Bouwpakket: laserharp

(gepubliceerd op 12-09-2021)

Wij hadden nog nooit van het woord 'laserharp' gehoord tot wij, op zoek naar leuke bouwpakketjes ter bespreking op dit blog, er eentje tegenkwamen op AliExpress. Wij bouwden een exemplaar na en het verslag van ons geknutsel leest u in dit artikel.  

Kennismaking met de laserharp


Wat is een laserharp?
Een laserharp is een harp waarvan de snaren vervangen zijn door laserstralen. Lasers zenden immers zeer smalle lichtbundels uit en het ligt in feite voor de hand om de vergelijking te maken met de immers ook zeer dunne snaren van een harp. Googlen op het woord 'laserharp' onthult een hele voor ons onbekende wereld en dan blijkt dat dit begrip de dance-wereld is binnengedrongen. Maar daar willen wij het niet over hebben, wij houden het op de 'echte' originele laserharp. In de onderstaande foto ziet u hoe zo'n professioneel muziekinstrument, in dit voorbeeld van Mountain Glen Harps LLC, er uit ziet.

Laserharp-01 (© Mountain Glen Harps)
Een professionele laserharp. (© Mountain Glen Harps)

Hoe werkt een laserharp?
In de onderste helft van de harp wordt een aantal laserdiodes ingebouwd die loodrecht en dus parallel naar boven stralen. In de bovenste helft wordt een even groot aantal fotodetectoren gemonteerd die het al dan niet aanwezig zijn van de laserstralen detecteren. Door nu met de handen de stralen te onderbreken kunt u het instrument bespelen. In de onderstaande video ziet u een voorbeeld, in dit geval door de bouwer Glenn J. Hill, en hoort u hoe het instrument klinkt.


Een leuk bouwpakketje en leuk speelgoed voor de kinderen
Nu laserdiodes en fotodetectoren spotgoedkoop zijn geworden ligt het voor de hand dat het idee van de laserharp zich leent voor een goedkoop en eenvoudig bouwpakketje. Laat dit maar aan de Chinezen over! Het bouwpakketje dat in dit artikel wordt beschreven is ontwikkeld door Haodiy en wordt via de bekende kanalen van AliExpress naamloos aangeboden voor prijzen vanaf tien euro. Om u een idee te geven wat u zich bij zo'n bouwpakket moet voorstellen tonen wij u in de onderstaande foto het eindresultaat van een paar uurtjes geknutsel.

Laserharp-02 (© 2021 Jos Verstraten)
Het bouwpakket is volledig gemonteerd. (© 2021 Jos Verstraten)

De laserharp bestaat uit een basisprint van 10,0 cm bij 5,0 cm waarop de volledige elektronica zit. Met drie smalle printjes van 10,0 cm bij 1,0 cm wordt een soort 'poort' gevormd. Dat is het speelvlak van de laserharp. In het bovenste smalle printje zitten zeven rode laserdiodes die gericht moeten worden op zeven LDR's (lichtgevoelige weerstanden) op de basisprint. U bespeelt het instrument door de laserstralen in de 'poort' tussen de diodes en de LDR's te onderbreken. Let wel dat het orgeltje monofoon is. U kunt weliswaar meer dan een straal onderbreken, maar de harp zal dan in diep stilzwijgen verzinken. Wilt u muziek maken, dan moet u dus steeds maar één laserstraal onderbreken.

Share

De levering van het bouwpakket

Zoals bij de meeste Chinese bouwpakketten worden de onderdelen in een veel te kleine envelop samengeperst. Het gevolg is dat sommige onderdelen met scheve pootjes uit de verpakking tevoorschijn komen. Bij ons exemplaar was het IC-voetje voor de processor volledig onbruikbaar geworden. 

Laserharp-03 (© 2021 Jos Verstraten)

De veel te krappe verpakking van de onderdelen.
(© 2021 Jos Verstraten)


De kwaliteit van de geleverde onderdelen
Die is uitstekend te noemen. De zeven zwarte componenten linksonder zijn stukjes nogal slordig op maat geknipte krimpkous die de optische afscherming gaan vormen van de zeven LDR's die u op de print soldeert. Dat had toch iets zorgvuldiger gekund! De zeven onderdelen naast de vier printen zijn de rode laserdiodes die voorzien zijn van vrij lange aansluitdraadjes. Niet erg praktisch en daar komen wij in de loop van dit artikel nog op terug.

Laserharp-04 (© 2021 Jos Verstraten)
De componenten van deze laserharp. (© 2021 Jos Verstraten)

De kwaliteit van de geleverde printen
Ook die is, zoals wij gewend zijn van Chinese leveranciers, uitstekend. In de onderstaande twee foto's ziet u beide zijden van de hoofdprint en de drie smalle printjes waarmee u het 'speelvlak' van de harp moet vormen. In de grote gaten van de onderste print moet u de zeven laserdiodes monteren.

Laserharp-05 (© 2021 Jos Verstraten)
De twee zijden van de hoofdprint. (© 2021 Jos Verstraten)


Laserharp-06 (© 2021 Jos Verstraten)

De drie smalle printjes die de 'poort' vormen. (© 2021 Jos Verstraten)


De handleiding
Dat is echt een lachertje. Geleverd wordt één dubbelzijdig geprint A4-tje in het Chinees met aan de ene kant een grote foto van het compleet gemonteerde bouwpakket en aan de andere kant onbegrijpelijke Chinese teksten en een slecht getekend schema.

Laserharp-07 (© 2021 Jos Verstraten)
De eerste pagina van de Chinese handleiding.
(© 2021 Jos Verstraten)

Na lang zoeken op internet vonden wij een zowaar in het Engels geschreven zeven pagina's lange stap-na-stap handleiding die wij u niet willen onthouden en die wij dus hebben bewaard in onze prive cloud op Google Drive:
Aanklikbare link ➡ Laserharp_manual.pdf

De elektronica van de laserharp

Het schema is opgebouwd rond een STC89C52 microcontroller. De ingangssignalen worden geleverd door zeven serieschakelingen van een weerstand (R8 ~ R14) en een LDR (R19 ~ R25). De LDR's worden belicht door de laserdiodes. Als de laserstralen niet worden onderbroken leveren deze seriekringen 'L' signalen aan de microcontroller. Onderbreekt u een straal, dan levert deze serieschakeling een 'H' signaal. De microcontroller genereert de in de chip geprogrammeerde frequenties aan de luidspreker. Deze wordt gestuurd via de enige transistor Q1 in de schakeling. Via de PIA-pennen stuurt de microcontroller ook nog zeven witte LED's D1 ~ D7 die gaan branden als u de betreffende laserstraal onderbreekt. De stroom door deze LED's wordt begrensd door de weerstanden R1 ~ R7.
De schakeling bevat nog wat extra's. Dat heeft te maken met het drukknopje rechtsonder op de print. Boven dat drukknopje zitten drie witte LED's. Met die combinatie kunt u drie frequentiebereiken instellen, zodat u in totaal 3 x 7 is 21 noten kunt spelen. Met de linker vinger onderbreekt u de laserstralen, met de rechter vinger kiest u een van de drie frequentiebanden. Werkt prima!
Dat drukknopje heeft nog een tweede functie. In iedere 'stand' kunt u een in de microprocessor ingeprogrammeerd melodietje afspelen. Dat doet u door even op de linker drukknop te drukken. Uiteraard, hoe kan het anders, is 'Happy Birthday to You' van Patty en Mildred Hill van de partij! Tijdens het afspelen van het liedje gaan de witte LED's D1 ~ D7 branden. Op deze manier leert u of leren uw kinderen welke laserstralen u moet of zij moeten onderbreken om het melodietje na te spelen.
U voedt het printje uit een gelijkspanning van 5 V. Daarvoor zijn twee connectoren aanwezig, een standaard 5,5/2,1 mm voedingsconnector en een micro-USB connector. 

Laserharp-08 (© Haodiy)
Het volledige schema van deze laserharp. (© Haodiy)

De bouw van de laserharp


De basisprint

Het bestukken van de basisprint zal, zeker aan de hand van de handleiding, geen problemen opleveren. De kwaliteit van het meegeleverde IC-voetje is niet denderend en het is vrijwel onmogelijk de microcontroller daar met al zijn pootjes ongeschonden in te monteren. Ons voetje was sowieso al onbruikbaar, maar gelukkig hadden wij een soortgelijk beter voetje in reserve. Als alle onderdelen zijn gesoldeerd moet u de zeven stukjes krimpkous over de LDR's monteren. Dit is noodzakelijk om de LDR's af te schermen van het omgevingslicht, zodat zij alleen reageren op het onderbreken van de laserstralen.

Laserharp-09 (© 2021 Jos Verstraten)
De compleet bestukte basisprint. (© 2021 Jos Verstraten)

Het monteren van de laserdiodes
De laserchip's zijn gemonteerd in koperen behuizingen met een diameter van 6 mm en zijn voorzien van twee gesoldeerde dunne draadjes. Deze kunt u rechtstreeks aansluiten op een gelijkspanning van 5 V. Volgens de officiële handleiding moet u die draadjes inkorten tot twee centimeter. U monteert een laserdiode in een van de 6 mm gaatjes op de laserdiode print en soldeert de twee draadjes op de pad's met de + en - symbooltjes. Klaar!
Omdat er wat speling zit in de diameters van de diodes en/of de gaatjes in de print zitten niet alle diodes muurvast. De handleiding adviseert de diodes met een druppeltje lijm op de print te fixeren. Niet doen!
Het probleem is namelijk dat u, als alle printen aan elkaar zijn gesoldeerd, de laserdiodes moet uitrichten op de LDR's op de basisprint. Als u de officiële montage opvolgt is dat vrijwel onmogelijk.

Laserharp-10 (© 2021 Jos Verstraten)
De voorgeschreven montage van de laserdiodes.
(© 2021 Jos Verstraten)

Hoe hebben wij het gedaan? Wij hebben de rode en zwarte draadjes voorzichtig van de laserchip's los gesoldeerd, de lasers een voor een in de gaatjes bevestigd en de aansluitdraden van axiale weerstandjes gebruikt om de chip's met de print te verbinden. Deze draadjes zijn dik genoeg om de laserdiodes stevig in de gaatjes van de print te fixeren. Die draadjes zijn echter niet zo stevig dat u de laserdiodes niet iets kunt verdraaien of kantelen bij het uitrichten op de LDR's van de basisprint.

Laserharp-11 (© 2021 Jos Verstraten)
De door ons toegepaste montage methode van de laserdiodes. (© 2021 Jos Verstraten)

Het construeren van het raam
Vervolgens moet u de laserdiode print verbinden met de twee resterende printjes. Dat moet uiteraard onder een hoek van 90°. Ook hier zijn wij afgeweken van de voorgeschreven methode. Wij hebben namelijk alweer aansluitdraadjes van weerstanden gebruikt om de soldeerverbindingen tussen de track's op de smalle printjes te verstevigen. Doet u dat niet, dan is de kans groot dat de koperen track's losscheuren van het epoxy van de print als u aan de constructie gaat wringen om de drie printjes loodrecht aan elkaar te bevestigen.

Laserharp-12 (© 2021 Jos Verstraten)
Op deze manier hebben wij de drie smalle printjes aan elkaar
bevestigd. (© 2021 Jos Verstraten)

Het bevestigen van het raam aan de basisprint
Op dezelfde manier hebben wij de twee opstaande smalle printjes aan de basisprint bevestigd: met weerstandsdraadjes en met soldeer.

Het uitrichten van de laserdiodes op de LDR's
Sluit de laserharp aan op een 5 Vdc voedingsbron. De zeven laserdiodes gaan onmiddellijk branden en de zeven witte LED's gaan als een looplicht een voor een even branden, eerst van links naar rechts en nadien van rechts naar links. Dat is het bewijs dat de schakeling werkt. U moet nu héél voorzichtig de laserdiodes eventueel iets verdraaien of kantelen tot de laserlicht stralen precies centraal op de LDR's van de basisprint vallen.


De laatste werkzaamheden

U kunt nu het luidsprekertje aansluiten en met de twee drukknopjes de drie geprogrammeerde melodietjes beluisteren. Als alles werkt zoals het hoort kunt u eventueel met tien seconden lijm de toch wel fragiele verbindingshoeken tussen de vier printen verstevigen.

Een kleine test van de laserharp van Haodiy


Het uitgangssignaal
Op het onderstaand oscillogram ziet u de vorm van het uitgangssignaal, een perfecte symmetrische rechthoek met een amplitude van ongeveer 4 V.

Laserharp-13 (© 2021 Jos Verstraten)
De vorm van het uitgangssignaal. (© 2021 Jos Verstraten)

De frequenties

Van links naar rechts zijn de gegenereerde frequenties in de drie banden:
       - 141 Hz ~ 282 Hz ~ 561 Hz
       - 159 Hz ~ 317 Hz ~ 627 Hz
       - 178 Hz ~ 355 Hz ~ 704 Hz
       - 189 Hz ~ 375 Hz ~ 740 Hz
       - 211 Hz ~ 421 Hz ~ 837 Hz
       - 237 Hz ~ 473 Hz ~ 937 Hz
       - 266 Hz ~ 530 Hz ~ 1.048 Hz
Deze frequenties zijn dus blijkbaar vrij willekeurig gekozen en volgen in ieder geval niet de bekende gelijkzwevende stemming tussen de twaalf noten in de octaven van ieder muziekinstrument. Was dat wél het geval geweest dan had in ieder geval frequenties van 220 Hz en 440 Hz in het gekozen bereik moeten voorkomen.




(Banggood sponsor advertentie)
Low-cost halfgeleider tester