DIY Generator i czujnik przewodu obwodowego: 8 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Technologia prowadzenia przewodowego jest szeroko stosowana w przemyśle, zwłaszcza w magazynach, w których obsługa jest zautomatyzowana. Roboty podążają za pętlą przewodów zakopaną w ziemi. W przewodzie tym płynie prąd przemienny o stosunkowo niskim natężeniu i częstotliwości pomiędzy 5Kz a 40KHz. Robot wyposażony jest w czujniki indukcyjne, zwykle oparte na obwodzie zbiornika (o częstotliwości rezonansowej równej lub zbliżonej do częstotliwości generowanej fali), który mierzy natężenie pola elektromagnetycznego blisko ziemi. Łańcuch przetwarzania (wzmocnienie, filtry, porównanie) umożliwia określenie położenia robota w obrębie drutu. W dzisiejszych czasach drut obwodowy / graniczny jest również używany do tworzenia „niewidzialnych ogrodzeń” w celu utrzymania zwierząt na podwórkach i robotów do koszenia trawników w strefach. LEGO stosuje tę samą zasadę, aby prowadzić pojazdy po drogach, tak aby odwiedzający nie widzieli żadnych linii.

Ten samouczek wyjaśnia w prosty i intuicyjny sposób, aby pomóc Ci zrozumieć teorię, projekt i implementację tworzenia własnego generatora i czujnika do przewodu obwodowego. Pliki (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files i Arduino Sample Code) są również dostępne do pobrania. W ten sposób możesz dodać funkcję wykrywania obwodu przewodu do swojego ulubionego robota i trzymać go w „strefie” działania.

Krok 1: GENERATOR

Teoria

Obwód generatora przewodu obwodowego będzie oparty na słynnym zegarze NE555. NE555 lub częściej nazywany 555 to układ scalony używany w trybie timera lub multiwibratora. Ten komponent jest nadal używany ze względu na łatwość użycia, niski koszt i stabilność. Rocznie produkowanych jest miliard sztuk. Dla naszego generatora użyjemy NE555 w konfiguracji Astable. Stabilna konfiguracja pozwala na wykorzystanie NE555 jako oscylatora. Dwa rezystory i kondensator umożliwiają modyfikację częstotliwości drgań oraz współczynnika wypełnienia. Rozmieszczenie komponentów pokazano na poniższym schemacie. NE555 Generuje (szorstką) falę prostokątną, która może przebiegać przez długość przewodu obwodowego. Odnosząc się do arkusza danych NE555 dla timera, jest przykładowy obwód, a także teoria działania (8.3.2 A-stabilna praca). Texas Instruments nie jest jedynym producentem układów scalonych NE555, więc jeśli wybierzesz inny układ, koniecznie zapoznaj się z jego instrukcją. Oferujemy ten ładny zestaw lutowniczy 555 Timer, który daje możliwość przylutowania wszystkich wewnętrznych elementów timera 555 w pakiecie z otworami przelotowymi, aby umożliwić szczegółowe zrozumienie działania tego obwodu.

Schemat i prototypowanie

Schemat przedstawiony w instrukcji NE555 (8.3.2 Sekcja obsługi stabilnej A) jest dość kompletny. Kilka dodatkowych komponentów zostało dodanych i omówionych poniżej. (pierwszy obraz)

Wzór używany do obliczenia częstotliwości wyjściowej fali prostokątnej to

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

Zakres częstotliwości generowanej fali prostokątnej będzie wynosić od 32 kHz do 44 kHz, co jest określoną częstotliwością, która nie powinna zakłócać pracy innych urządzeń znajdujących się w pobliżu. W tym celu wybraliśmy potencjometr Ra = 3,3 KOhms, Rb = 12KOhms + 4,7KOhms oraz C = 1,2nF. Potencjometr pomoże nam zmienić częstotliwość wyjściowej fali prostokątnej, aby dopasować częstotliwość rezonansową obwodu LC Tank, który zostanie omówiony później. Teoretyczna najniższa i najwyższa wartość częstotliwości wyjściowej będzie obliczona według wzoru (1): Najniższa wartość częstotliwości: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4.7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

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

Ponieważ potencjometr 4,7 KΩ nigdy nie osiąga wartości 0 lub 4,7, zakres częstotliwości wyjściowej będzie się wahał od około 33,5 kHz do 39 kHz. Oto kompletny schemat obwodu generatora. (drugi obraz)

Jak widać na schemacie, dodano kilka dodatkowych komponentów, które zostaną omówione poniżej. Oto kompletny BOM:

• R1: 3,3 kiloomów
• R2: 12 kiloomów
• R3 (Rezystor ograniczający prąd): 47 omów (musi być dość duży, aby rozproszyć ciepło, przy mocy znamionowej 2 W powinien wystarczyć)
• R4: potencjometr 4,7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1,2 nF (1000 pF również się sprawdzi)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm środkowe dodatnie złącze lufy (5-15 V DC)
• J2: Zacisk śrubowy (dwie pozycje)
• IC1: precyzyjny zegar NE555

Dodatkowe części dodane do schematu obejmują gniazdo baryłkowe (J1) do łatwego podłączenia do adaptera ściennego (12V) i zacisk śrubowy (12) do wygodnego podłączenia do przewodu obwodowego. Przewód obwodowy: Należy pamiętać, że im dłuższy przewód obwodowy, tym bardziej pogarsza się sygnał. Przetestowaliśmy konfigurację z około 100 stopami wielożyłowego drutu o średnicy 22 mm (przyczepionego do ziemi, a nie zakopanego). Zasilanie: Zasilacz ścienny 12 V jest niezwykle powszechny, a każdy prąd o wartości powyżej 500 mA powinien działać dobrze. Możesz również wybrać 12V kwasowo-ołowiowy lub 11,1V LiPo, aby trzymać go w obudowie, ale pamiętaj, aby zabezpieczyć go przed warunkami atmosferycznymi i wyłączyć, gdy nie jest używany. Oto niektóre oferowane przez nas części, które mogą być potrzebne podczas budowy obwodu generatora:

• Gniazdo 2,1 mm do gniazda lub adapter gniazda 2,1 mm - kompatybilny z płytą do krojenia chleba
• 400 Tie Point Interlocking Przezroczysta bezlutowa płyta do krojenia chleba
• Różne przewody połączeniowe o wymiarach 65 x 22
• Zestaw rezystora DFRobot
• Zestaw kondensatorów SparkFun
• Zasilacz sieciowy 12VDC 3A

Oto jak powinien wyglądać obwód generatora na płytce stykowej (trzeci obraz)

Krok 2: Wyniki

Jak pokazano na poniższym zrzucie ekranu oscyloskopu wyjściowego obwodu generatora (wykonanego za pomocą oscyloskopu tabletu Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels), widzimy (przybliżoną) falę prostokątną o częstotliwości 36,41 kHz i amplitudzie 11,8 V (przy użyciu zasilacza 12 V). Częstotliwość można nieznacznie zmieniać, regulując potencjometr R4.

Płytka stykowa bez lutowania rzadko jest rozwiązaniem długoterminowym i najlepiej nadaje się do tworzenia szybkiego prototypu. Dlatego po upewnieniu się, że obwód generatora działa tak, jak powinien, generując falę prostokątną z zakresem częstotliwości 33,5 kHz i 40 kHz (zmienna poprzez potencjometr R4), zaprojektowaliśmy płytkę PCB (24mmx34mm) tylko z PTH (Plated-through Hole).) komponenty, dzięki którym jest to ładna mała płytka generatora fali prostokątnej. Ponieważ do prototypowania z płytką stykową zastosowano elementy przewlekane, płytka drukowana może również wykorzystywać elementy przewlekane (zamiast montażu powierzchniowego) i umożliwia łatwe lutowanie ręczne. Rozmieszczenie komponentów nie jest dokładne i prawdopodobnie można znaleźć miejsce na ulepszenia. Udostępniliśmy pliki Eagle i Gerber do pobrania, abyś mógł stworzyć własną płytkę drukowaną. Pliki można znaleźć w sekcji „Pliki” na końcu tego artykułu. Oto kilka wskazówek dotyczących projektowania własnej płytki: Miej złącze baryłkowe i zacisk śrubowy po tej samej stronie płytki Umieść komponenty stosunkowo blisko siebie i zminimalizuj ślady/długości Otwory montażowe mają standardową średnicę i odtworzyć prostokąt.

Krok 3: Instalacja przewodu

Jak więc zainstalować drut? Zamiast zakopywać go, najłatwiej jest po prostu użyć kołków, aby utrzymać go na miejscu. Możesz użyć wszystkiego, co chcesz, aby utrzymać drut na miejscu, ale plastik działa najlepiej. Opakowanie 50 kołków używanych do kosiarek automatycznych jest zazwyczaj niedrogie. Podczas układania przewodu upewnij się, że oba końce stykają się w tym samym miejscu, aby połączyć się z płytą generatora przez zacisk śrubowy.

Krok 4: Odporność na warunki atmosferyczne

Ponieważ system najprawdopodobniej zostanie pozostawiony na zewnątrz do użytku na zewnątrz. Przewód obwodowy wymaga powłoki odpornej na warunki atmosferyczne, a sam obwód generatora jest umieszczony w wodoszczelnej obudowie. Możesz użyć tej fajnej obudowy, aby chronić generator przed deszczem. Nie wszystkie przewody są sobie równe. Jeśli planujesz pominąć przewód, zainwestuj w odpowiedni przewód, na przykład osłona przewodu obwodowego Robomow 300', która nie jest odporna na promieniowanie UV / wodę, z czasem szybko się degraduje i staje się krucha.

Krok 5: Czujnik

Teoria

Teraz, gdy zbudowaliśmy obwód generatora i upewniliśmy się, że działa tak, jak powinien, nadszedł czas, aby zacząć myśleć o tym, jak wykryć sygnał przechodzący przez przewód. W tym celu zapraszamy do zapoznania się z Obwodem LC, zwanym również Obwodem Zbiornika lub Obwodem Tuned. Obwód LC to obwód elektryczny oparty na cewce indukcyjnej (L) i kondensatorze (C) połączonych równolegle. Ten obwód jest używany w filtrach, tunerach i mikserach częstotliwości. W związku z tym jest powszechnie stosowany w bezprzewodowych transmisjach rozgłoszeniowych zarówno do nadawania, jak i odbioru. Nie będziemy wchodzić w szczegóły teoretyczne dotyczące obwodów LC, ale najważniejszą rzeczą, o której należy pamiętać, aby zrozumieć obwód czujnika użyty w tym artykule, będzie wzór na obliczenie częstotliwości rezonansowej obwodu LC, który wygląda następująco:

f0 = 1/(2*π*√(L*C))

Gdzie L jest wartością indukcyjności cewki w H (Henry), a C jest wartością pojemności kondensatora w F (Farad). Aby czujnik wykrył sygnał 34kHz-40Khz, który biegnie do przewodu, zastosowany obwód rezonansowy powinien mieć częstotliwość rezonansową w tym zakresie. Wybraliśmy L = 1mH i C = 22nF, aby uzyskać częstotliwość rezonansową 33 932 Hz obliczoną ze wzoru (2). Amplituda sygnału wykrytego przez nasz obwód zbiornika będzie stosunkowo mała (maksymalnie 80mV, gdy testowaliśmy nasz obwód czujnika), gdy cewka znajduje się około 10 cm od przewodu, dlatego będzie wymagała pewnego wzmocnienia. W tym celu użyliśmy popularnego wzmacniacza operacyjnego LM324 do wzmocnienia sygnału ze wzmocnieniem 100 w konfiguracji nieodwracającej 2 stopniowe wzmocnienie, aby zapewnić uzyskanie ładnie czytelnego sygnału analogowego z odległości większej niż 10 cm w wyjście czujnika. Ten artykuł zawiera ogólne przydatne informacje na temat wzmacniaczy operacyjnych. Możesz także rzucić okiem na arkusz danych LM324. Oto typowy schemat obwodu wzmacniacza LM324: Op-Amp w konfiguracji nieodwracającej (zdjęcie czwarte)

Używając równania dla nieodwracającej konfiguracji wzmocnienia, Av = 1+R2/R1. Ustawienie R1 na 10 kOhm i R2 na 1 MOhm zapewni wzmocnienie 100, które mieści się w pożądanej specyfikacji. Aby robot mógł wykrywać przewód obwodowy w różnych orientacjach, lepiej jest zainstalować na nim więcej niż jeden czujnik. Im więcej czujników na robocie, tym lepiej wykryje on przewód graniczny. W tym samouczku, a ponieważ LM324 jest wzmacniaczem quad-op (oznacza to, że jeden układ LM324 ma 4 oddzielne wzmacniacze), będziemy używać dwóch czujników wykrywających na płycie. Oznacza to użycie dwóch obwodów LC, z których każdy będzie miał 2 stopnie wzmocnienia. Dlatego potrzebny jest tylko jeden układ LM324.

Krok 6: Schemat i prototypowanie

Jak omówiliśmy powyżej, schemat płytki czujnika jest dość prosty. Składa się z 2 obwodów LC, jednego układu LM324 i kilku rezystorów 10KOhm i 1MOhm do ustawienia wzmocnienia wzmacniaczy.

Oto lista komponentów, których możesz użyć:

• R1, R3, R5, R7: Rezystory 10KOhm
• R2, R4, R6, R8: Rezystory 1MOhm
• C1, C2: 22nF Kondensatory
• IC: wzmacniacz LM324N
• JP3 / JP4: 3-stykowe złącza M/M 2,54 mm
• Induktory 1, 2: 1mH*

* Cewki indukcyjne 1mH o prądzie znamionowym 420mA i współczynniku Q 40252kHz powinny działać dobrze. Do schematu dodaliśmy zaciski śrubowe jako przewody indukcyjne, aby cewki indukcyjne (z przewodami przylutowanymi do przewodów) były umieszczone w dogodnych miejscach na robocie. Następnie przewody (cewek indukcyjnych) zostaną podłączone do zacisków śrubowych. Piny Out1 i Out2 mogą być bezpośrednio podłączone do analogowych pinów wejściowych mikrokontrolera. Na przykład możesz użyć płyty Arduino UNO lub, lepiej, kontrolera BotBoarduino, aby uzyskać wygodniejsze połączenie, ponieważ ma piny analogowe podzielone na rząd 3 pinów (sygnał, VCC, GND), a także jest kompatybilny z Arduino. Układ LM324 będzie zasilany napięciem 5V mikrokontrolera, dlatego sygnał analogowy (wykryta fala) z płytki czujnika będzie się wahał od 0V do 5V w zależności od odległości między cewką indukcyjną a przewodem obwodowym. Im bliżej cewki znajduje się przewód obwodowy, tym wyższa amplituda fali wyjściowej obwodu czujnika. Oto jak powinien wyglądać obwód czujnika na płytce stykowej.

Krok 7: Wyniki

Jak widać na poniższych zrzutach ekranu oscyloskopu, wykryta fala na wyjściu obwodu LC jest wzmacniana i nasyca się napięciem 5V, gdy cewka znajduje się na 15cm od przewodu obwodowego.

Podobnie jak w przypadku obwodu generatora, zaprojektowaliśmy ładną, kompaktową płytkę drukowaną z elementami przewlekanymi dla płytki czujnika z dwoma obwodami zbiornika, wzmacniaczem i 2 wyjściami analogowymi. Pliki można znaleźć w sekcji „Pliki” na końcu tego artykułu.

Krok 8: Kod Arduino

Kod Arduino, którego możesz użyć do generatora przewodów obwodowych i czujnika, jest bardzo prosty. Ponieważ wyjściem płytki czujnika są dwa sygnały analogowe zmieniające się od 0 V do 5 V (po jednym dla każdego czujnika/cewki), można użyć przykładu AnalogRead Arduino. Wystarczy podłączyć dwa piny wyjściowe płytki czujnika do dwóch analogowych pinów wejściowych i odczytać odpowiedni pin, modyfikując przykład Arduino AnalogRead. Korzystając z monitora szeregowego Arduino, powinieneś zobaczyć wartość RAW używanego pinu analogowego od 0 do 1024, gdy zbliżasz się do cewki indukcyjnej do przewodu obwodowego.

Kod odczytuje napięcie na analogPin i wyświetla je.

int analogPin = A3; // wycieraczka potencjometru (zacisk środkowy) podłączona do pinu analogowego 3 // zewnętrzne przewody do masy i +5V

wewn wart = 0; // zmienna do przechowywania odczytanej wartości

pusta konfiguracja () {

Serial.początek(9600); // konfiguracja serial

}

pusta pętla () {

val = analogRead(analogPin); // odczytaj pin wejściowy Serial.println(val); // wartość debugowania