DIY kerületi huzalgenerátor és érzékelő: 8 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:41

A huzalvezetési technológiát széles körben használják az iparban, különösen olyan raktárakban, ahol a kezelés automatizált. A robotok a földbe temetett dróthurkot követik. Ebben a vezetékben viszonylag alacsony intenzitású és frekvenciájú váltakozó áram folyik 5Kz és 40KHz között. A robot induktív érzékelőkkel van felszerelve, amelyek általában egy tartályáramkörön alapulnak (rezonanciafrekvenciájuk egyenlő vagy közel van a generált hullám frekvenciájához), amely méri az elektromágneses mező intenzitását a föld közelében. Egy feldolgozási lánc (erősítés, szűrők, összehasonlítás) lehetővé teszi a robot huzalon belüli helyzetének meghatározását. Manapság a kerület/határolóhuzal „láthatatlan kerítések” létrehozására is szolgál a háziállatok udvaron belüli tartására, a robotfűnyírók pedig a zónákon belül. A LEGO ugyanezt az elvet alkalmazza a járművek vezetésére az utakon anélkül, hogy a látogatók vonalakat látnának.

Ez az oktatóanyag egyszerű és intuitív módon elmagyarázza, hogy segítsen megérteni az elméletet, a tervezést és a megvalósítást, hogy saját generátort és érzékelőt készítsen egy kerületi vezetékhez. A fájlok (Sémák, Eagle Files, Gerbers, 3D Files és Arduino Sample Code) szintén letölthetők. Így hozzáadhatja a drótkerület -észlelési funkciót kedvenc robotjához, és egy működő "zónában" tarthatja.

1. lépés: GENERÁTOR

Elmélet

A kerületvezeték -generátor áramkör a híres NE555 időzítőn alapul. Az NE555 vagy más néven 555 egy integrált áramkör, amelyet időzítő vagy multivibrátor üzemmódhoz használnak. Ezt az alkatrészt ma is használják a könnyű használat, az alacsony költség és a stabilitás miatt. Évente egymilliárd darabot gyártanak. Generátorunkhoz az NE555 -öt használjuk Astable konfigurációban. A stabil konfiguráció lehetővé teszi az NE555 oszcillátorként történő használatát. Két ellenállás és egy kondenzátor teszi lehetővé az oszcillációs frekvencia és a munkaciklus módosítását. Az alkatrészek elrendezése az alábbi ábrán látható. Az NE555 (durva) négyzethullámot generál, amely képes lefutni a kerületi vezeték hosszát. Az időzítő NE555 adatlapjára hivatkozva van egy mintaáramkör, valamint a működés elmélete (8.3.2 A-stabil működés). A Texas Instruments nem az egyetlen NE555 IC gyártója, ezért ha másik chipet választ, feltétlenül nézze meg a kézikönyvet. Kínáljuk ezt a szép 555 -ös időzítő forrasztó készletet, amely lehetőséget ad arra, hogy az 555 -ös időzítő összes belső alkatrészét átforrasztja egy átmenő lyukú csomagban, hogy részletesen megérthesse az áramkör működését.

Vázlat és prototípus

Az NE555 kézikönyv vázlata (8.3.2 A-stabil működési szakasz) meglehetősen teljes. Néhány további összetevőt adtak hozzá, és az alábbiakban tárgyaljuk. (első kép)

A kimeneti négyzethullám frekvenciájának kiszámításához használt képlet az

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

A generált négyzethullám frekvenciatartománya 32 kHz és 44 kHz között lesz, ami egy olyan specifikus frekvencia, amely nem zavarhatja a többi közeli eszközt. Ehhez Ra = 3,3Kohm, Rb = 12KOhm + 4,7KOhm potenciométert és C = 1,2nF értéket választottuk. A potenciométer segít megváltoztatni a négyzethullámú kimenet frekvenciáját, hogy megfeleljen az LC Tank áramkör rezonanciafrekvenciájának, amelyet később tárgyalunk. A kimeneti frekvencia elméleti legalacsonyabb és legmagasabb értéke az (1) képlet alapján lesz kiszámítva: A legalacsonyabb frekvenciaérték: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

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

Mivel a 4.7Kohm potenciométer soha nem éri el a 0 -t vagy a 4.7 -et, a kimeneti frekvenciatartomány 33,5 khz és 39 khz között változik. Itt található a generátor áramkör teljes vázlata. (második kép)

Amint az a sematikus ábrán látható, néhány további összetevőt adtak hozzá, és ezeket az alábbiakban tárgyaljuk. Itt a teljes BOM:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (áramkorlátozó ellenállás): 47 ohm (elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy a hő eloszoljon, és 2 W teljesítménynek elegendőnek kell lennie)
• R4: 4,7 KOhm potenciométer
• C2, C4: 100 nF
• C3: 1.2nF (1000pF is elvégzi a munkát)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm-es középső pozitív csőcsatlakozó (5-15 V DC)
• J2: Csavaros kapocs (két pozíció)
• IC1: NE555 Precíziós időzítő

A vázlathoz további alkatrészek tartoznak: A csőcsatlakozó (J1) a könnyű csatlakoztatáshoz a fali adapterhez (12V) és a csavaros csatlakozó (12), amely kényelmesen csatlakoztatható a kerületi vezetékhez. Kerületi vezeték: Vegye figyelembe, hogy minél hosszabb a kerületi vezeték, annál jobban romlik a jel. A beállítást nagyjából 100 '22 méretű, többszálú huzallal teszteltük (a földbe kötözve, nem pedig eltemetve). Tápegység: A 12 V -os fali adapter hihetetlenül gyakori, és minden 500 mA feletti áramerősségnek jól kell működnie. Választhat 12 V -os ólomsavat vagy 11,1 V LiPo -t is, hogy a tokban tartsa, de ügyeljen arra, hogy időjárásálló legyen, és kapcsolja ki, amikor nem használja. Az alábbiakban bemutatunk néhány olyan alkatrészt, amelyekre szükség lehet a generátor áramkör építésekor:

• 2,1 mm -es hordócsatlakozó a terminálhoz, vagy ez a 2,1 mm -es hordócsatlakozó -adapter - kenyértáblával kompatibilis
• 400 nyakkendő, reteszelő, átlátszó forrasztás nélküli kenyértábla
• 65 x 22 mérőműszer válogatott jumper vezetékek
• DFRobot ellenállás készlet
• SparkFun kondenzátor készlet
• 12VDC 3A fali adapter tápegység

Itt kell kinéznie a generátor áramkörnek egy kenyérlapon (harmadik kép)

2. lépés: Eredmények

Amint az alábbi oszcilloszkóp képernyőképen látható a generátor áramkör kimenetéről (a Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 csatornás táblagép oszcilloszkópjával készült), egy (durva) négyzethullámot láthatunk, 36,41 KHz frekvenciával és amplitúdóval 11,8 V (12 V -os hálózati adapter használatával). A frekvencia kissé változtatható az R4 potenciométer beállításával.

A forrasztás nélküli kenyeretábla ritkán jelent hosszú távú megoldást, és legjobban egy gyors prototípus létrehozására használható. Ezért miután meggyőződtünk arról, hogy a generátor áramkör megfelelően működik, 33,5 khz és 40 kHz frekvenciatartományú négyszöghullámot generál (az R4 poton keresztül változtatható), csak egy PTH (Plated-through Hole) PCB-t (24mmx34mm) terveztünk.) komponenseket, hogy szép kis négyzethullámú generátorlap legyen belőle. Mivel a kátyúlemezzel végzett prototípus-készítéshez átmenő lyukú alkatrészeket használtak, a NYÁK átmenő lyukú alkatrészeket is használhat (a felületre szerelés helyett), és lehetővé teszi a könnyű kézi forrasztást. Az összetevők elhelyezése nem pontos, és valószínűleg találhat még javítanivalót. Letöltöttük az Eagle és a Gerber fájlokat, hogy saját PCB -t készíthessen. A fájlok a cikk végén található "Fájlok" részben találhatók. Íme néhány tipp, amikor saját táblát tervez: A csőcsatlakozót és a csavaros csatlakozót a tábla ugyanazon oldalán helyezze el. Az alkatrészeket viszonylag közel helyezze egymáshoz, és minimalizálja a nyomokat/hosszt. téglalap reprodukálása.

3. lépés: Vezeték telepítése

Tehát hogyan kell felszerelni a vezetéket? Ahelyett, hogy eltemetné, a legegyszerűbb egyszerűen csapokkal használni a helyét. Bármit használhat, hogy a vezetéket a helyén tartsa, de a műanyag a legjobb. A robotfűnyírókhoz használt 50 csapból álló csomag általában olcsó. A huzal fektetésekor ügyeljen arra, hogy mindkét vége ugyanabban a helyen találkozzon, hogy a csavaros csatlakozón keresztül csatlakozzon a generátorhoz.

4. lépés: Időjárásállóság

Mivel a rendszer nagy valószínűséggel kint marad, hogy szabadban használhassa. A kerületi huzal időjárásálló bevonatot igényel, és maga a generátor áramkör vízálló tokban van elhelyezve. Ezt a hűvös házat használhatja, hogy megvédje a generátort az esőtől. Nem minden vezeték egyenlő. Ha azt tervezi, hogy elhagyja a vezetéket, mindenképpen a megfelelő vezetékbe fektessen be, például ez a Robomow 300 'kerületű huzalvédő, amely nem UV / vízálló, idővel gyorsan lebomlik és törékennyé válik.

5. lépés: Érzékelő

Elmélet

Most, hogy felépítettük a generátor áramkört, és megbizonyosodtunk arról, hogy megfelelően működik -e, itt az ideje, hogy elkezdjünk gondolkodni azon, hogyan lehet érzékelni a vezetéken áthaladó jelet. Ehhez meghívjuk Önt, hogy olvasson az LC áramkörről, más néven Tank Circuit vagy Tuned Circuit. Az LC áramkör egy elektromos áramkör, amely párhuzamosan kapcsolt induktoron/tekercsen (L) és kondenzátoron (C) alapul. Ezt az áramkört szűrőkben, tunerekben és frekvenciakeverőkben használják. Következésképpen általánosan használják vezeték nélküli műsorszórásban, mind a sugárzáshoz, mind a vételhez. Nem térünk ki az LC áramkörök elméleti részleteire, de a legfontosabb dolog, amelyet szem előtt kell tartani az ebben a cikkben használt érzékelő áramkör megértéséhez, az LC áramkör rezonanciafrekvenciájának kiszámításának képlete lenne, amely így szól:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Ahol L a tekercs induktivitási értéke H -ban (Henry), C pedig a kondenzátor kapacitási értéke F -ben (Farads). Ahhoz, hogy az érzékelő érzékelje a vezetékbe futó 34 kHz-40 kHz jelet, az általunk használt tartály áramkörnek ebben a tartományban kell lennie. Az L = 1mH és C = 22nF értékeket választottuk, hogy a (2) képlet alapján számított 33 932 Hz rezonanciafrekvenciát kapjunk. A tartályáramunk által észlelt jel amplitúdója viszonylag kicsi lesz (legfeljebb 80 mV, amikor az érzékelő áramkört teszteltük), ha az induktivitás körülbelül 10 cm -re van a vezetéktől, ezért némi erősítést igényel. Ehhez a népszerű LM324 Op-Amp erősítőt használtuk a jel erősítésére 100-as erősítéssel, nem invertáló konfigurációban, 2 fokozatú erősítéssel, hogy biztosan olvasható analóg jelet kapjunk 10 cm-nél nagyobb távolságban az érzékelő kimenete. Ez a cikk hasznos információkat tartalmaz az Op-Amps-ról általában. Ezenkívül megtekintheti az LM324 adatlapját. Íme egy LM324 erősítő tipikus kapcsolási rajza: Op-Amp nem invertáló konfigurációban (negyedik kép)

A nem invertáló erősítésű konfiguráció egyenletét használva Av = 1+R2/R1. Ha az R1 értéket 10KOhm és R2 értékét 1MOhm értékre állítja, akkor 100 nyereség érhető el, ami a kívánt specifikáción belül van. Annak érdekében, hogy a robot képes legyen észlelni a kerületi vezetéket különböző tájolásokban, célszerűbb egynél több érzékelőt felszerelni. Minél több érzékelő van a roboton, annál jobban érzékeli a határolóvezetéket. Ebben az oktatóanyagban, és mivel az LM324 egy quad-op erősítő (ez azt jelenti, hogy egy LM324 chip 4 külön erősítővel rendelkezik), két érzékelőt fogunk használni a táblán. Ez azt jelenti, hogy két LC áramkört kell használni, és mindegyik 2 erősítési fokozatú lesz. Ezért csak egy LM324 chipre van szükség.

6. lépés: Vázlatrajz és prototípuskészítés

Amint fentebb tárgyaltuk, az érzékelő tábla vázlata meglehetősen egyszerű. 2 LC áramkörből, egy LM324 chipből és néhány 10KOhm és 1MOhms ellenállásból áll, hogy beállítsa az erősítők nyereségét.

Itt található a használható összetevők listája:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm ellenállások
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm ellenállások
• C1, C2: 22nF kondenzátorok
• IC: LM324N erősítő
• JP3 / JP4: 2,54 mm-es 3 tűs M / M fejlécek
• Induktorok 1, 2: 1 mH*

* 1mH A 420 mA áramerősségű és 40 252 kHz Q tényezőjű induktoroknak jól kell működniük. A kapcsolási rajzhoz csavaros kapocsokat adtunk hozzá az induktív vezetékekhez annak érdekében, hogy az induktivitásokat (vezetékekhez forrasztott vezetékekkel) a robot megfelelő helyére lehessen helyezni. Ezután a vezetékek (az induktorok) a csavaros csatlakozókhoz csatlakoznak. Az Out1 és Out2 csapok közvetlenül csatlakoztathatók a mikrokontroller analóg bemeneti csapjaihoz. Használhat például egy Arduino UNO kártyát vagy, jobb esetben, egy BotBoarduino vezérlőt a kényelmesebb csatlakozáshoz, mivel analóg csapjai 3 tűs sorba vannak osztva (Signal, VCC, GND), és Arduino-kompatibilis is. Az LM324 chipet a mikrokontroller 5 V -os feszültsége táplálja, ezért az érzékelőtábla analóg jele (észlelt hullám) 0 V és 5 V között változik az induktivitás és a kerületi vezeték közötti távolságtól függően. Minél közelebb van az induktivitás a kerületi vezetékhez, annál nagyobb az érzékelő áramkör kimeneti hullámának amplitúdója. Itt kell kinéznie az érzékelő áramkörnek a kenyérpulton.

7. lépés: Eredmények

Amint az oszcilloszkóp alábbi képernyőképein láthatjuk, az LC áramkör kimenetén észlelt hullám felerősödik és 5 V feszültséggel telít, amikor az induktivitás 15 cm -re van a kerületi vezetéktől.

Ugyanazt, mint a generátor áramkörrel, egy szuperkompatikus NYÁK-ot terveztünk átmenő lyukú alkatrészekkel az érzékelőpanelhez, két tartályáramkörrel, erősítővel és 2 analóg kimenettel. A fájlok a cikk végén található "Fájlok" részben találhatók.

8. lépés: Arduino kód

Az Arduino kód, amelyet a kerületi vezetékgenerátorhoz és az érzékelőhöz használhat, nagyon egyszerű. Mivel az érzékelőlap kimenete két analóg jel, amelyek 0V és 5V között változnak (minden érzékelő/induktor esetében egy), az AnalogRead Arduino példa használható. Csak csatlakoztassa az érzékelő kártya két kimeneti csapját két analóg bemeneti tűhöz, és olvassa el a megfelelő tűt az Arduino AnalogRead Példa módosításával. Az Arduino soros monitor használatával látnia kell, hogy a használt analóg tű RAW értéke 0 és 1024 között változik, amikor az induktivitáshoz a kerületi vezetékhez közeledik.

A kód leolvassa az analógPin feszültségét, és megjeleníti azt.

int analógPin = A3; // potenciométer -ablaktörlő (középső csatlakozó) az analóg 3 -as érintkezőhöz csatlakoztatva // külső vezetékek a földhöz és +5V

int val = 0; // változó az olvasott érték tárolására

void setup () {

Sorozat.kezdet (9600); // beállítási sorozat

}

void loop () {

val = analogRead (analógPin); // Serial.println (val) bemeneti pin olvasása; // hibakeresési érték