DIY omtrekdraadgenerator en sensor: 8 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:25

Draadleidingtegnologie word wyd in die bedryf gebruik, veral in pakhuise waar die hantering outomaties is. Die robotte volg 'n draadlus wat in die grond begrawe is. 'N Wisselstroom van relatief lae intensiteit en frekwensie tussen 5Kz en 40KHz vloei in hierdie draad. Die robot is toegerus met induktiewe sensors, gewoonlik gebaseer op 'n tenkbaan (met 'n resonansfrekwensie gelyk aan of naby die frekwensie van die gegenereerde golf) wat die intensiteit van die elektromagnetiese veld naby die grond meet. 'N Verwerkingsketting (versterking, filters, vergelyking) maak dit moontlik om die posisie van die robot binne die draad te bepaal. Deesdae word ook perimeter-/grensdraad gebruik om 'onsigbare heinings' te skep om troeteldiere binne werwe te hou, en robotmaaiers binne sones. LEGO gebruik ook dieselfde beginsel om voertuie langs paaie te lei sonder dat besoekers lyne sien.

Hierdie handleiding verduidelik op 'n maklike en intuïtiewe manier om u te help om die teorie, ontwerp en implementering te verstaan om u eie kragopwekker en sensor vir 'n omtrekdraad te maak. Die lêers (skemas, Eagle -lêers, Gerbers, 3D -lêers en Arduino -voorbeeldkode) kan ook afgelaai word. Op hierdie manier kan u die opsporingsfunksie van die draad by u gunsteling robot voeg en dit binne 'n 'sone' in werking stel.

Stap 1: GENERATOR

Teorie

Die omtrekdraadgeneratorbaan sal gebaseer wees op die bekende NE555 -timer. NE555 of meer algemeen 555 genoem, is 'n geïntegreerde stroombaan wat gebruik word vir die timer- of multivibrator -modus. Hierdie komponent word vandag nog gebruik as gevolg van sy gemak, lae koste en stabiliteit. Een biljoen eenhede word per jaar vervaardig. Vir ons kragopwekker gebruik ons die NE555 in Astable -konfigurasie. Die stabiele opset maak dit moontlik om die NE555 as 'n ossillator te gebruik. Twee weerstande en 'n kapasitor maak dit moontlik om die ossillasiefrekwensie sowel as die werksiklus te verander. Die rangskikking van die komponente is soos getoon in die skema hieronder. Die NE555 genereer 'n (growwe) vierkantgolf wat die lengte van die omtrekdraad kan loop. Met verwysing na die NE555-datablad vir die timer, is daar 'n monsterbaan sowel as die teorie van werking (8.3.2 A-stabiele werking). Texas Instruments is nie die enigste vervaardiger van NE555 IC's nie, dus moet u die handleiding nagaan as u 'n ander chip kies. Ons bied hierdie pragtige 555 timer -soldeerkit aan wat u die geleentheid bied om al die interne komponente van 'n 555 -timer in 'n deurgatingspakket te soldeer, sodat u die werking van hierdie stroombaan in detail kan verstaan.

Skematiese en prototipering

Die skematiese uiteensetting in die NE555-handleiding (8.3.2 A-stabiele werking-afdeling) is redelik volledig. 'N Paar ekstra komponente is bygevoeg en hieronder bespreek. (eerste prentjie)

Die formule wat gebruik word om die frekwensie van die uitset -vierkantgolf te bereken, is

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

Die frekwensiebereik van die gegenereerde vierkantgolf sal tussen 32Khz en 44KHz wees, wat 'n spesifieke frekwensie is wat nie met ander nabye toestelle moet inmeng nie. Hiervoor het ons Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms potensiometer en C = 1.2nF gekies. Die potensiometer sal ons help om die frekwensie van die vierkantsgolfuitset te verander om aan te pas by die resonansfrekwensie van die LC Tank -stroombaan wat later bespreek sal word. Die teoretiese laagste en hoogste waarde van die uitsetfrekwensie sal soos volg bereken word deur die formule (1): Laagste frekwensiewaarde: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

Hoogste frekwensiewaarde: fH = 1.44 / ((3.3+2*(12+0))*1.2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

Aangesien die potensiometer van 4,7KOhms nooit tot 0 of 4,7 kom nie, sal die uitvoerfrekwensiebereik wissel van ongeveer 33,5Khz tot 39Khz. Hier is die volledige skema van die kragopwekker. (tweede beeld)

Soos u in die skema kan sien, is 'n paar ekstra komponente bygevoeg en sal hieronder bespreek word. Hier is die volledige BOM:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (stroombeperkingsweerstand): 47 ohm (moet redelik groot wees om hitte af te dryf met 'n kragopbrengs van 2W behoort genoeg te wees)
• R4: 4,7 KOhm potensiometer
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF sal ook die werk doen)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm middelste positiewe vat-aansluiting (5-15V DC)
• J2: Skroefaansluiting (twee posisies)
• IC1: NE555 presisie -timer

Bykomende onderdele wat by die skema gevoeg is, sluit in 'n vataansluiting (J1) vir maklike verbinding met 'n muuradapter (12V) en 'n skroefaansluiting (12) om maklik aan die omtrekdraad te koppel. Omtrekdraad: Let op dat hoe langer die omtrekdraad, hoe meer die sein afbreek. Ons het die opstelling getoets met ongeveer 100 'van 22 gauge meerdraaddraad (vasgesteek in die grond in plaas van begrawe). Kragtoevoer: 'n 12V -muuradapter is ongelooflik algemeen, en enige huidige aanslag bo 500mA behoort goed te werk. U kan ook 'n 12V loodsuur of 11.1V LiPo kies om dit in die omhulsel te hou, maar wees versigtig om dit weerbestand te maak en af te skakel as dit nie gebruik word nie. Hier is 'n paar onderdele wat u benodig as u 'n kragopwekkerkring bou:

• 2.1mm Barrel Jack na terminal of hierdie 2.1mm Bar Jack Jack Adapter - versoenbaar met broodbord
• 400 bindpunt, deurmekaar, deursigtige, soldeerlose broodbord
• 65 x 22 meter geassorteerde trui
• DFRobot weerstandstel
• SparkFun kondensatorstel
• 12VDC 3A muuradapter kragtoevoer

Hier is hoe die kragopwekker op 'n broodbord moet lyk (derde prentjie)

Stap 2: Resultate

Soos getoon in die onderstaande ossilloskoop -skermkiekie van die uitset van die kragopwekker (geneem met die Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 kanale tablet -oscilloskoop), kan ons 'n (ruwe) vierkantgolf met 'n frekwensie van 36,41KHz en 'n amplitude van 11.8V (met 'n 12V -kragadapter). Die frekwensie kan effens verander word deur die R4 -potensiometer aan te pas.

'N Soldeerlose broodbord is selde 'n langtermynoplossing en word die beste gebruik om 'n vinnige prototipe te skep. Daarom, nadat ons bevestig het dat die kragopwekker werk soos dit moet, wat 'n vierkantgolf met 'n frekwensiebereik van 33,5Khz en 40KHz (veranderlik deur die R4-pot) genereer, het ons slegs 'n PCB (24mmx34mm) ontwerp met PTH (deurlaatgat)) komponente om dit 'n mooi klein vierkantgolfgeneratorbord te maak. Aangesien komponente vir deurlopende gate gebruik is vir prototipe met 'n broodbord, kan die PCB ook deur-gatkomponente gebruik (in plaas van oppervlakmontering), en maak dit maklik om met die hand te soldeer. Die plasing van die komponente is nie presies nie, en u kan waarskynlik ruimte vind vir verbetering. Ons het die Eagle- en Gerber -lêers beskikbaar gestel om af te laai, sodat u u eie PCB kan maak. Lêers kan gevind word in die afdeling "lêers" aan die einde van hierdie artikel. Hier is 'n paar wenke by die ontwerp van u eie bord: Hou die vatverbinding en skroefaansluiting aan dieselfde kant van die bord Plaas die komponente relatief naby mekaar en verminder spore/lengtes. reproduseer reghoek.

Stap 3: Draadinstallasie

So, hoe om die draad te installeer? In plaas daarvan om dit te begrawe, is dit die maklikste om penne te gebruik om dit op hul plek te hou. U kan alles gebruik wat u wil om die draad op sy plek te hou, maar plastiek werk die beste. 'N Pakket van 50 penne wat vir robot -grassnyers gebruik word, is gewoonlik goedkoop. As u die draad lê, moet u albei ente op dieselfde plek ontmoet om via die skroefaansluiting aan die generatorbord te koppel.

Stap 4: Weerstand

Aangesien die stelsel heel moontlik buite gelaat word om buite gebruik te word. Die omtrekdraad benodig 'n weerbestande laag, en die kragopwekker self is in 'n waterdigte omhulsel. U kan hierdie koel omhulsel gebruik om die kragopwekker teen reën te beskerm. Nie alle draad is gelyk gemaak nie. As u van plan is om die draad uit te laat, belê dan in die korrekte draad, byvoorbeeld, hierdie Robomow 300 'perimeter wire shielding wat nie UV / waterbestand is nie, sal mettertyd vinnig agteruitgaan en bros word.

Stap 5: Sensor

Teorie

Noudat ons die kragopwekkerbaan gebou het en seker maak dat dit werk soos dit veronderstel is, is dit tyd om te begin dink oor hoe u die sein deur die draad kan opspoor. Hiervoor nooi ons u uit om te lees oor die LC Circuit, ook genoem Tank Circuit of Tuned Circuit. 'N LC -stroombaan is 'n elektriese stroombaan wat gebaseer is op 'n induktor/spoel (L) en 'n kapasitor (C) wat parallel gekoppel is. Hierdie stroombaan word gebruik in filters, tuners en frekwensie -mengers. Gevolglik word dit algemeen gebruik in draadlose uitsendings vir beide uitsendings en ontvangs. Ons gaan nie in op die teoretiese besonderhede rakende LC -kringe nie, maar die belangrikste ding om in gedagte te hou om die sensorkring wat in hierdie artikel gebruik word, te verstaan, is die formule vir die berekening van die resonansfrekwensie van 'n LC -stroombaan, soos volg:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Waar L die induktanswaarde van die spoel in H (Henry) is en C die kapasitansiewaarde van die kapasitor in F (Farads) is. Vir die sensor om die 34kHz-40Khz sein wat in die draad loop, op te spoor, moet die tenkbaan wat ons gebruik het, die resonansie frekwensie in hierdie reeks hê. Ons het L = 1mH en C = 22nF gekies om 'n resonansfrekwensie van 33 932Hz te verkry, bereken volgens die formule (2). Die amplitude van die sein wat deur ons tenkstroombaan opgespoor word, sal relatief klein wees (maksimum 80mV wanneer ons ons sensorkring getoets het) as die induktor ongeveer 10 cm van die draad af is, daarom sal dit versterking nodig wees. Om dit te kan doen, het ons die gewilde LM324 Op-Amp-versterker gebruik om die sein met 'n versterking van 100 te versterk in 'n nie-omkerende opsetversterking van 2 fases om seker te maak dat u 'n mooi leesbare analoog sein op 'n groter afstand as 10cm in die uitset van die sensor. Hierdie artikel bied nuttige inligting oor Op-Amps in die algemeen. U kan ook die datablad van die LM324 kyk. Hier is 'n tipiese stroombaanskema van 'n LM324-versterker: Op-Amp in 'n nie-omkerende opset (vierde prent)

Deur die vergelyking te gebruik vir 'n nie-omkeerversterkingskonfigurasie, Av = 1+R2/R1. As u die R1 tot 10KOhms en R2 tot 1MOhms stel, kry u 'n wins van 100, wat binne die gewenste spesifikasie is. Om die robot die omtrekdraad in verskillende rigtings te kan opspoor, is dit meer gepas om meer as een sensor daarop te laat installeer. Hoe meer sensors op die robot, hoe beter sal dit die grensdraad opspoor. Aangesien hierdie LM324 'n quad-op-versterker is vir hierdie tutoriaal (dit beteken dat een LM324-chip 4 afsonderlike versterkers het), gebruik ons twee detectiesensors op die bord. Dit beteken dat twee LC -stroombane gebruik word, en elkeen het twee stadiums van versterking. Daarom is net een LM324 -skyfie nodig.

Stap 6: Skematiese en prototipering

Soos ons hierbo bespreek het, is die skema vir die sensorbord redelik eenvoudig. Dit bestaan uit 2 LC -stroombane, een LM324 -chip en 'n paar 10KOhms- en 1MOhms -weerstande om die wins van die versterkers te bepaal.

Hier is 'n lys van die komponente wat u kan gebruik:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm weerstande
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm weerstande
• C1, C2: 22nF -kondensators
• IC: LM324N versterker
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3-pins M / M-koppe
• Induktors 1, 2: 1mH*

* 1mH -induktors met 'n stroomwaarde van 420mA en 'n Q -faktor van 40 252 kHz behoort goed te werk. Ons het skroefaansluitings bygevoeg as induktorsleidings by die skema sodat die induktors (met leidings aan drade gesoldeer) op gunstige plekke op die robot geplaas kan word. Dan word die drade (van die induktors) aan die skroefaansluitings gekoppel. Out1- en Out2 -penne kan direk aan die analoog -invoerpenne van 'n mikrobeheerder gekoppel word. U kan byvoorbeeld 'n Arduino UNO Board of, beter nog, 'n BotBoarduino Controller gebruik vir 'n geriefliker verbinding, aangesien dit analoog penne in 'n ry van 3 penne (Signal, VCC, GND) uitbreek en dit is ook Arduino versoenbaar. Die LM324 -skyfie word deur die 5V van die mikrokontroleerder aangedryf, daarom sal die analoog sein (gedetekteerde golf) van die sensorbord wissel tussen 0V en 5V, afhangende van die afstand tussen die induktor en die omtrekdraad. Hoe nader die induktor aan die omtrekdraad is, hoe hoër is die amplitude van die sensorstroomuitsetgolf. Hier is hoe die sensorkring op 'n broodbord moet lyk.

Stap 7: Resultate

Soos ons in die onderstaande skermkiekies van die ossilloskoop kan sien, word die gedetecteerde golf by die uitset van die LC -stroombaan versterk en versadig by 5V wanneer die induktor 15 cm van die omtrekdraad af is.

Net soos met die kragopwekker, het ons 'n mooi, kompakte print met ontwerpte komponente vir die sensorbord ontwerp met twee tenkbane, 'n versterker en 2 analoog uitsette. Lêers kan gevind word in die afdeling "lêers" aan die einde van hierdie artikel.

Stap 8: Arduino -kode

Die Arduino -kode wat u vir u omtrekdraadgenerator en die sensor kan gebruik, is baie eenvoudig. Aangesien die uitset van die sensorbord twee analoog seine is wat wissel van 0V tot 5V (een vir elke sensor/induktor), kan die AnalogRead Arduino -voorbeeld gebruik word. Koppel net die twee uitvoerpenne van die sensorbord aan twee analoog -invoerpenne en lees die toepaslike pen deur die Arduino AnalogRead -voorbeeld te verander. As u die Arduino -seriële monitor gebruik, moet u 'n RAW -waarde van die analoog pen wat u gebruik, wissel van 0 tot 1024, terwyl u die induktor na die omtrekdraad nader.

Die kode lees die spanning op analogPin en wys dit.

int analogPin = A3; // potensiometerveër (middelste aansluiting) gekoppel aan analoog pen 3 // buitekant lei na grond en +5V

int val = 0; // veranderlike om die geleesde waarde op te slaan

ongeldige opstelling () {

Serial.begin (9600); // opstel reeks

}

leemte -lus () {

val = analogRead (analogPin); // lees die invoerpen Serial.println (val); // ontfoutingswaarde