DIY perimeetritraadi generaator ja andur: 8 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:47

Traatjuhtimise tehnoloogiat kasutatakse tööstuses laialdaselt, eriti ladudes, kus käitlemine on automatiseeritud. Robotid järgivad maasse maetud traadist silmust. Selles juhtmes voolab suhteliselt madala intensiivsusega ja sagedusega vahelduvvool vahemikus 5Kz kuni 40KHz. Robot on varustatud induktiivsete anduritega, mis põhinevad tavaliselt tankiahelal (resonantssagedusega, mis on võrdne või lähedane genereeritud laine sagedusele), mis mõõdab elektromagnetvälja intensiivsust maapinna lähedal. Töötlemisahel (võimendus, filtrid, võrdlus) võimaldab määrata roboti positsiooni traadi sees. Tänapäeval kasutatakse perimeetrit/piirdekaablit ka nähtamatute aedade loomiseks, et hoida lemmikloomi hoovides ja robotniidukeid tsoonides. LEGO kasutab sama põhimõtet ka sõidukite juhtimiseks mööda teid, ilma et külastajad näeksid jooni.

See õpetus selgitab lihtsal ja intuitiivsel viisil, et aidata teil mõista perimeetritraadi generaatori ja anduri valmistamise teooriat, disaini ja rakendamist. Failid (skeemid, Eagle Files, Gerbers, 3D Files ja Arduino Sample Code) on samuti allalaadimiseks saadaval. Nii saate oma lemmikrobotile lisada traadi ümbermõõdu tuvastamise funktsiooni ja hoida seda töötavas "tsoonis".

1. samm: GENERAATOR

Teooria

Ümbermõõdutraadi generaatori ahel põhineb kuulsal NE555 taimeril. NE555 või rohkem tuntud 555 on integreeritud vooluahel, mida kasutatakse taimeri või multivibraatori režiimis. Seda komponenti kasutatakse tänapäevalgi selle kasutusmugavuse, odavate hindade ja stabiilsuse tõttu. Aastas toodetakse miljard ühikut. Meie generaatori jaoks kasutame NE555 Astable'i konfiguratsioonis. Stabiilne konfiguratsioon võimaldab kasutada NE555 ostsillaatorina. Kaks takistit ja kondensaator võimaldavad muuta võnkesagedust ja töötsüklit. Komponentide paigutus on näidatud alloleval skeemil. NE555 genereerib (töötlemata) ruutlaine, mis võib ulatuda perimeetritraadi pikkusele. Viidates taimerile NE555 andmelehele, on olemas prooviahel, samuti tööteooria (8.3.2 A-stabiilne töö). Texas Instruments pole ainus NE555 IC -de tootja, seega kui valite mõne muu kiibi, kontrollige kindlasti selle kasutusjuhendit. Pakume seda kena 555 taimeriga jootekomplekti, mis annab teile võimaluse joota kõik 555 taimeriga sisemised komponendid läbiva avaga pakendis, et saaksite selle vooluahela toimimisest üksikasjalikult aru saada.

Skeem ja prototüüpimine

NE555 kasutusjuhendis esitatud skeem (8.3.2 A-stabiilne tööosa) on üsna täielik. Lisati mõned täiendavad komponendid ja neid arutati allpool. (esimene pilt)

Väljundruutlaine sageduse arvutamiseks kasutatav valem on

f = 1,44 / ((Ra+2*Rb)*C)

Loodud ruutlaine sagedusvahemik jääb vahemikku 32–44 kHz, mis on spetsiifiline sagedus, mis ei tohiks häirida teisi lähedasi seadmeid. Selle jaoks oleme valinud Ra = 3,3KOhms, Rb = 12KOhm + 4,7KOhm potentsiomeeter ja C = 1,2nF. Potentsiomeeter aitab meil muuta ruutlaine väljundi sagedust, et see vastaks LC paagi ahela resonantssagedusele, mida arutatakse hiljem. Väljundsageduse teoreetiliselt madalaim ja kõrgeim väärtus arvutatakse järgmise valemiga (1): Madalaim sagedus: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈ 32 698Hz

Kõrgeim sagedus: fH = 1,44 / ((3,3+2*(12+0))*1,2*10^(-9)) 95 43 956Hz

Kuna 4.7Kohm potentsiomeeter ei jõua kunagi 0 või 4.7 -ni, varieerub väljundsageduste vahemik umbes 33,5 kHz kuni 39 kHz. Siin on generaatori vooluahela täielik skeem. (teine pilt)

Nagu skemaatiliselt näha, lisati vähe lisakomponente ja neid arutatakse allpool. Siin on täielik BOM:

• R1: 3,3 KOhm
• R2: 12 KOhm
• R3 (voolu piirav takisti): 47 oomi (peab olema üsna suur, et soojust hajutada, 2W võimsusega peaks piisama)
• R4: 4,7 KOhm potentsiomeeter
• C2, C4: 100 nF
• C3: 1.2nF (1000pF teeb ka selle töö ära)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm keskne positiivne silindri pistik (5-15 V alalisvool)
• J2: kruviklemm (kaks asendit)
• IC1: NE555 täppistaimer

Skeemile lisatud täiendavad osad hõlmavad tünnipistikut (J1), mis hõlbustab ühendamist seinaadapteriga (12 V), ja kruviklemmi (12), et mugavalt ühendada perimeetritraadiga. Perimeetritraat: Pange tähele, et mida pikem on ümbermõõt, seda rohkem signaal halveneb. Testisime seadistust ligikaudu 100 '22-mõõtmelise mitmeahelalise traadiga (kinnitatud maasse, mitte maetud). Toiteallikas: 12 V seinaadapter on uskumatult levinud ja igasugune voolutugevus üle 500 mA peaks hästi toimima. Korpuses hoidmiseks võite valida ka 12 V pliihappe või 11,1 V LiPo, kuid veenduge, et see oleks ilmastikukindel ja lülitage see välja, kui seda ei kasutata. Siin on mõned meie pakutavad osad, mida vajate generaatori vooluahela ehitamisel:

• 2,1 mm tünnipistik terminalile või see 2,1 mm tünnipistiku adapter - ühildub leivaplaadiga
• 400 sidumispunktiga blokeeriv läbipaistev jootevaba leib
• 65 x 22 gabariidi assortii džemprijuhtmed
• DFRoboti takisti komplekt
• SparkFuni kondensaatorikomplekt
• 12VDC 3A seinaadapteri toiteallikas

Siin peaks generaatori vooluahel leivaplaadil välja nägema (kolmas pilt)

2. samm: tulemused

Nagu on näidatud alloleval ostsilloskoobi ekraanipildil generaatori vooluahela väljundist (tehtud Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 kanaliga tahvelarvuti ostsilloskoobiga), näeme (töötlemata) ruutlainet sagedusega 36,41 KHz ja amplituudiga 11,8 V (kasutades 12 V toiteadapterit). Sagedust saab veidi muuta, reguleerides potentsiomeetrit R4.

Jooteta leivaplaat on harva pikaajaline lahendus ja seda on kõige parem kasutada kiire prototüübi loomiseks. Seetõttu, olles kinnitanud, et generaatori vooluahel töötab nii nagu peaks, tekitades ruutlaine sagedusvahemikuga 33,5 kHz ja 40 kHz (muutuv läbi R4 poti), oleme loonud trükkplaadi (24 mm x 34 mm) ainult koos PTH-ga (Plated-through Hole)) komponente, et muuta see kena väikese ruudu lainegeneraatori plaadiks. Kuna leivaplaadiga prototüüpimiseks kasutati läbivavakomponente, võis trükkplaat kasutada ka läbiva auguga komponente (pinnakinnituse asemel) ja võimaldab hõlpsat käsitsi jootmist. Komponentide paigutus pole täpne ja tõenäoliselt leiate arenguruumi. Oleme teinud Eagle'i ja Gerberi failid allalaadimiseks kättesaadavaks, et saaksite ise PCB teha. Failid leiate selle artikli lõpus olevast jaotisest „Failid”. Siin on mõned näpunäited oma plaadi kujundamisel: Kas silindri pistik ja kruviklemm on plaadi samal küljel Asetage komponendid üksteisele suhteliselt lähedale ja minimeerige jälgi/pikkust Kas kinnitusavad on standardse läbimõõduga ja kergesti paigutatavad reprodutseerida ristkülikut.

3. samm: traadi paigaldamine

Niisiis, kuidas traati paigaldada? Selle matmise asemel on kõige lihtsam kasutada lihtsalt naelu, et seda paigal hoida. Võite vabalt kasutada kõike, mida soovite, et traati paigal hoida, kuid plastik töötab kõige paremini. Robotniidukite jaoks kasutatav 50 tihvtiga pakk kipub olema odav. Traadi paigaldamisel veenduge, et mõlemad otsad puutuksid kokku samas kohas, et ühendada generaatorplaadiga kruviklemmi kaudu.

4. samm: ilmastikukindlus

Kuna süsteem jäetakse suure tõenäosusega õue kasutamiseks. Perimeetritraat vajab ilmastikukindlat katet ja generaatoriahel ise on veekindlas korpuses. Selle laheda korpuse abil saate generaatorit vihma eest kaitsta. Mitte kõik juhtmed pole võrdsed. Kui kavatsete traadi välja jätta, investeerige kindlasti õigesse traati, näiteks see Robomow 300 'perimeetritraadi varjestus, mis ei ole UV / veekindel, laguneb aja jooksul kiiresti ja muutub rabedaks.

Samm: andur

Teooria

Nüüd, kui oleme generaatoriahela üles ehitanud ja veendunud, et see töötab nii, nagu eeldati, on aeg hakata mõtlema, kuidas juhtmest läbivat signaali tuvastada. Selleks kutsume teid lugema LC -ahelast, mida nimetatakse ka paagi ringiks või häälestatud vooluringiks. LC -ahel on elektriskeem, mis põhineb paralleelselt ühendatud induktoril/mähisel (L) ja kondensaatoril (C). Seda vooluahelat kasutatakse filtrites, tuunerites ja sagedusmikserites. Järelikult kasutatakse seda tavaliselt traadita ringhäälinguülekannetes nii ringhäälinguks kui ka vastuvõtmiseks. Me ei lähe LC -ahelate teoreetilistesse üksikasjadesse, kuid kõige olulisem asi, mida selles artiklis kasutatava anduri vooluahela mõistmiseks meeles pidada, oleks LC -ahela resonantssageduse arvutamise valem, mis näeb välja järgmine:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Kus L on mähise induktiivsuse väärtus H (Henry) ja C on kondensaatori mahtuvus F (Farad). Et andur tuvastaks juhtmesse jooksva signaali 34kHz-40Khz, peaks meie kasutatava paahela resonantssagedus olema selles vahemikus. Valisime L = 1mH ja C = 22nF, et saada resonantssagedus 33 932Hz, mis on arvutatud valemi (2) abil. Meie paagi ahela tuvastatud signaali amplituud on suhteliselt väike (maksimaalselt 80 mV, kui testisime oma andurringi), kui induktiivpool on juhtmest umbes 10 cm kaugusel, seega vajab see mõningast võimendust. Selleks oleme kasutanud populaarset LM324 Op-Amp võimendit, et võimendada signaali võimendusega 100 mittepöörde konfiguratsioonis 2-astmeline võimendus, et tagada kena loetava analoogsignaali saamine suuremal kaugusel kui 10 cm anduri väljund. See artikkel pakub kasulikku teavet Op-Amps'i kohta üldiselt. Samuti saate vaadata LM324 andmelehte. Siin on tüüpiline LM324 võimendi vooluahela skeem: Op-Amp mitte-inverteerivas konfiguratsioonis (neljas pilt)

Kasutades võrrandit mitteinverteeriva võimendusega konfiguratsiooni jaoks, Av = 1+R2/R1. Kui seadistate R1 väärtuseks 10KOhms ja R2 väärtuseks 1MOhms, saate võimenduseks 100, mis jääb soovitud spetsifikatsiooni piiresse. Selleks, et robot suudaks perimeetritraati erinevates suundades tuvastada, on sobivam paigaldada sellele rohkem kui üks andur. Mida rohkem andureid robotil on, seda paremini tuvastab ta piirdekaabli. Selle õpetuse jaoks ja kuna LM324 on quad-op võimendi (see tähendab, et ühel LM324 kiibil on 4 eraldi võimendit), kasutame tahvlil kahte tuvastussensorit. See tähendab kahe LC -ahela kasutamist ja mõlemal on 2 võimendusastet. Seetõttu on vaja ainult ühte LM324 kiipi.

6. samm: skeem ja prototüüpimine

Nagu me eespool arutasime, on anduriplaadi skeem üsna sirgjooneline. See koosneb kahest LC vooluahelast, ühest LM324 kiibist ning paarist 10KOhm ja 1MOhms takistist võimendite võimenduse määramiseks.

Siin on loetelu komponentidest, mida saate kasutada:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm takistid
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm takistid
• C1, C2: 22nF kondensaatorid
• IC: võimendi LM324N
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3-kontaktilised M / M päised
• Induktorid 1, 2: 1 mH*

* 1mH Induktorid, mille voolutugevus on 420mA ja Q -tegur 40 252kHz, peaksid hästi töötama. Oleme induktiivjuhtidena skeemile lisanud kruviklemmid, et induktiivpoolid (juhtmete külge joodetud juhtmed) paigutada roboti mugavasse kohta. Seejärel ühendatakse (induktiivpoolide) juhtmed kruviklemmidega. Väljundid Out1 ja Out2 saab otse ühendada mikrokontrolleri analoogsisendiga. Näiteks võite mugavamaks ühendamiseks kasutada Arduino UNO plaati või, parem, BotBoarduino kontrollerit, kuna sellel on analoogpoldid jagatud 3-kontaktiliseks reaks (Signal, VCC, GND) ja see ühildub ka Arduinoga. LM324 kiip saab toidet mikrokontrolleri 5 V kaudu, seetõttu varieerub anduriplaadilt saadud analoogsignaal (tuvastatud laine) vahemikus 0 V kuni 5 V, sõltuvalt induktiivpooli ja perimeetritraadi vahelisest kaugusest. Mida lähemal on induktor perimeetritraadile, seda suurem on anduri vooluahela laine amplituud. Siin peaks andurite vooluahel välja nägema leivaplaadil.

Samm 7: Tulemused

Nagu allpool toodud ostsilloskoobi ekraanipiltidel näeme, võimendatakse LC -ahela väljundis tuvastatud laine ja küllastatakse 5 V juures, kui induktiivpool on perimeetritraadist 15 cm kaugusel.

Nagu generaatoriahela puhul, oleme anduriplaadile kavandanud kena kompaktse trükkplaadi, millel on kaks paaguahelat, võimendi ja 2 analoogväljundit. Failid leiate selle artikli lõpus olevast jaotisest „Failid”.

Samm: Arduino kood

Arduino kood, mida saate kasutada oma perimeetritraadi generaatori ja anduri jaoks, on väga lihtne. Kuna anduriplaadi väljund on kaks analoogsignaali, mis varieeruvad vahemikus 0V kuni 5V (üks iga anduri/induktiivpooli kohta), võib kasutada näidet AnalogRead Arduino. Lihtsalt ühendage anduriplaadi kaks väljundnõela kahe analoogsisendiga ja lugege sobiv tihvt, muutes Arduino AnalogRead Example. Arduino jadamonitori kasutades peaksite nägema, et kasutatava analoogpinna RAW -väärtus varieerub vahemikus 0 kuni 1024, kui lähenete induktiivpoolile perimeetritraadile.

Kood loeb analogPini pinget ja kuvab selle.

int analoogPin = A3; // potentsiomeetri klaasipuhasti (keskmine klemm), mis on ühendatud analoogpistikuga 3 // väljaspool viib maandusesse ja +5V

int val = 0; // muutuja loetud väärtuse salvestamiseks

tühine seadistus () {

Seriaalne algus (9600); // seadistusseeria

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // sisendpinna lugemine Serial.println (val); // silumisväärtus