DIY generátor obvodového drátu a senzor: 8 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Technologie navádění drátu je široce používána v průmyslu, zejména ve skladech, kde je manipulace automatizována. Roboti sledují drátěnou smyčku zakopanou v zemi. V tomto vodiči proudí střídavý proud relativně nízké intenzity a frekvence mezi 5Kz a 40KHz. Robot je vybaven indukčními senzory, obvykle založenými na obvodu nádrže (s rezonanční frekvencí stejnou nebo blízkou frekvenci generované vlny), která měří intenzitu elektromagnetického pole blízko země. Procesní řetězec (zesílení, filtry, srovnání) umožňuje určit polohu robota uvnitř drátu. V dnešní době se obvodový/ohraničující drát používá také k vytváření „neviditelných plotů“, které udržují domácí zvířata ve dvoře a robotické sekačky v zónách. LEGO také používá stejný princip k vedení vozidel po silnicích, aniž by návštěvníci viděli jakékoli čáry.

Tento tutoriál vysvětluje snadným a intuitivním způsobem, který vám pomůže porozumět teorii, návrhu a implementaci a vytvořit si vlastní generátor a senzor pro obvodový drát. Soubory (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files a Arduino Sample Code) jsou také k dispozici ke stažení. Tímto způsobem můžete do svého oblíbeného robota přidat funkci detekce obvodu drátu a ponechat ji v provozní „zóně“.

Krok 1: GENERÁTOR

Teorie

Obvod generátoru obvodového drátu bude založen na známém časovači NE555. NE555 nebo více běžně nazývaný 555 je integrovaný obvod používaný pro režim časovače nebo multivibrátoru. Tato komponenta se dodnes používá kvůli snadnému použití, nízkým nákladům a stabilitě. Ročně se vyrobí jedna miliarda kusů. Pro náš generátor použijeme NE555 v konfiguraci Astable. Stabilní konfigurace umožňuje použití NE555 jako oscilátoru. Dva odpory a kondenzátor umožňují upravit frekvenci oscilací i pracovní cyklus. Uspořádání komponent je uvedeno ve schématu níže. NE555 Generuje (hrubou) čtvercovou vlnu, která může procházet po délce obvodového drátu. S odkazem na datový list NE555 pro časovač existuje ukázkový obvod a také teorie provozu (8.3.2 A-stabilní provoz). Texas Instruments není jediným výrobcem integrovaných obvodů NE555, takže pokud si vyberete jiný čip, podívejte se do jeho příručky. Nabízíme tuto pěknou pájecí soupravu 555 s časovačem, která vám poskytne příležitost pájet všechny vnitřní součásti časovače 555 v průchozím balení, což vám umožní podrobně porozumět fungování tohoto obvodu.

Schéma a prototypování

Schéma uvedené v příručce NE555 (část 8.3.2 A-stabilní provoz) je poměrně úplné. Bylo přidáno několik dalších komponent a diskutováno níže. (první obrázek)

Vzorec použitý pro výpočet frekvence výstupní čtvercové vlny je

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

Frekvenční rozsah generované čtvercové vlny bude mezi 32 kHz a 44 kHz, což je specifická frekvence, která by neměla rušit jiná blízká zařízení. K tomu jsme vybrali Ra = 3,3 KOhms, Rb = 12 KOhm + 4,7 KOhms potenciometr a C = 1,2 nF. Potenciometr nám pomůže měnit frekvenci výstupu se čtvercovou vlnou tak, aby odpovídala rezonanční frekvenci obvodu LC Tank, o které bude řeč později. Teoreticky nejnižší a nejvyšší hodnota výstupní frekvence bude následující vypočtená podle vzorce (1): Nejnižší hodnota frekvence: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698 Hz

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

Protože potenciometr 4,7 KOhms se nikdy nedostane na 0 nebo 4,7, rozsah výstupního kmitočtu se bude pohybovat od přibližně 33,5 kHz do 39 kHz. Zde je kompletní schéma obvodu generátoru. (druhý obrázek)

Jak vidíte na schématu, bylo přidáno několik dalších komponent, které budou diskutovány níže. Zde je kompletní kusovník:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (odpor omezující proud): 47 ohmů (musí být dostatečně velký, aby odváděl teplo s výkonem 2 W by měl stačit)
• R4: Potenciometr 4,7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1,2 nF (1000 pF také provede tuto práci)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm středový kladný konektor (5-15 V DC)
• J2: Šroubový terminál (dvě polohy)
• Přesný časovač IC1: NE555

Mezi další součásti přidané do schématu patří konektor A (J1) pro snadné připojení k nástěnnému adaptéru (12V) a šroubová svorka (12) pro pohodlné připojení k obvodovému vodiči. Obvodový vodič: Všimněte si, že čím delší je obvodový vodič, tím více se signál degraduje. Testovali jsme sestavu zhruba 100 'vícepramenného drátu 22 (zapojeného do země na rozdíl od zakopaného). Napájení: 12 V nástěnný adaptér je neuvěřitelně běžný a jakýkoli proud nad 500 mA by měl fungovat dobře. Můžete si také vybrat 12V olověnou kyselinu nebo 11,1V LiPo, abyste ji udrželi v pouzdře, ale nezapomeňte ji chránit před povětrnostními vlivy a vypnout, když ji nepoužíváte. Zde nabízíme některé části, které byste mohli potřebovat při stavbě obvodu generátoru:

• 2,1 mm hlavní konektor na terminál nebo tento 2,1 mm adaptér hlavně - kompatibilní s Breadboard
• 400 spojovacích bodů, propojovací transparentní pájecí deska bez pájení
• Různé propojovací vodiče 65 x 22 Gauge
• Sada odporu DFRobot
• Souprava kondenzátoru SparkFun
• Napájecí adaptér na stěnu 12V DC 3A

Takto by měl vypadat obvod generátoru na prkénku (třetí obrázek)

Krok 2: Výsledky

Jak ukazuje níže uvedený snímek osciloskopu výstupu obvodu generátoru (pořízený tabletovým osciloskopem Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 kanály), můžeme vidět (hrubou) čtvercovou vlnu s frekvencí 36,41 kHz a amplitudou 11,8 V (pomocí napájecího adaptéru 12 V). Kmitočet lze mírně měnit nastavením potenciometru R4.

Pájka bez pájky je zřídkakdy dlouhodobým řešením a nejlépe se používá k vytvoření rychlého prototypu. Proto jsme po potvrzení, že obvod generátoru funguje tak, jak má, generující čtvercovou vlnu s frekvenčním rozsahem 33,5 kHz a 40 kHz (variabilní prostřednictvím potenciometru R4), navrhli desku plošných spojů (24 mm x 34 mm) pouze s PTH (prokládaná díra)) komponenty, aby to byla pěkná malá deska generátoru čtvercových vln. Vzhledem k tomu, že pro prototypování s prkénkem byly použity součásti s průchozími otvory, deska plošných spojů mohla také používat součásti s průchozími otvory (namísto povrchové montáže) a umožňuje snadné ruční pájení. Umístění součástí není přesné a pravděpodobně najdete prostor pro zlepšení. Soubory Eagle a Gerber jsme zpřístupnili ke stažení, abyste si mohli vytvořit vlastní desku plošných spojů. Soubory najdete v sekci "Soubory" na konci tohoto článku. Zde je několik tipů při navrhování vaší vlastní desky: Mít konektor s válcovou hlavou a šroubový terminál na stejné straně desky Umístěte komponenty relativně blízko sebe a minimalizujte stopy/délky Nechte montážní otvory mít standardní průměr a umístěte je snadno reprodukovat obdélník.

Krok 3: Instalace drátu

Jak tedy vodič nainstalovat? Spíše než jej pohřbít, je nejjednodušší jednoduše použít kolíky, aby jej udržely na svém místě. Můžete použít cokoli, co chcete, aby držel na svém místě, ale plast funguje nejlépe. Balíček 50 kolíků použitých pro robotické sekačky bývá levný. Při pokládání drátu zajistěte, aby se oba konce setkaly na stejném místě, abyste se mohli připojit k desce generátoru pomocí šroubové svorky.

Krok 4: Odolnost proti povětrnostním vlivům

Protože systém bude s největší pravděpodobností ponechán venku pro použití venku. Obvodový vodič potřebuje povlak odolný vůči povětrnostním vlivům a samotný obvod generátoru je umístěn ve vodotěsném pouzdře. Tento chladný kryt můžete použít k ochraně generátoru před deštěm. Ne všechny vodiče jsou vytvořeny stejné. Pokud plánujete drát vynechat, nezapomeňte investovat do správného drátu, například toto Robomow 300 'obvodové stínění drátu, které není odolné vůči UV / vodě, se časem rychle rozloží a stane se křehkým.

Krok 5: Senzor

Teorie

Nyní, když jsme postavili obvod generátoru a ujistili se, že funguje tak, jak měl, je na čase začít přemýšlet o tom, jak detekovat signál procházející vodičem. Z tohoto důvodu vás zveme, abyste si přečetli o LC obvodu, nazývaném také Tank Circuit nebo Tuned Circuit. Obvod LC je elektrický obvod založený na paralelně zapojeném induktoru/cívce (L) a kondenzátoru (C). Tento obvod se používá ve filtrech, tunerech a frekvenčních mixérech. V důsledku toho se běžně používá v bezdrátových přenosových přenosech pro vysílání i příjem. Nebudeme jít do teoretických podrobností týkajících se LC obvodů, ale nejdůležitější věc, kterou je třeba mít na paměti pro pochopení obvodu snímače použitého v tomto článku, by byl vzorec pro výpočet rezonanční frekvence LC obvodu, který vypadá takto:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Kde L je hodnota indukčnosti cívky v H (Henry) a C je hodnota kapacity kondenzátoru ve F (Farads). Aby snímač detekoval signál 34 kHz-40 kHz, který běží do drátu, obvod nádrže, který jsme použili, by měl mít rezonanční frekvenci v tomto rozsahu. Pro získání rezonanční frekvence 33 932 Hz vypočtené podle vzorce (2) jsme zvolili L = 1 mH a C = 22 nF. Amplituda signálu detekovaného naším obvodem nádrže bude relativně malá (maximálně 80 mV, když jsme testovali náš senzorový obvod), když je induktor asi 10 cm od drátu, proto bude potřebovat určité zesílení. K tomu jsme použili populární zesilovač LM324 Op-Amp k zesílení signálu se ziskem 100 v neinvertující konfiguraci 2stupňové zesílení, abychom zajistili získání dobře čitelného analogového signálu na větší vzdálenost než 10 cm v výstup snímače. Tento článek poskytuje užitečné informace o operačních zesilovačích obecně. Také se můžete podívat na datový list LM324. Zde je typické schéma zapojení zesilovače LM324: Op-Amp v neinvertující konfiguraci (čtvrtý obrázek)

Pomocí rovnice pro konfiguraci neinvertujícího zisku, Av = 1+R2/R1. Nastavením R1 na 10 KOhms a R2 na 1 MOhms získáte zisk 100, což je v rámci požadované specifikace. Aby mohl robot detekovat obvodový drát v různých orientacích, je vhodnější mít na sobě nainstalován více než jeden senzor. Čím více senzorů na robotu bude, tím lépe detekuje ohraničující vodič. Pro tento tutoriál, a protože LM324 je quad-op zesilovač (to znamená, že jeden čip LM324 má 4 samostatné zesilovače), použijeme na desce dva detekční senzory. To znamená použít dva LC obvody a každý bude mít 2 stupně zesílení. Proto je potřeba pouze jeden čip LM324.

Krok 6: Schéma a prototypování

Jak jsme diskutovali výše, schéma desky senzoru je docela přímočaré. Skládá se ze 2 LC obvodů, jednoho čipu LM324 a několika odporů 10 KOhmů a 1 MOhm k nastavení zisků zesilovačů.

Zde je seznam komponent, které můžete použít:

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

* Induktory 1 mH s proudovým hodnocením 420 mA a faktorem Q 40 252 kHz by měly fungovat dobře. Do schématu jsme přidali šroubové svorky jako induktorové vývody, aby mohly být induktory (s vodiči připájenými k vodičům) umístěny na vhodných místech robota. Poté budou vodiče (induktorů) připojeny ke šroubovým svorkám. Piny Out1 a Out2 lze přímo připojit k analogovým vstupním pinům mikrokontroléru. Můžete například použít desku Arduino UNO nebo lépe BotBoarduino Controller pro pohodlnější připojení, protože má analogové piny rozdělené do řady 3 pinů (Signal, VCC, GND) a je také kompatibilní s Arduino. Čip LM324 bude napájen 5V mikrokontroléru, proto se analogový signál (detekovaná vlna) z desky senzoru bude pohybovat mezi 0V a 5V v závislosti na vzdálenosti mezi induktorem a obvodovým vodičem. Čím blíže je induktor k obvodovému vodiči, tím vyšší je amplituda výstupní vlny obvodu snímače. Zde by měl vypadat obvod snímače na prkénku.

Krok 7: Výsledky

Jak vidíme na níže uvedených snímcích osciloskopu, detekovaná vlna na výstupu LC obvodu je zesílena a nasycuje se při 5 V, když je induktor 15 cm od obvodového vodiče.

Stejně jako u obvodu generátoru jsme pro desku senzoru navrhli pěkný kompaktní PCB s průchozími součástkami se dvěma obvody nádrže, zesilovačem a 2 analogovými výstupy. Soubory najdete v sekci "Soubory" na konci tohoto článku.

Krok 8: Arduino kód

Kód Arduino, který byste mohli použít pro generátor obvodového drátu a senzor, je velmi jednoduchý. Protože výstupem desky senzoru jsou dva analogové signály v rozmezí od 0 V do 5 V (jeden pro každý senzor/induktor), lze použít příklad AnalogRead Arduino. Stačí připojit dva výstupní piny desky senzoru ke dvěma analogovým vstupním pinům a přečíst příslušný pin úpravou příkladu Arduino AnalogRead. Pomocí sériového monitoru Arduino byste měli vidět hodnotu RAW analogového pinu, který používáte, od 0 do 1024, když se přiblížíte k induktoru k obvodovému vodiči.

Kód čte napětí na analogovém pinu a zobrazuje ho.

int analogPin = A3; // stěrač potenciometru (střední svorka) připojený k analogovému kolíku 3 // vnější vodiče k zemi a +5V

int val = 0; // proměnná pro uložení načtené hodnoty

neplatné nastavení () {

Serial.begin (9600); // nastavení seriálu

}

prázdná smyčka () {

val = analogRead (analogPin); // přečtěte si vstupní pin Serial.println (val); // hodnota ladění