Генератор на жици и сензор за периметър: 8 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Технологията за телено насочване се използва широко в индустрията, особено в складове, където манипулацията е автоматизирана. Роботите следват телена верига, заровена в земята. В този проводник протича променлив ток с относително ниска интензивност и честота между 5Kz и 40KHz. Роботът е оборудван с индуктивни сензори, обикновено базирани на верига на резервоара (с резонансна честота, равна или близка до честотата на генерираната вълна), която измерва интензитета на електромагнитното поле близо до земята. Процесната верига (усилване, филтри, сравнение) дава възможност да се определи позицията на робота в рамките на проводника. Тези дни периметърната/граничната жица се използва и за създаване на „невидими огради“, които да държат домашни любимци на дворове, и роботизирани косачки за трева в зоните. LEGO също използва същия принцип за насочване на превозни средства по пътищата, без посетителите да виждат никакви линии.

Този урок обяснява по лесен и интуитивен начин, за да ви помогне да разберете теорията, дизайна и изпълнението, за да направите свой собствен генератор и сензор за периметър проводник. Файловете (схеми, файлове на Eagle, Gerbers, 3D файлове и примерен код на Arduino) също са достъпни за изтегляне. По този начин можете да добавите функцията за откриване на периметъра на проводника към любимия си робот и да го държите в работна „зона“.

Стъпка 1: ГЕНЕРАТОР

Теория

Схемата за генератор на периметър на проводници ще се основава на известния таймер NE555. NE555 или по -често наричан 555 е интегрална схема, използвана за режим на таймер или мултивибратор. Този компонент се използва и до днес поради неговата лекота на използване, ниска цена и стабилност. Годишно се произвеждат един милиард единици. За нашия генератор ще използваме NE555 в Astable конфигурация. Стабилната конфигурация позволява използването на NE555 като осцилатор. Два резистора и кондензатор дават възможност за промяна на честотата на трептене, както и на работния цикъл. Разположението на компонентите е както е показано на схемата по -долу. NE555 Генерира (груба) квадратна вълна, която може да премине по дължината на периметъра. Позовавайки се на листа с данни NE555 за таймера, има примерна схема, както и теорията на работата (8.3.2 A-стабилна работа). Texas Instruments не е единственият производител на интегрални схеми NE555, така че ако изберете друг чип, не забравяйте да проверите ръководството му. Ние предлагаме този хубав комплект за запояване с таймер 555, който ще ви даде възможност да запоите всички вътрешни компоненти на таймер 555 в пакет с проходни отвори, за да можете да разберете подробно работата на тази схема.

Схеми и прототипи

Схемата, предоставена в ръководството на NE555 (раздел 8.3.2 A-стабилна работа) е доста пълна. Няколко допълнителни компонента бяха добавени и обсъдени по -долу. (първото изображение)

Формулата, използвана за изчисляване на честотата на изходната квадратна вълна е

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

Честотният диапазон на генерираната квадратна вълна ще бъде между 32Khz и 44KHz, което е специфична честота, която не трябва да пречи на други близки устройства. За това сме избрали Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms потенциометър и C = 1.2nF. Потенциометърът ще ни помогне да променяме честотата на изхода на квадратната вълна, за да съответства на резонансната честота на веригата LC Tank, която ще бъде обсъдена по -късно. Теоретичната най-ниска и най-висока стойност на изходната честота ще бъде както следва, изчислена по формулата (1): Най-ниската честотна стойност: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

Най-високата честотна стойност: fH = 1.44 / ((3.3+2*(12+0))*1.2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

Тъй като потенциометърът 4.7KOhms никога не достига 0 или 4.7, изходният честотен диапазон ще варира от около 33.5Khz до 39Khz. Ето пълната схема на веригата на генератора. (второ изображение)

Както можете да видите на схемата, бяха добавени няколко допълнителни компонента, които ще бъдат обсъдени по -долу. Ето пълната спецификация:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 КОма
• R3 (ограничаващ ток резистор): 47 ома (трябва да е доста голям, за да разсейва топлината с мощност от 2 W трябва да е достатъчна)
• R4: потенциометър 4.7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF също ще свърши работа)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 мм централен положителен барел конектор (5-15V DC)
• J2: Винтова клема (две позиции)
• IC1: Прецизен таймер NE555

Допълнителни части, добавени към схемата, включват жак (J1) за лесно свързване към адаптер за стена (12V) и винтова клема (12) за удобно свързване към периметъра. Периметров проводник: Имайте предвид, че колкото по -дълъг е периметърният проводник, толкова повече сигналът се влошава. Тествахме инсталацията с приблизително 100 '22-жилен многожилен проводник (закачен в земята, за разлика от заровен). Захранване: 12V адаптер за стена е невероятно често срещан и всеки токов рейтинг над 500mA трябва да работи добре. Можете също така да изберете 12V оловна киселина или 11.1V LiPo, за да я държите в кутията, но не забравяйте да я защитите от атмосферни влияния и да я изключите, когато не се използва. Ето някои части, които предлагаме, които може да ви трябват при изграждането на генераторната верига:

• 2,1 мм варел жак към терминал или този 2,1 мм адаптер за варел жак - съвместим с платка
• 400 свързващи точки, прозрачни, без спойка
• 65 x 22 проводници с различни размери
• Комплект резистори DFRobot
• Комплект кондензатор SparkFun
• Захранване за стенен адаптер 12VDC 3A

Ето как трябва да изглежда схемата на генератора на макет (трето изображение)

Стъпка 2: Резултати

Както е показано на долната осцилоскопска екранна снимка на изхода на генераторната верига (направена с Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels Tablet Oscilloscope), можем да видим (груба) квадратна вълна с честота 36.41KHz и амплитуда на 11.8V (използвайки 12V захранващ адаптер). Честотата може да се променя леко чрез регулиране на потенциометъра R4.

Макет без запояване рядко е дългосрочно решение и най-добре се използва за създаване на бърз прототип. Следователно, след като потвърдихме, че генераторната верига работи както трябва, генерирайки квадратна вълна с честотен диапазон 33.5Khz и 40KHz (променлива през пота R4), ние проектирахме печатна платка (24mmx34mm) само с PTH (Plated-through Hole) компоненти, за да стане хубава малка генераторна платка с квадратни вълни. Тъй като компонентите през отворите са използвани за прототипиране с макет, печатната платка може да използва и компоненти през отвори (вместо повърхностен монтаж) и позволява лесно запояване на ръка. Разположението на компонентите не е точно и вероятно ще намерите място за подобрения. Ние направихме файловете Eagle и Gerber достъпни за изтегляне, за да можете да направите своя собствена печатна платка. Файловете могат да бъдат намерени в раздела „Файлове“в края на тази статия. Ето някои съвети, когато проектирате своя собствена платка: Поставете съединителя на цевта и винтовия извод от една и съща страна на платката Поставете компонентите относително близо един до друг и сведете до минимум следите/дължините Да има монтажните отвори със стандартен диаметър и разположени в лесен за възпроизвеждане на правоъгълник.

Стъпка 3: Инсталиране на проводник

И така, как да инсталирате проводника? Вместо да го заровите, най -лесно е просто да използвате колчета, за да го задържите на място. Можете да използвате каквото искате, за да поддържате проводника на място, но пластмасата работи най -добре. Пакет от 50 колчета, използван за роботизирани косачки за трева, обикновено е евтин. Когато полагате проводника, не забравяйте двата края да се срещнат на едно и също място, за да се свържете към генераторната платка през винтовата клема.

Стъпка 4: Устойчивост на атмосферни влияния

Тъй като системата най -вероятно ще бъде оставена навън, за да се използва на открито. Периметърният проводник се нуждае от устойчиво на атмосферни влияния покритие, а самата верига на генератора се помещава във водоустойчив корпус. Можете да използвате този хладен корпус, за да предпазите генератора от дъжд. Не всички проводници са създадени равни. Ако възнамерявате да оставите проводника, не забравяйте да инвестирате в правилния проводник, например този Robomow 300 'периметров кабелен щит, който не е устойчив на UV / вода, ще се разгради бързо с времето и ще стане крехък.

Стъпка 5: Сензор

Теория

Сега, след като изградихме веригата на генератора и се уверете, че работи както трябва, е време да започнем да мислим как да открием сигнала, преминаващ през проводника. За това ви каним да прочетете за LC веригата, наричана още Tank Circuit или Tuned Circuit. LC веригата е електрическа верига, базирана на индуктор/бобина (L) и кондензатор (C), свързани паралелно. Тази схема се използва във филтри, тунери и честотни миксери. Следователно, той обикновено се използва в безжични предавания за излъчване както за излъчване, така и за приемане. Няма да навлизаме в теоретичните подробности относно LC веригите, но най -важното, което трябва да имате предвид, за да разберете сензорната схема, използвана в тази статия, би била формулата за изчисляване на резонансната честота на LC верига, която изглежда така:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Където L е стойността на индуктивността на бобината в H (Henry) и C е стойността на капацитета на кондензатора във F (Farads). За да може сензорът да открие 34kHz-40Khz сигнал, който преминава през проводника, веригата на резервоара, която използвахме, трябва да има резонансна честота в този диапазон. Избрахме L = 1mH и C = 22nF, за да получим резонансна честота 33 932Hz, изчислена по формулата (2). Амплитудата на сигнала, открит от нашата верига на резервоара, ще бъде относително малка (максимум 80mV, когато тествахме нашата сензорна верига), когато индукторът е на около 10 cm от проводника, следователно, той ще се нуждае от известно усилване. За да направим това, използвахме популярния LM324 Op-Amp усилвател за усилване на сигнала с печалба 100 в неинвертираща конфигурация 2-степенно усилване, за да сме сигурни, че ще получим приятен за четене аналогов сигнал на по-голямо разстояние от 10 см в изход на сензора. Тази статия предоставя полезна информация за операционните усилватели като цяло. Можете също така да разгледате листа с данни на LM324. Ето типична схема на усилвател LM324: Op-Amp в неинвертираща конфигурация (четвърто изображение)

Използвайки уравнението за конфигурация с неинвертиращо усилване, Av = 1+R2/R1. Настройването на R1 на 10KOhms и R2 на 1MOhms ще осигури усилване от 100, което е в рамките на желаната спецификация. За да може роботът да открие периметърния проводник в различни ориентации, е по -подходящо да има повече от един сензор, инсталиран на него. Колкото повече сензори има на робота, толкова по -добре той ще разпознае граничния проводник. За този урок и тъй като LM324 е четириядрен усилвател (това означава, че един чип LM324 има 4 отделни усилвателя), ще използваме два детектора за откриване на платката. Това означава използване на две LC вериги и всяка ще има 2 етапа на усилване. Следователно е необходим само един чип LM324.

Стъпка 6: Схеми и прототипи

Както обсъдихме по-горе, схемата на сензорната платка е доста ясна. Той се състои от 2 LC вериги, един LM324 чип и няколко 10KOhms и 1MOhms резистора за задаване на усилванията на усилвателите.

Ето списък на компонентите, които можете да използвате:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm резистори
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm резистори
• C1, C2: 22nF кондензатори
• IC: усилвател LM324N
• JP3 / JP4: 2,54 мм 3-пинови M / M заглавия
• Индуктори 1, 2: 1 mH*

* 1mH индуктори с номинален ток 420mA и Q фактор 40 252kHz трябва да работят добре. Към схемата сме добавили винтови клеми като индукторни проводници, за да могат индукторите (с проводници, запоени към проводници) да бъдат поставени на удобни места на робота. След това проводниците (на индукторите) ще бъдат свързани към винтовите клеми. Изводите Out1 и Out2 могат да бъдат директно свързани към аналоговите входни щифтове на микроконтролера. Например, можете да използвате Arduino UNO Board или, по-добре, BotBoarduino Controller за по-удобна връзка, тъй като той има аналогови щифтове, разделени на ред от 3 пина (Signal, VCC, GND), а също така е съвместим с Arduino. Чипът LM324 ще се захранва от 5V на микроконтролера, следователно аналоговият сигнал (открита вълна) от сензорната платка ще варира между 0V и 5V в зависимост от разстоянието между индуктора и периметъра. Колкото по -близо е индукторът до периметъра, толкова по -голяма е амплитудата на изходната вълна на сензорната верига. Ето как трябва да изглежда схемата на сензора на чертеж.

Стъпка 7: Резултати

Както можем да видим на скрийншотите на осцилоскопа по -долу, откритата вълна на изхода на LC веригата се усилва и насища при 5V, когато индукторът е на 15 см към проводника по периметъра.

По същия начин, както направихме с генераторната верига, ние проектирахме хубава компактна печатна платка с компоненти през отворите за сензорната платка с две вериги на резервоара, усилвател и 2 аналогови изхода. Файловете могат да бъдат намерени в раздела „Файлове“в края на тази статия.

Стъпка 8: Код на Arduino

Кодът на Arduino, който можете да използвате за вашия периметров проводник и сензора, е много прост. Тъй като изходът на сензорната платка е два аналогови сигнала, вариращи от 0V до 5V (по един за всеки сензор/индуктор), може да се използва примерът AnalogRead Arduino. Просто свържете двата изходни пина на сензорната платка към два аналогови входни пина и прочетете съответния щифт, като промените Arduino AnalogRead Пример. Използвайки серийния монитор на Arduino, трябва да видите RAW стойността на аналоговия щифт, който използвате, варира от 0 до 1024, когато приближавате индуктора към проводника по периметъра.

Кодът отчита напрежението на analogPin и го показва.

int analogPin = A3; // чистачка на потенциометъра (среден извод), свързана към аналогов щифт 3 // външни проводници към маса и +5V

int val = 0; // променлива за съхраняване на прочетената стойност

void setup () {

Serial.begin (9600); // настройка на сериен

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // чете входния щифт Serial.println (val); // стойност за отстраняване на грешки