DIY generátor obvodového drôtu a senzor: 8 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Technológia vedenia drôtom je široko používaná v priemysle, najmä v skladoch, kde je manipulácia automatizovaná. Roboti sledujú drôtenú slučku zakopanú v zemi. V tomto vodiči prúdi striedavý prúd s relatívne nízkou intenzitou a frekvenciou medzi 5Kz a 40KHz. Robot je vybavený indukčnými snímačmi, ktoré sú zvyčajne založené na obvode nádrže (s rezonančnou frekvenciou rovnakou alebo blízkou frekvencii generovanej vlny), ktorá meria intenzitu elektromagnetického poľa v blízkosti zeme. Spracovateľský reťazec (zosilnenie, filtre, porovnanie) umožňuje určiť polohu robota vo vnútri drôtu. V dnešnej dobe sa obvodový/ohraničovací drôt používa aj na vytváranie „neviditeľných plotov“, ktoré držia domácich zvierat vo dvore, a robotické kosačky v zónach. LEGO používa rovnaký princíp aj na vedenie vozidiel po cestách bez toho, aby návštevníci videli akékoľvek čiary.

Tento tutoriál vysvetľuje jednoduchým a intuitívnym spôsobom, aby vám pomohol porozumieť teórii, návrhu a implementácii výroby vlastného generátora a snímača obvodového drôtu. Súbory (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files a Arduino Sample Code) sú tiež k dispozícii na stiahnutie. Týmto spôsobom môžete k svojmu obľúbenému robotovi pridať funkciu detekcie obvodu drôtu a udržať ho v prevádzkovej „zóne“.

Krok 1: GENERÁTOR

Teória

Obvod generátora obvodového drôtu bude založený na známom časovači NE555. NE555 alebo bežnejšie nazývaný 555 je integrovaný obvod používaný na režim časovača alebo multivibrátora. Táto súčiastka sa dodnes používa kvôli jednoduchosti použitia, nízkym nákladom a stabilite. Ročne sa vyrobí jedna miliarda kusov. Pre náš generátor použijeme NE555 v konfigurácii Astable. Stabilná konfigurácia umožňuje použitie NE555 ako oscilátora. Dva odpory a kondenzátor umožňujú meniť frekvenciu oscilácií a pracovný cyklus. Usporiadanie komponentov je znázornené na schéme nižšie. NE555 Generuje (hrubú) štvorcovú vlnu, ktorá môže prechádzať po dĺžke obvodového drôtu. S odkazom na technický list NE555 pre časovač existuje vzorkovací obvod a tiež teória prevádzky (8.3.2 A-stabilná prevádzka). Texas Instruments nie je jediným výrobcom integrovaných obvodov NE555, takže ak si vyberiete iný čip, prečítajte si jeho príručku. Ponúkame túto peknú súpravu spájkovača s časovačom 555, ktorá vám poskytne možnosť spájkovať všetky vnútorné súčiastky časovača 555 v balení cez priechodný otvor, čo vám umožní podrobne porozumieť fungovaniu tohto obvodu.

Schéma a prototypovanie

Schéma uvedená v príručke NE555 (časť 8.3.2 A-stabilná prevádzka) je pomerne úplná. Bolo pridaných niekoľko ďalších komponentov a diskutované nižšie. (prvý obrázok)

Vzorec použitý na výpočet frekvencie výstupnej štvorcovej vlny je

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

Frekvenčný rozsah generovanej štvorcovej vlny bude medzi 32 kHz a 44 kHz, čo je špecifická frekvencia, ktorá by nemala rušiť ostatné blízke zariadenia. Na tento účel sme vybrali Ra = 3,3 KOhms, Rb = 12 KOhm + 4,7 KOhms potenciometer a C = 1,2 nF. Potenciometer nám pomôže zmeniť frekvenciu výstupu štvorcovej vlny tak, aby zodpovedala rezonančnej frekvencii obvodu LC Tank, o ktorej budeme diskutovať neskôr. Teoreticky najnižšia a najvyššia hodnota výstupnej frekvencie bude nasledovná vypočítaná podľa vzorca (1): Najnižšia hodnota frekvencie: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698 Hz

Najvyššia hodnota frekvencie: fH = 1,44 / ((3,3+2*(12+0))*1,2*10^(-9)) ≈ 43 956 Hz

Pretože potenciometer 4,7 KOhms sa nikdy nedostane na 0 alebo 4,7, rozsah výstupnej frekvencie sa bude pohybovať od približne 33,5 kHz do 39 kHz. Tu je kompletná schéma obvodu generátora. (druhý obrázok)

Ako vidíte na schéme, bolo pridaných niekoľko ďalších komponentov, o ktorých sa bude diskutovať nižšie. Tu je kompletný kusovník:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (odpor obmedzujúci prúd): 47 ohmov (musí byť dosť veľký na odvádzanie tepla s výkonom 2 W by mal stačiť)
• R4: Potenciometer 4,7 KOhm
• C2, C4: 100 nF
• C3: 1,2nF (1000 pF tiež vykoná túto úlohu)
• C5: 1 uF
• J1: 2,5 mm stredový kladný konektor (5-15 V DC)
• J2: Skrutkový terminál (dve polohy)
• Presný časovač IC1: NE555

Medzi ďalšie diely, ktoré sú do schémy pridané, patrí valcový konektor (J1) na jednoduché pripojenie k nástennému adaptéru (12 V) a skrutkový terminál (12) na pohodlné pripojenie k obvodovému vodiču. Obvodový drôt: Všimnite si toho, že čím je obvodový vodič dlhší, tým viac sa signál degraduje. Testovali sme zostavu s zhruba 100 '22-vláknovým viacžilovým drôtom (zapojeným do zeme na rozdiel od zakopaného). Napájanie: 12V nástenný adaptér je neuveriteľne bežný a akýkoľvek prúd nad 500mA by mal fungovať dobre. Môžete si tiež vybrať 12V olovenú kyselinu alebo 11,1V LiPo, aby zostala v puzdre, ale uistite sa, že je odolná voči poveternostným vplyvom a vypne sa, keď sa nepoužíva. Tu ponúkame niektoré diely, ktoré môžete potrebovať pri stavbe obvodu generátora:

• 2,1 mm barel jack na terminál alebo tento 2,1 mm adaptér barel jack - kompatibilný s Breadboard
• 400 spojovací bod, zámková, priehľadná, nespájkovaná doska
• Prepojovacie drôty rôznych rozmerov 65 x 22
• Súprava rezistorov DFRobot
• Súprava kondenzátora SparkFun
• Napájanie nástenným adaptérom 12VDC 3A

Takto by mal vyzerať obvod generátora na doske (tretí obrázok)

Krok 2: Výsledky

Ako je znázornené na nižšie uvedenom obrázku osciloskopu na výstupe z obvodu generátora (nasnímaného 4 kanálovým tabletovým osciloskopom Micsig 200 MHz 1 GS/s), vidíme (hrubú) štvorcovú vlnu s frekvenciou 36,41 kHz a amplitúdou 11,8 V (pomocou napájacieho adaptéra 12 V). Frekvenciu je možné mierne meniť nastavením potenciometra R4.

Bezpájkovacia doska je málokedy dlhodobým riešením a najlepšie sa používa na vytvorenie rýchleho prototypu. Preto sme po potvrdení, že obvod generátora funguje tak, ako má, generujúc štvorcovú vlnu s frekvenčným rozsahom 33,5 kHz a 40 kHz (variabilné v banku R4), navrhli dosku plošných spojov (24 mm x 34 mm) iba s PTH (priechodná diera)) komponentov, aby z neho bola pekná malá doska generátora štvorcových vĺn. Pretože súčiastky s otvorom boli použité na prototypovanie s doskou, doska plošných spojov mohla používať aj súčasti v priechodných dierach (namiesto povrchovej montáže) a umožňuje ľahké spájkovanie ručne. Umiestnenie komponentov nie je presné a pravdepodobne nájdete priestor na zlepšenie. Sprístupnili sme súbory Eagle a Gerber, aby ste si mohli vytvoriť vlastnú DPS. Súbory nájdete v sekcii „Súbory“na konci tohto článku. Tu je niekoľko tipov pri navrhovaní vašej vlastnej dosky: Majte valcový konektor a skrutkový terminál na tej istej strane dosky Umiestnite komponenty relatívne blízko seba a minimalizujte stopy/dĺžky Nechajte montážne otvory štandardného priemeru a umiestnite ich na ľahko prístupné miesto. reprodukovať obdĺžnik.

Krok 3: Inštalácia drôtu

Ako teda nainštalovať drôt? Namiesto zakopávania je najľahšie jednoducho použiť kolíky, aby zostali na svojom mieste. Môžete použiť čokoľvek, čo chcete, aby drôt zostal na svojom mieste, ale plast funguje najlepšie. Balenie 50 kolíkov použitých na robotické kosačky býva lacné. Pri kladení drôtu dbajte na to, aby sa oba konce stretli na rovnakom mieste, aby ste sa mohli pripojiť k doske generátora prostredníctvom skrutkového terminálu.

Krok 4: Odolnosť voči poveternostným vplyvom

Pretože systém bude s najväčšou pravdepodobnosťou ponechaný vonku, aby sa používal vonku. Obvodový drôt potrebuje povlak odolný voči poveternostným vplyvom a samotný obvod generátora je uložený vo vodotesnom puzdre. Tento chladný kryt môžete použiť na ochranu generátora pred dažďom. Nie všetky vodiče sú rovnaké. Ak plánujete drôt vynechať, určite investujte do správneho drôtu, napríklad toto 300 -obvodové tienenie drôtu Robomow, ktoré nie je odolné voči UV / vode, sa časom rýchlo rozloží a stane sa krehkým.

Krok 5: Senzor

Teória

Teraz, keď sme postavili obvod generátora a ubezpečili sme sa, že funguje tak, ako mal, je načase začať premýšľať o tom, ako zistiť signál, ktorý prechádza drôtom. Za týmto účelom vás pozývame na prečítanie o okruhu LC, nazývanom aj tankový obvod alebo ladený obvod. Obvod LC je elektrický obvod založený na paralelne zapojenom induktore/cievke (L) a kondenzátore (C). Tento obvod sa používa vo filtroch, tuneroch a frekvenčných mixéroch. V dôsledku toho sa bežne používa v bezdrôtových prenosových prenosoch pre vysielanie aj pre príjem. Nebudeme sa zaoberať teoretickými podrobnosťami o LC obvodoch, ale najdôležitejšou vecou, ktorú je potrebné mať na pamäti, aby ste pochopili obvod senzora použitý v tomto článku, by bol vzorec na výpočet rezonančnej frekvencie LC obvodu, ktorý vyzerá takto:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Kde L je hodnota indukčnosti cievky v H (Henry) a C je hodnota kapacity kondenzátora vo F (Farads). Aby senzor detekoval signál 34 kHz-40 kHz, ktorý vstupuje do vodiča, obvod nádrže, ktorý sme použili, by mal mať rezonančnú frekvenciu v tomto rozsahu. Vybrali sme L = 1 mH a C = 22nF, aby sme získali rezonančnú frekvenciu 33 932 Hz vypočítanú podľa vzorca (2). Amplitúda signálu detegovaného obvodom našej nádrže bude relatívne malá (maximálne 80 mV, keď sme testovali obvod snímača), keď je induktor asi 10 cm od vodiča, bude preto potrebovať určité zosilnenie. Aby sme to urobili, použili sme populárny zosilňovač LM324 Op-Amp na zosilnenie signálu so ziskom 100 v 2-stupňovom zosilnení neinvertujúcej konfigurácie, aby sme zaistili získanie dobre čitateľného analógového signálu na väčšiu vzdialenosť ako 10 cm v výstup zo senzora. Tento článok poskytuje užitočné informácie o operačných zosilňovačoch vo všeobecnosti. Môžete sa tiež pozrieť na technický list LM324. Tu je typická schéma zapojenia zosilňovača LM324: operačný zosilňovač v neinvertujúcej konfigurácii (štvrtý obrázok)

Použitím rovnice pre konfiguráciu neinvertujúceho zisku, Av = 1+R2/R1. Nastavením R1 na 10 KOhms a R2 na 1 MOhm získate zisk 100, čo je v rámci požadovanej špecifikácie. Aby robot dokázal detekovať obvodový drôt v rôznych orientáciách, je vhodnejšie mať na ňom nainštalovaných viac ako jeden snímač. Čím viac senzorov má robot, tým lepšie detekuje ohraničujúci vodič. V tomto návode a keďže LM324 je quad-op zosilňovač (to znamená, že jeden čip LM324 má 4 samostatné zosilňovače), použijeme na doske dva detekčné snímače. To znamená použiť dva LC obvody a každý bude mať 2 stupne zosilnenia. Preto je potrebný iba jeden čip LM324.

Krok 6: Schéma a prototypovanie

Ako sme diskutovali vyššie, schéma dosky snímača je celkom priamočiara. Skladá sa z 2 LC obvodov, jedného čipu LM324 a niekoľkých odporov 10KOhms a 1MOhms na nastavenie zosilnení zosilňovačov.

Tu je zoznam komponentov, ktoré môžete použiť:

• Rezistory R1, R3, R5, R7: 10KOhm
• Rezistory R2, R4, R6, R8: 1MOhm
• Kondenzátory C1, C2: 22nF
• IC: zosilňovač LM324N
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3-pólové záhlavie M / M
• Induktory 1, 2: 1 mH*

* Induktory 1 mH s prúdovým zaťažením 420 mA a faktorom Q 40 252 kHz by mali fungovať dobre. Do schémy sme pridali skrutkové svorky ako induktorové zvody, aby induktory (s vodičmi spájkovanými na vodiče) boli umiestnené na vhodné miesta robota. Potom budú vodiče (induktorov) pripojené k skrutkovým svorkám. Kolíky Out1 a Out2 je možné priamo pripojiť k analógovým vstupným kolíkom mikrokontroléra. Na pohodlnejšie pripojenie môžete použiť napríklad dosku Arduino UNO alebo, lepšie, ovládač BotBoarduino, ktorý má analógové piny rozdelené do radu 3 pinov (signál, VCC, GND) a je tiež kompatibilný s Arduino. Čip LM324 bude napájaný 5 V mikrokontroléra, preto sa analógový signál (detekovaná vlna) zo dosky snímača bude pohybovať od 0 V do 5 V v závislosti od vzdialenosti medzi induktorom a obvodovým vodičom. Čím bližšie je induktor k obvodovému vodiču, tým vyššia je amplitúda výstupnej vlny obvodu snímača. Takto by mal vyzerať obvod snímača na doske.

Krok 7: Výsledky

Ako vidíme na obrázkoch osciloskopu nižšie, detekovaná vlna na výstupe obvodu LC je zosilnená a nasýtená pri 5 V, keď je induktor 15 cm od obvodového vodiča.

Rovnako ako pre obvod generátora, aj pre dosku snímača sme navrhli pekný kompaktný plošný spoj s komponentmi s priechodnými otvormi s dvoma obvodmi nádrže, zosilňovačom a 2 analógovými výstupmi. Súbory nájdete v sekcii „Súbory“na konci tohto článku.

Krok 8: Kód Arduino

Kód Arduino, ktorý by ste mohli použiť pre generátor obvodového drôtu a snímač, je veľmi jednoduchý. Pretože výstupom dosky snímača sú dva analógové signály od 0 V do 5 V (jeden pre každý snímač/induktor), je možné použiť príklad AnalogRead Arduino. Stačí pripojiť dva výstupné piny dosky snímača k dvom analógovým vstupným kolíkom a prečítať príslušný kolík úpravou príkladu Arduino AnalogRead. Pri použití sériového monitora Arduino by ste pri priblížení induktora k obvodovému vodiču mali vidieť hodnotu RAW analógového kolíka, ktorý používate, od 0 do 1024.

Kód číta napätie na analogovom pine a zobrazuje ho.

int analogPin = A3; // stierač potenciometra (stredný terminál) pripojený k analógovému kolíku 3 // vonkajšie vodiče k zemi a +5V

int val = 0; // premenná na uloženie prečítanej hodnoty

neplatné nastavenie () {

Serial.begin (9600); // nastavenie seriálu

}

prázdna slučka () {

val = analogRead (analogPin); // prečítajte vstupný pin Serial.println (val); // hodnota ladenia