DIY perimetra vadu ģenerators un sensors: 8 soļi

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:54

Stiepļu vadīšanas tehnoloģija tiek plaši izmantota rūpniecībā, jo īpaši noliktavās, kur apstrāde ir automatizēta. Roboti seko zemē apraktai stiepļu cilpai. Šajā vadā plūst maiņstrāva ar salīdzinoši zemu intensitāti un frekvenci starp 5Kz un 40KHz. Robots ir aprīkots ar induktīviem sensoriem, parasti balstoties uz tvertnes ķēdi (ar rezonanses frekvenci, kas vienāda vai tuvu ģenerētā viļņa frekvencei), kas mēra elektromagnētiskā lauka intensitāti tuvu zemei. Apstrādes ķēde (pastiprināšana, filtri, salīdzinājums) ļauj noteikt robota stāvokli vadā. Mūsdienās perimetru/ierobežojošo vadu izmanto arī, lai izveidotu “neredzamus žogus”, lai mājdzīvniekus turētu pagalmos, bet zāles pļāvējus - robotos. LEGO arī izmanto to pašu principu, lai vadītu transportlīdzekļus pa ceļiem, apmeklētājiem neredzot līnijas.

Šī apmācība vienkāršā un intuitīvā veidā paskaidro, lai palīdzētu jums saprast teoriju, dizainu un ieviešanu, lai izveidotu savu ģeneratoru un sensoru perimetra vadam. Faili (shēmas, Eagle Files, Gerbers, 3D faili un Arduino parauga kods) ir pieejami arī lejupielādei. Tādā veidā jūs varat pievienot vadu perimetra noteikšanas funkciju savam iecienītākajam robotam un turēt to darbības zonā.

1. darbība: ĢENERATORS

Teorija

Perimetra vadu ģeneratora shēma tiks balstīta uz slaveno NE555 taimeri. NE555 vai plašāk saukts par 555 ir integrēta shēma, ko izmanto taimera vai multivibratora režīmam. Šo komponentu joprojām izmanto, jo tas ir ērti lietojams, zemas izmaksas un stabilitāte. Gadā tiek saražots viens miljards vienību. Mūsu ģeneratoram mēs izmantosim NE555 Astable konfigurācijā. Stabila konfigurācija ļauj izmantot NE555 kā oscilatoru. Divi rezistori un kondensators ļauj mainīt svārstību frekvenci, kā arī darba ciklu. Komponentu izvietojums ir parādīts zemāk esošajā shēmā. NE555 ģenerē (aptuvenu) kvadrātveida vilni, kas var darboties perimetra stieples garumā. Atsaucoties uz taimera NE555 datu lapu, ir parauga ķēde, kā arī darbības teorija (8.3.2 A stabila darbība). Texas Instruments nav vienīgais NE555 IC ražotājs, tādēļ, izvēloties citu mikroshēmu, noteikti pārbaudiet tās rokasgrāmatu. Mēs piedāvājam šo jauko 555 taimera lodēšanas komplektu, kas sniegs jums iespēju lodēt visas 555 taimera iekšējās sastāvdaļas caurumu iepakojumā, lai jūs varētu detalizēti izprast šīs ķēdes darbību.

Shēma un prototips

Shēma, kas sniegta rokasgrāmatā NE555 (sadaļa 8.3.2 A-stabila darbība), ir diezgan pilnīga. Tika pievienotas dažas papildu sastāvdaļas un tās tika apspriestas turpmāk. (pirmais attēls)

Formula, ko izmanto, lai aprēķinātu izejas kvadrātveida viļņa frekvenci

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

Ģenerētā kvadrātveida viļņa frekvenču diapazons būs no 32Khz līdz 44KHz, kas ir īpaša frekvence, kurai nevajadzētu traucēt citām tuvām ierīcēm. Šim nolūkam mēs esam izvēlējušies Ra = 3,3 KOhm, Rb = 12 KOhm + 4,7 KOhm potenciometrs un C = 1,2 nF. Potenciometrs palīdzēs mums mainīt kvadrātveida viļņu izejas frekvenci, lai tā atbilstu LC tvertnes ķēdes rezonanses frekvencei, kas tiks apspriesta vēlāk. Teorētiski zemākā un augstākā izejas frekvences vērtība tiks aprēķināta pēc formulas (1): Zemākā frekvences vērtība: fL = 1.44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) ≈32 698Hz

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

Tā kā potenciometrs 4,7Kohms nekad nesasniedz 0 vai 4,7, izejas frekvenču diapazons svārstīsies no aptuveni 33,5Khz līdz 39Khz. Šeit ir ģeneratora ķēdes pilnīga shēma. (otrais attēls)

Kā redzams shēmā, tika pievienoti daži papildu komponenti, un tie tiks apspriesti turpmāk. Šeit ir pilnīgs BOM:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhm
• R3 (strāvas ierobežošanas rezistors): 47 omi (jābūt diezgan lielam, lai izkliedētu siltumu ar 2W jaudas nominālo jaudu)
• R4: 4,7 KOhm potenciometrs
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF arī veiks darbu)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm centrālais pozitīvais cilindra savienotājs (5-15 V DC)
• J2: skrūves spailes (divas pozīcijas)
• IC1: NE555 precizitātes taimeris

Papildu detaļas, kas pievienotas shēmai, ietver A cilindra domkratu (J1), lai to varētu viegli savienot ar sienas adapteri (12 V), un skrūves spaili (12), lai ērti izveidotu savienojumu ar perimetra vadu. Perimetra vads: ņemiet vērā, ka jo garāks perimetra vads, jo vairāk signāls pasliktinās. Mēs pārbaudījām uzstādīšanu ar aptuveni 100 collu 22 gabarītu daudzpavedienu vadu (piestiprinātu zemei, nevis ieraktu). Barošanas avots: 12 V sienas adapteris ir neticami izplatīts, un jebkuram strāvas nominālam, kas pārsniedz 500 mA, vajadzētu darboties labi. Jūs varat arī izvēlēties 12 V svina skābi vai 11,1 V LiPo, lai to saglabātu korpusā, taču noteikti to noturiet pret laika apstākļiem un izslēdziet, kad to nelietojat. Šeit ir dažas mūsu piedāvātās detaļas, kas jums varētu būt nepieciešamas, veidojot ģeneratora ķēdi:

• 2,1 mm mucas ligzda līdz terminālim vai šis 2,1 mm mucas ligzdas adapteris - savietojams ar maizes dēli
• 400 kaklasaites bloķēšanas caurspīdīgs bez lodēšanas maizes dēlis
• 65 x 22 mērinstrumentu asorti džemperu vadi
• DFRobot rezistoru komplekts
• SparkFun kondensatoru komplekts
• 12VDC 3A sienas adaptera barošanas avots

Lūk, kā ģeneratora ķēdei vajadzētu izskatīties uz maizes dēļa (trešais attēls)

2. darbība. Rezultāti

Kā parādīts zemāk esošajā osciloskopa ekrānuzņēmumā no ģeneratora ķēdes izejas (uzņemts ar Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 kanālu planšetdatoru osciloskopu), mēs varam redzēt (aptuvenu) kvadrātveida vilni ar frekvenci 36,41KHz un amplitūdu 11,8 V (izmantojot 12 V strāvas adapteri). Frekvenci var nedaudz mainīt, pielāgojot potenciometru R4.

Maizes dēlis bez lodēšanas reti kad ir ilgtermiņa risinājums, un to vislabāk var izmantot, lai izveidotu ātru prototipu. Tāpēc, apstiprinājuši, ka ģeneratora ķēde darbojas tā, kā vajadzētu, ģenerējot kvadrātveida viļņu ar frekvenču diapazonu 33,5 Khz un 40 KHz (mainīgs caur R4 katlu), mēs esam izveidojuši PCB (24 mm x 34 mm) tikai ar PTH (pārklāts caurums)) sastāvdaļas, lai padarītu to par jauku mazu kvadrātveida viļņu ģeneratora plāksni. Tā kā caurplūdes detaļas tika izmantotas prototipēšanai ar maizes dēli, PCB varēja izmantot arī caururbjošās detaļas (nevis virsmas stiprinājumu), un tas ļauj viegli lodēt ar rokām. Sastāvdaļu izvietojums nav precīzs, un jūs, iespējams, atradīsit iespēju uzlabot. Mēs esam padarījuši Eagle un Gerber failus pieejamus lejupielādei, lai jūs varētu izveidot savu PCB. Failus var atrast šī raksta beigās esošajā sadaļā "Faili". Šeit ir daži padomi, veidojot savu dēli: Novietojiet mucas savienotāju un skrūves spaili vienā plāksnes pusē Novietojiet komponentus salīdzinoši tuvu viens otram un samaziniet pēdas/garumus. reproducēt taisnstūri.

3. darbība: vadu uzstādīšana

Tātad, kā uzstādīt vadu? Tā vietā, lai to apglabātu, visvieglāk ir vienkārši izmantot tapas, lai to noturētu vietā. Jūs varat brīvi izmantot visu, ko vēlaties, lai vads paliktu vietā, taču plastmasa darbojas vislabāk. 50 tapu iepakojums, ko izmanto zāles pļāvējiem robotiem, parasti ir lēts. Ieklājot vadu, pārliecinieties, ka abi gali sakrīt vienā vietā, lai caur skrūves spaili izveidotu savienojumu ar ģeneratora plāksni.

4. solis: izturība pret laika apstākļiem

Tā kā sistēma, visticamāk, tiks atstāta ārpusē, lai to izmantotu ārpus telpām. Perimetra vadam ir nepieciešams laika apstākļu izturīgs pārklājums, un pati ģeneratora ķēde atrodas ūdensnecaurlaidīgā korpusā. Jūs varat izmantot šo vēso korpusu, lai aizsargātu ģeneratoru no lietus. Ne visi vadi ir vienādi. Ja plānojat atstāt vadu, noteikti ieguldiet pareizā vadā, piemēram, šis Robomow 300 'perimetra vadu ekranējums, kas nav UV / ūdens izturīgs, laika gaitā ātri noārdīsies un kļūs trausls.

5. solis: sensors

Teorija

Tagad, kad esam izveidojuši ģeneratora ķēdi un pārliecinājušies, ka tā darbojas, kā paredzēts, ir pienācis laiks sākt domāt par to, kā noteikt signālu, kas iet caur vadu. Šim nolūkam mēs aicinām jūs lasīt par LC ķēdi, ko sauc arī par tvertnes ķēdi vai noregulēto shēmu. LC ķēde ir elektriskā ķēde, kuras pamatā ir paralēli savienots induktors/spole (L) un kondensators (C). Šo shēmu izmanto filtros, uztvērējos un frekvenču maisītājos. Līdz ar to to parasti izmanto bezvadu apraides pārraidēs gan apraidei, gan uztveršanai. Mēs neiedziļināsimies teorētiskajās detaļās par LC ķēdēm, bet vissvarīgākais, kas jāpatur prātā, lai izprastu šajā rakstā izmantoto sensoru ķēdi, būtu formula, kā aprēķināt LC ķēdes rezonanses frekvenci, kas ir šāda:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Kur L ir spoles induktivitātes vērtība H (Henry) un C ir kondensatora kapacitātes vērtība F (Farads). Lai sensors noteiktu 34 kHz-40 khz signālu, kas nonāk vadā, mūsu izmantotajai tvertnes ķēdei vajadzētu būt rezonanses frekvencei šajā diapazonā. Mēs izvēlējāmies L = 1mH un C = 22nF, lai iegūtu rezonanses frekvenci 33 932Hz, kas aprēķināta, izmantojot formulu (2). Mūsu tvertnes ķēdes noteiktā signāla amplitūda būs salīdzinoši maza (maksimāli 80 mV, kad pārbaudījām sensoru ķēdi), kad induktors atrodas apmēram 10 cm attālumā no stieples, tāpēc tam būs nepieciešams kāds pastiprinājums. Lai to izdarītu, mēs esam izmantojuši populāro LM324 Op-Amp pastiprinātāju, lai pastiprinātu signālu ar pastiprinājumu 100, nepārvēršamās konfigurācijas 2 pakāpju pastiprināšanā, lai pārliecinātos, ka iegūstat jauku lasāmu analogo signālu lielākā attālumā nekā 10 cm sensora izeja. Šajā rakstā ir sniegta noderīga informācija par Op-Amps kopumā. Varat arī apskatīt LM324 datu lapu. Šeit ir tipiska LM324 pastiprinātāja shēmas shēma: Op-Amp neinvertējošā konfigurācijā (ceturtais attēls)

Izmantojot vienādojumu neinvertējošai pastiprinājuma konfigurācijai, Av = 1+R2/R1. Iestatot R1 uz 10KOhms un R2 uz 1MOhms, tiks iegūts 100 pastiprinājums, kas atbilst vēlamajai specifikācijai. Lai robots spētu noteikt perimetra vadu dažādās orientācijās, pareizāk ir uzstādīt uz tā vairākus sensorus. Jo vairāk robotā ir sensoru, jo labāk tas noteiks ierobežojošo vadu. Šajā apmācībā un tā kā LM324 ir četrkāršs pastiprinātājs (tas nozīmē, ka vienai LM324 mikroshēmai ir 4 atsevišķi pastiprinātāji), mēs uz tāfeles izmantosim divus noteikšanas sensorus. Tas nozīmē, ka jāizmanto divas LC ķēdes, un katrai no tām būs 2 pastiprināšanas pakāpes. Tāpēc ir nepieciešama tikai viena LM324 mikroshēma.

6. darbība. Shēma un prototips

Kā mēs iepriekš apspriedām, sensoru plates shēma ir diezgan vienkārša. Tas sastāv no 2 LC ķēdēm, vienas LM324 mikroshēmas un pāris 10KOhm un 1MOhms rezistoriem, lai iestatītu pastiprinātāju ieguvumus.

Šeit ir saraksts ar komponentiem, kurus varat izmantot:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm rezistori
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm rezistori
• C1, C2: 22nF kondensatori
• IC: LM324N pastiprinātājs
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3 kontaktu M / M galvenes
• Induktori 1, 2: 1 mH*

* 1mH induktoriem ar strāvas nominālo vērtību 420mA un Q koeficientu 40 252kHz vajadzētu darboties labi. Mēs esam pievienojuši skrūvju spailes kā indukcijas vadus shēmai, lai induktori (ar vadiem pielodēti vadi) tiktu novietoti ērtās robota vietās. Tad vadi (induktori) tiks savienoti ar skrūvju spailēm. Out1 un Out2 tapas var tieši savienot ar mikrokontrollera analogās ieejas tapām. Piemēram, ērtākam savienojumam varat izmantot Arduino UNO valdi vai, vēl labāk, BotBoarduino kontrolieri, jo tajā ir sadalītas analogās tapas 3 kontaktu rindā (Signal, VCC, GND), un tas ir arī saderīgs ar Arduino. LM324 mikroshēma tiks darbināta, izmantojot mikrokontrollera 5 V spriegumu, tāpēc analogais signāls (noteiktais vilnis) no sensora plates mainīsies no 0 V līdz 5 V atkarībā no attāluma starp induktoru un perimetra vadu. Jo tuvāk induktors atrodas perimetra vadam, jo augstāka ir sensora ķēdes izejas viļņa amplitūda. Lūk, kā sensora ķēdei vajadzētu izskatīties uz maizes dēļa.

7. darbība: rezultāti

Kā redzam osciloskopa ekrānuzņēmumos zemāk, konstatētais vilnis pie LC ķēdes izejas tiek pastiprināts un piesātināts pie 5 V, kad induktors atrodas 15 cm attālumā no perimetra stieples.

Tāpat kā mēs to darījām ar ģeneratora ķēdi, mēs esam izveidojuši jauku kompaktu PCB ar caurumiem caurumu komponentiem sensoru plāksnei ar divām tvertņu shēmām, pastiprinātāju un 2 analogām izejām. Failus var atrast šī raksta beigās esošajā sadaļā "Faili".

8. solis: Arduino kods

Arduino kods, ko varētu izmantot savam perimetra vadu ģeneratoram un sensoram, ir ļoti vienkāršs. Tā kā sensoru plates izeja ir divi analogie signāli, kas svārstās no 0V līdz 5V (viens katram sensoram/induktoram), var izmantot AnalogRead Arduino piemēru. Vienkārši savienojiet abas sensora plates izejas tapas ar divām analogās ieejas tapām un izlasiet atbilstošo tapu, modificējot Arduino AnalogRead Piemēru. Izmantojot Arduino sērijas monitoru, jums vajadzētu redzēt, ka jūsu izmantotās analogās tapas RAW vērtība svārstās no 0 līdz 1024, tuvojoties induktoram pie perimetra stieples.

Kods nolasa spriegumu analogPin un parāda to.

int analogPin = A3; // potenciometra tīrītājs (vidējais terminālis), kas savienots ar analogo tapu 3 // ārējie vadi pie zemes un +5V

int val = 0; // mainīgais, lai saglabātu nolasīto vērtību

void setup () {

Sērijas sākums (9600); // iestatīšanas sērija

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // lasīt ievades tapu Serial.println (val); // atkļūdošanas vērtība