده ارتقا پیدا کرده.

حتی امروزه این تکنولوژی به عینک‌های هوشمندی تبدیل شده که امواج رادیویی رو مستقیما روی شبکیه چشم اسکن می‌کنن و یه سطح جدید از واقعیت افزوده فیزیکی رو بهمون ارائه می‌دن.

با استفاده از همین اصول ساده، می‌تونی انواع میدان‌های فیزیکی، امواج صوتی، سیگنال‌های رادیویی و امواج آب رو به شکل بصری دربیاری و یه تصویرسازی بی‌نظیر از دنیای اطرافت داشته باشی. تجسم این امواج درک ما رو از محیط پیرامونمون به شدت بالا می‌بره و یه راه عالی برای یادگیری عملی فیزیک و الکترونیکه.

اگه به درک پدیده‌های فیزیکی علاقه‌مندی، حتما ساختن نسخه ساده 10 کاناله این مدار رو امتحان کن. ساختنش کمتر از یه ساعت وقتت رو می‌گیره و نتیجه‌اش فوق‌العادست. تو آیسی‌مدار همیشه منتظریم تا پروژه‌های دست‌سازت رو ببینیم، پس اگه این گجت رو ساختی، حتما تجربه‌ات رو با ما و بقیه دوستانت به اشتراک بذار. موفق باشی!