Gjenerator dhe sensor i telave të perimetrit DIY: 8 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:18

Teknologjia e drejtimit të telave përdoret gjerësisht në industri, veçanërisht, në magazina ku trajtimi është i automatizuar. Robotët ndjekin një lak teli të varrosur në tokë. Një rrymë alternative me intensitet dhe frekuencë relativisht të ulët midis 5Kz dhe 40KHz rrjedh në këtë tel. Roboti është i pajisur me sensorë induktivë, zakonisht të bazuar në një qark rezervuari (me një frekuencë rezonance të barabartë ose të afërt me frekuencën e valës së gjeneruar) që mat intensitetin e fushës elektromagnetike afër tokës. Një zinxhir përpunimi (amplifikim, filtra, krahasim) bën të mundur përcaktimin e pozicionit të robotit brenda telave. Këto ditë, tela perimetri/kufiri përdoret gjithashtu për të krijuar "gardhe të padukshme" për të mbajtur kafshët shtëpiake brenda oborreve, dhe robotë kositës të lëndinëve brenda zonave. LEGO gjithashtu përdor të njëjtin parim për të drejtuar automjetet përgjatë rrugëve pa vizitorët që shohin ndonjë linjë.

Ky tutorial shpjegon në një mënyrë të lehtë dhe intuitive për t'ju ndihmuar të kuptoni teorinë, modelin dhe zbatimin për të bërë gjeneratorin dhe sensorin tuaj për një tel rrethues. Skedarët (Skemat, Skedarët Eagle, Gerbers, 3D Files dhe Arduino Sample Code) janë gjithashtu në dispozicion për shkarkim. Në këtë mënyrë, ju mund të shtoni veçorinë e zbulimit të perimetrit të telit në robotin tuaj të preferuar dhe ta mbani atë brenda një "zone" operative.

Hapi 1: GJENERATOR

Teori

Qarku i gjeneratorit të telit rrethues do të bazohet në kohëmatësin e famshëm NE555. NE555 ose më shpesh i quajtur 555 është një qark i integruar i përdorur për kohëmatës ose modalitet multivibrator. Ky komponent përdoret ende sot për shkak të lehtësisë së përdorimit, kostos së ulët dhe stabilitetit. Një miliard njësi prodhohen në vit. Për gjeneratorin tonë, ne do të përdorim NE555 në konfigurimin Astable. Konfigurimi i qëndrueshëm lejon përdorimin e NE555 si një oshilator. Dy rezistorë dhe një kondensator bëjnë të mundur modifikimin e frekuencës së lëkundjes, si dhe ciklin e punës. Rregullimi i përbërësve është siç tregohet në skemën më poshtë. NE555 Gjeneron një valë katrore (të përafërt) e cila mund të kalojë gjatësinë e telit rrethues. Duke iu referuar fletës së të dhënave NE555 për kohëmatësin, ekziston një qark mostër, si dhe teoria e funksionimit (8.3.2 Operacioni i qëndrueshëm A). Texas Instruments nuk është prodhuesi i vetëm i IC -ve NE555, kështu që nëse zgjidhni një çip tjetër, sigurohuni që të kontrolloni manualin e tij. Ne ofrojmë këtë çantë të bukur të bashkimit të kohëmatësit 555 që do t'ju japë mundësinë të lidhni të gjithë përbërësit e brendshëm të një kohëmatësi 555 në një paketë me vrima për t'ju lejuar të kuptoni funksionimin e këtij qarku në detaje.

Skematike dhe Prototipizimi

Skema e dhënë në manualin NE555 (8.3.2 seksioni i funksionimit të qëndrueshëm A) është mjaft i plotë. Disa përbërës shtesë u shtuan dhe u diskutuan më poshtë. (imazhi i pare)

Formula e përdorur për të llogaritur frekuencën e valës katrore të daljes është

f = 1.44 / ((Ra+2*Rb)*C)

Gama e frekuencës së valës katrore të gjeneruar do të jetë midis 32Khz dhe 44KHz, e cila është një frekuencë specifike që nuk duhet të ndërhyjë në pajisjet e tjera të afërta. Për këtë, ne kemi zgjedhur Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potenciometër dhe C = 1.2nF. Potenciometri do të na ndihmojë të ndryshojmë frekuencën e daljes së valës katrore që të përputhet me frekuencën e rezonancës së qarkut të LC Tank që do të diskutohet më vonë. Vlera teorike më e ulët dhe më e lartë e frekuencës dalëse do të jetë si më poshtë e llogaritur me formulën (1): Vlera më e ulët e frekuencës: fL = 1.44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) ≈32 698Hz

Vlera më e lartë e frekuencës: fH = 1.44 / ((3.3+2*(12+0))*1.2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

Meqenëse potenciometri 4.7KOhms nuk arrin kurrë në 0 ose 4.7, diapazoni i frekuencës dalëse do të ndryshojë nga rreth 33.5Khz në 39Khz. Këtu është skema e plotë e qarkut të gjeneratorit. (imazhi i dyte)

Siç mund ta shihni në skemë, disa komponentë shtesë u shtuan dhe do të diskutohen më poshtë. Këtu është BOM i plotë:

• R1: 3.3 Kohs
• R2: 12 KOhms
• R3 (Rezistenca kufizuese aktuale): 47 Ohms (duhet të jetë mjaft e madhe për të shpërndarë nxehtësinë me një vlerësim të fuqisë 2W duhet të jetë i mjaftueshëm)
• R4: Potenciometër 4.7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF gjithashtu do të bëjë punën)
• C5: 1uF
• J1: Lidhës fuçi qendror pozitiv 2.5 mm (5-15V DC)
• J2: Terminali i vidhave (dy pozicione)
• IC1: Kohëmatësi i saktë i NE555

Pjesët shtesë të shtuara në skemë përfshijnë një prizë fuçi (J1) për lidhje të lehtë me një përshtatës muri (12V) dhe një terminal vidhos (12) për t'u lidhur me lehtësi me tela perimetri. Teli perimetrik: Vini re se sa më gjatë tela perimetrike, aq më shumë sinjali degradon. Ne e testuam konfigurimin me përafërsisht 100 'tela me shumë fije 22 matës (të lidhur në tokë në krahasim me të varrosur). Furnizimi me energji elektrike: Një përshtatës muri 12V është tepër i zakonshëm dhe çdo vlerësim aktual mbi 500mA duhet të funksionojë mirë. Ju gjithashtu mund të zgjidhni një acid plumbi 12V ose 11.1V LiPo për ta mbajtur atë brenda kasës, por sigurohuni që ta mbroni nga moti dhe ta fikni kur nuk është në përdorim. Këtu kemi disa pjesë që ne ju ofrojmë kur ndërtoni qarkun e gjeneratorit:

• 2.1mm Barrel Jack në terminal ose ky 2.1mm Barrel Jack Adapter - Breadboard Compatible
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Solderless Breadboard
• 65 x 22 Matës të ndryshëm të telave të bluzave
• Kompleti i rezistencës DFRobot
• Kutia e Kondensatorit SparkFun
• Furnizues me energji i përshtatësit të murit 12VDC 3A

Ja se si duhet të duket qarku i gjeneratorit në një dërrasë buke (imazhi i tretë)

Hapi 2: Rezultatet

Siç tregohet në pamjen e mëposhtme të oshiloskopit të daljes së qarkut të gjeneratorit (marrë me Osciloskopin e Tabletit Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels), ne mund të shohim një valë katrore (të përafërt) me një frekuencë prej 36.41KHz dhe një amplitudë 11.8V (duke përdorur një përshtatës energjie 12V). Frekuenca mund të ndryshojë pak duke rregulluar potenciometrin R4.

Një pjatë pa saldim rrallë është një zgjidhje afatgjatë dhe përdoret më së miri për të krijuar një prototip të shpejtë. Prandaj, pasi konfirmuam se qarku i gjeneratorit po funksionon siç duhet, duke gjeneruar një valë katrore me një gamë frekuence 33.5Khz dhe 40KHz (e ndryshueshme përmes tenxhere R4), ne kemi projektuar një PCB (24mmx34mm) vetëm me PTH (Vrimë e mbuluar)) komponentët për ta bërë atë një bord të bukur të vogël të gjeneratorit të valëve katrore. Meqenëse komponentët përmes vrimës u përdorën për prototipimin me një dërrasë buke, PCB gjithashtu mund të përdorë edhe përbërës përmes vrimës (në vend të montimit në sipërfaqe), dhe lejon bashkim të lehtë me dorë. Vendosja e përbërësve nuk është e saktë, dhe ka të ngjarë të gjeni vend për përmirësim. Ne i kemi bërë skedarët Eagle dhe Gerber të disponueshëm për shkarkim në mënyrë që ju të bëni PCB -në tuaj. Skedarët mund të gjenden në seksionin "Skedarët" në fund të këtij artikulli. Këtu janë disa këshilla kur hartoni bordin tuaj: Keni lidhësin e fuçisë dhe terminalin e vidave në të njëjtën anë të tabelësVendosni përbërësit relativisht afër njëri -tjetrit dhe minimizoni gjurmët/gjatësitë A duhet që vrimat e montimit të jenë me një diametër standard dhe të vendosura në një riprodhoni drejtkëndësh.

Hapi 3: Instalimi i telave

Pra, si ta instaloni tela? Në vend që ta varrosni, është më e lehtë të përdorni thjesht kunja për ta mbajtur atë në vend. Ju jeni të lirë të përdorni gjithçka që dëshironi për të mbajtur tela në vend, por plastika funksionon më së miri. Një paketë prej 50 kunjash të përdorur për kositësit e lëndinave robot ka tendencë të jetë e lirë. Kur vendosni tela, sigurohuni që të dy skajet të takohen në të njëjtin vend për t'u lidhur me bordin e gjeneratorit përmes terminalit të vidave.

Hapi 4: Rezistenca ndaj motit

Meqenëse sistemi ka shumë të ngjarë të lihet jashtë për t'u përdorur jashtë. Teli perimetrik ka nevojë për një shtresë rezistente ndaj motit, dhe qarku i gjeneratorit i vendosur në një kuti të papërshkueshëm nga uji. Ju mund ta përdorni këtë Shtojcë të ftohtë për të mbrojtur gjeneratorin nga shiu. Jo të gjithë telat janë krijuar të barabartë. Nëse planifikoni ta lini telin jashtë, sigurohuni që të investoni në telin e duhur, për shembull, kjo Mburojë e Telit Perimetrik Robomow 300 'e cila nuk është rezistente ndaj rrezeve UV / ujit do të degradojë shpejt me kalimin e kohës dhe do të bëhet e brishtë.

Hapi 5: Sensori

Teori

Tani që ne kemi ndërtuar qarkun e gjeneratorit dhe sigurohemi që ai po funksionon ashtu siç ishte menduar, është koha të fillojmë të mendojmë se si të zbulojmë sinjalin që kalon përmes telit. Për këtë, ju ftojmë të lexoni në lidhje me qarkun LC, i quajtur edhe qarku i rezervuarit ose qarku i akorduar. Një qark LC është një qark elektrik i bazuar në një Induktor/Spirale (L) dhe një kondensator (C) të lidhur paralelisht. Ky qark përdoret në filtra, akordues dhe mikserë frekuencash. Rrjedhimisht, përdoret zakonisht në transmetimet pa tel të transmetimit si për transmetim ashtu edhe për pritje. Ne nuk do të hyjmë në detajet teorike në lidhje me qarqet LC, por gjëja më e rëndësishme që duhet mbajtur parasysh për të kuptuar qarkun e sensorit të përdorur në këtë artikull, do të ishte formula për llogaritjen e frekuencës së rezonancës së një qarku LC, e cila shkon si më poshtë:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Ku L është vlera e induktivitetit të spirales në H (Henry) dhe C është vlera e kapacitetit të kondensatorit në F (Farads). Që sensori të zbulojë sinjalin 34kHz-40Khz që kalon në tel, qarku i rezervuarit që kemi përdorur duhet të ketë frekuencën e rezonancës në këtë interval. Ne zgjodhëm L = 1mH dhe C = 22nF për të marrë një frekuencë rezonance prej 33 932Hz të llogaritur duke përdorur formulën (2). Amplituda e sinjalit të zbuluar nga qarku ynë i rezervuarit do të jetë relativisht i vogël (maksimumi 80mV kur testuam qarkun tonë të sensorit) kur induktori është rreth 10 cm nga tela, prandaj, do të ketë nevojë për një amplifikim. Për ta bërë këtë, ne kemi përdorur përforcuesin popullor LM324 Op-Amp për të përforcuar sinjalin me një fitim prej 100 në një konfigurim jo-përmbysës të përforcimit në 2 faza për t'u siguruar që të merrni një sinjal të këndshëm analog të lexueshëm në një distancë më të madhe se 10 cm në dalja e sensorit. Ky artikull jep informacion të dobishëm në lidhje me Op-Amps në përgjithësi. Gjithashtu, mund të hidhni një sy në fletën e të dhënave të LM324. Këtu është një skemë tipike e qarkut të një amplifikatori LM324: Op-Amp në konfigurimin jo përmbysës (imazhi i katërt)

Duke përdorur ekuacionin për një konfigurim fitimi jo përmbysës, Av = 1+R2/R1. Vendosja e R1 në 10KOhms dhe R2 në 1MOhms do të sigurojë një fitim prej 100, i cili është brenda specifikimit të dëshiruar. Në mënyrë që roboti të jetë në gjendje të zbulojë tela perimetri në orientime të ndryshme, është më e përshtatshme që të ketë më shumë se një sensor të instaluar në të. Sa më shumë sensorë në robot, aq më mirë do të zbulojë tela kufitare. Për këtë tutorial, dhe meqenëse LM324 është një përforcues quad-op (kjo do të thotë që një çip LM324 ka 4 amplifikatorë të veçantë), ne do të përdorim dy sensorë zbulues në tabelë. Kjo do të thotë të përdorni dy qarqe LC dhe secila do të ketë 2 faza të amplifikimit. Prandaj, nevojitet vetëm një çip LM324.

Hapi 6: Skematike dhe Prototipizimi

Siç e diskutuam më lart, skema për bordin e sensorëve është mjaft e drejtpërdrejtë. Përbëhet nga 2 qarqe LC, një çip LM324 dhe disa rezistorë 10KOhms dhe 1MOhms për të vendosur përfitimet e amplifikatorëve.

Këtu është një listë e përbërësve që mund të përdorni:

• R1, R3, R5, R7: Rezistencat 10KOhm
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm Rezistenca
• C1, C2: 22nF Kondensatorët
• IC: përforcues LM324N
• JP3 / JP4: 2.54mm tituj M / M me 3 kunja
• Induktorët 1, 2: 1mH*

* Induktorët 1mH me një vlerësim aktual prej 420mA dhe një faktor Q prej 40 252kHz duhet të punojnë mirë. Ne kemi shtuar terminalet e vidave pasi induktori çon në skemë në mënyrë që induktorët (me tela të ngjitur në tela) të vendosen në vende të përshtatshme në robot. Pastaj, telat (e induktorëve) do të lidhen me terminalet e vidave. Kunjat Out1 dhe Out2 mund të lidhen drejtpërdrejt me kunjat hyrëse analoge të mikrokontrolluesit. Për shembull, mund të përdorni një Arduino UNO Board ose, më mirë, një BotBoarduino Controller për një lidhje më të përshtatshme pasi ka kunja analoge të thyer në një rresht prej 3 kunjash (Signal, VCC, GND) dhe është gjithashtu i pajtueshëm me Arduino. Çipi LM324 do të mundësohet përmes 5V të mikrokontrolluesit, prandaj, sinjali analog (vala e zbuluar) nga bordi i sensorit do të ndryshojë midis 0V dhe 5V në varësi të distancës midis induktorit dhe telit rrethues. Sa më afër induktorit të jetë tela perimetrike, aq më i lartë është amplituda e valës së daljes së qarkut të sensorit. Ja se si duhet të duket qarku i sensorit në një dërrasë buke.

Hapi 7: Rezultatet

Siç mund ta shohim në pamjet e ekranit të oshiloskopit më poshtë, vala e zbuluar në daljen e qarkut LC përforcohet dhe ngopet në 5V kur induktori është në 15cm në telin perimetrik.

Ashtu siç bëmë me qarkun e gjeneratorit, ne kemi projektuar një PCB kompakte të bukur me përbërës përmes vrimës për bordin e sensorit me dy qarqe rezervuari, një përforcues dhe 2 dalje analoge. Skedarët mund të gjenden në seksionin "Skedarët" në fund të këtij artikulli.

Hapi 8: Kodi Arduino

Kodi Arduino që mund të përdorni për gjeneratorin tuaj të telave rrethues dhe sensorin është shumë i thjeshtë. Meqenëse dalja e bordit të sensorit është dy sinjale analoge që ndryshojnë nga 0V në 5V (një për secilin sensor/induktor), mund të përdoret shembulli AnalogRead Arduino. Thjesht lidhni dy kunjat dalës të bordit të sensorit me dy kunja hyrëse analoge dhe lexoni kunjin e duhur duke modifikuar Arduino AnalogRead Shembullin. Duke përdorur monitorin serik Arduino, duhet të shihni që një vlerë RAW e kunjit analog që po përdorni ndryshon nga 0 në 1024 ndërsa i afroheni induktorit tela rrethues.

Kodi lexon tensionin në analogPin dhe e shfaq atë.

int analogPin = A3; // fshirëse potenciometri (terminali i mesëm) i lidhur me pinin analog 3 // jashtë çon në tokë dhe +5V

int val = 0; // ndryshore për të ruajtur vlerën e lexuar

void setup () {

Serial.filloj (9600); // seriali i konfigurimit

}

lak void () {

val = analogRead (analogPin); // lexoni pinin hyrës Serial.println (val); // vlera e korrigjimit