DIY perimeterwire generator og sensor: 8 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Trådstyringsteknologi er meget udbredt i industrien, især i lagre, hvor håndteringen er automatiseret. Robotterne følger en trådsløjfe begravet i jorden. En vekselstrøm med relativt lav intensitet og frekvens mellem 5Kz og 40KHz strømmer i denne ledning. Robotten er udstyret med induktive sensorer, normalt baseret på et tank kredsløb (med en resonansfrekvens lig med eller tæt på frekvensen af den genererede bølge), der måler intensiteten af det elektromagnetiske felt tæt på jorden. En forarbejdningskæde (forstærkning, filtre, sammenligning) gør det muligt at bestemme robotens position inden i ledningen. I disse dage bruges omkreds/afgrænsningskabler også til at oprette "usynlige hegn" for at holde kæledyr inden for værfter og robotplæneklippere inden for zoner. LEGO bruger også det samme princip til at føre køretøjer ad veje, uden at besøgende ser nogen linjer.

Denne vejledning forklarer på en let og intuitiv måde at hjælpe dig med at forstå teori, design og implementering til at lave din egen generator og sensor til en omkredsstråd. Filerne (skemaer, Eagle -filer, Gerbers, 3D -filer og Arduino -prøvekode) kan også downloades. På denne måde kan du tilføje trådomkretsdetekteringsfunktionen til din yndlingsrobot og holde den inden for en "zone".

Trin 1: GENERATOR

Teori

Perimeter wire generator kredsløb vil være baseret på den berømte NE555 timer. NE555 eller mere almindeligt kaldet 555 er et integreret kredsløb, der bruges til timer eller multivibrator -tilstand. Denne komponent bruges stadig i dag på grund af dens brugervenlighed, lave omkostninger og stabilitet. En milliard enheder fremstilles om året. Til vores generator vil vi bruge NE555 i Astable -konfiguration. Den stabile konfiguration gør det muligt at bruge NE555 som en oscillator. To modstande og en kondensator gør det muligt at ændre oscillationsfrekvensen såvel som driftscyklussen. Arrangementet af komponenterne er som vist i skematikken herunder. NE555 genererer en (ru) firkantbølge, der kan køre længden af omkredsstråden. Med henvisning til NE555-databladet for timeren er der et prøvekredsløb samt driftsteorien (8.3.2 A-stabil drift). Texas Instruments er ikke den eneste producent af NE555 IC'er, så hvis du vælger en anden chip, skal du kontrollere dens manual. Vi tilbyder dette flotte 555 timer -lodningssæt, der giver dig mulighed for at lodde alle de interne komponenter i en 555 -timer i en gennemgående hulpakke, så du kan forstå driften af dette kredsløb i detaljer.

Skematisk og prototyper

Skematikken i NE555-manualen (8.3.2 A-stabil betjeningsafsnit) er nogenlunde komplet. Et par yderligere komponenter blev tilføjet og diskuteret nedenfor. (første billede)

Formlen, der bruges til at beregne frekvensen af output firkantbølge er

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

Frekvensområdet for den genererede firkantbølge vil være mellem 32Khz og 44KHz, hvilket er en specifik frekvens, der ikke bør forstyrre andre tætte enheder. Til dette har vi valgt Ra = 3,3KOhms, Rb = 12KOhms + 4,7KOhms potentiometer og C = 1,2nF. Potentiometeret hjælper os med at variere frekvensen af kvadratbølgeudgangen for at matche resonansfrekvensen for LC Tank -kredsløbet, der vil blive diskuteret senere. Den teoretiske laveste og højeste værdi af udgangsfrekvensen vil være som følger beregnet med formlen (1): Laveste frekvensværdi: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

Højeste frekvensværdi: fH = 1,44 / ((3,3+2*(12+0))*1,2*10^(-9)) ≈ 43956Hz

Da potentiometeret på 4,7KOhms aldrig når 0 eller 4,7, varierer udgangsfrekvensområdet fra omkring 33,5Khz til 39Khz. Her er den komplette skematik af generator kredsløbet. (andet billede)

Som du kan se i skematikken, blev der tilføjet få ekstra komponenter og vil blive diskuteret nedenfor. Her er den komplette stykliste:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (strømbegrænsende modstand): 47 ohm (skal være temmelig stor for at sprede varme med en effekt på 2W bør være nok)
• R4: 4,7 KOhm potentiometer
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF vil også gøre jobbet)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm center positiv tønde stik (5-15V DC)
• J2: Skrueterminal (to positioner)
• IC1: NE555 præcisionstimer

Yderligere dele tilføjet til skematikken inkluderer et tøndejack (J1) for nem tilslutning til en vægadapter (12V) og en skrueterminal (12) for bekvemt at forbinde til omkredsstråden. Kantledning: Bemærk, at jo længere omkredsstråden er, desto mere nedbrydes signalet. Vi testede opsætningen med cirka 100 '22 gauge multistrengtråd (fastgjort i jorden i modsætning til begravet). Strømforsyning: En 12V vægadapter er utrolig almindelig, og enhver nuværende vurdering over 500mA burde fungere godt. Du kan også vælge en 12V blysyre eller 11.1V LiPo for at beholde den i kassen, men sørg for at vejrbestandig og slukke den, når den ikke er i brug. Her er nogle dele, vi tilbyder, som du måske har brug for, når du bygger generatorkredsløbet:

• 2.1mm Barrel Jack til terminal eller denne 2.1mm Barrel Jack Adapter - brødbrætskompatibel
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Loddefri brødbræt
• 65 x 22 gauge assorterede jumperwires
• DFRobot modstandssæt
• SparkFun kondensatorsæt
• 12VDC 3A vægadapter strømforsyning

Sådan skal generator kredsløbet se ud på et brødbræt (tredje billede)

Trin 2: Resultater

Som vist i nedenstående oscilloskopskærmbillede af generatorens kredsløb (taget med Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels Tablet Oscilloscope), kan vi se en (ru) firkantbølge med en frekvens på 36,41KHz og en amplitude på 11,8V (ved hjælp af en 12V strømadapter). Frekvensen kan varieres lidt ved at justere R4 -potentiometeret.

Et loddefrit brødbræt er sjældent en langsigtet løsning og bruges bedst til at lave en hurtig prototype. Derfor, efter at have bekræftet at generator kredsløbet fungerer som det skal, og som genererer en firkantbølge med et frekvensområde 33,5 khz og 40 kHz (variabelt gennem R4-gryden), har vi derfor kun designet et printkort (24 mm x 34 mm) med PTH (gennemhulet hul)) komponenter for at gøre det til et dejligt lille firkantbølge generatorkort. Da komponenter til gennemgående huller blev brugt til prototyper med et brødbræt, kunne printkortet også bruge komponenter til gennemgående huller (i stedet for overflademontering) og muliggør let lodning i hånden. Placering af komponenterne er ikke præcis, og du kan sandsynligvis finde plads til forbedringer. Vi har gjort Eagle- og Gerber -filerne tilgængelige til download, så du kan lave din egen PCB. Filer findes i sektionen "Filer" i slutningen af denne artikel. Her er nogle tips, når du designer dit eget bord: Hav tøndeforbindelsen og skrueterminalen på den samme side af brættet Placer komponenterne relativt tæt på hinanden og minimer spor/længder Har monteringshullerne en standarddiameter og er placeret i en let at gengive rektangel.

Trin 3: Trådinstallation

Så hvordan installeres ledningen? I stedet for at begrave det, er det nemmest blot at bruge pinde til at holde det på plads. Du kan frit bruge, hvad du vil for at holde ledningen på plads, men plast fungerer bedst. En pakke med 50 pinde, der bruges til robotplæneklippere, har en tendens til at være billig. Når du lægger tråden, skal du sørge for at få begge ender til at mødes på samme sted for at oprette forbindelse til generatorkortet via skrueterminalen.

Trin 4: Vejrbestandighed

Da systemet sandsynligvis vil blive efterladt udenfor for at blive brugt udendørs. Kanttråden har brug for en vejrbestandig belægning, og selve generator kredsløbet er placeret i en vandtæt kasse. Du kan bruge denne fede kabinet til at beskytte generatoren mod regn. Ikke alle ledninger er skabt ens. Hvis du planlægger at lade ledningen være ude, skal du sørge for at investere i den korrekte ledning, for eksempel vil denne Robomow 300 'perimeterwire -afskærmning, der ikke er UV / vandresistent, hurtigt nedbrydes med tiden og blive sprød.

Trin 5: Sensor

Teori

Nu hvor vi har bygget generatorens kredsløb og sørger for, at det fungerer, som det skulle, er det tid til at begynde at tænke på, hvordan man registrerer signalet, der går gennem ledningen. Til dette inviterer vi dig til at læse om LC Circuit, også kaldet Tank Circuit eller Tuned Circuit. Et LC -kredsløb er et elektrisk kredsløb baseret på en induktor/spole (L) og en kondensator (C) forbundet parallelt. Dette kredsløb bruges i filtre, tunere og frekvensblandere. Følgelig bruges den almindeligt i trådløse transmissionstransmissioner til både broadcast og modtagelse. Vi vil ikke gå ind på de teoretiske detaljer vedrørende LC -kredsløb, men det vigtigste at huske på for at forstå sensorkredsløbet, der bruges i denne artikel, ville være formlen til beregning af resonansfrekvensen for et LC -kredsløb, som går som:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Hvor L er spoleens induktansværdi i H (Henry) og C er kondensatorens kapacitansværdi i F (Farads). For at sensoren kan registrere 34kHz-40Khz-signalet, der løber ind i ledningen, bør det tank kredsløb, vi brugte, have resonansfrekvensen i dette område. Vi valgte L = 1mH og C = 22nF for at opnå en resonansfrekvens på 33 932Hz beregnet ved hjælp af formlen (2). Amplituden af det signal, der opdages af vores tank kredsløb, vil være relativt lille (maksimalt 80mV, da vi testede vores sensorkredsløb), når induktoren er ca. 10 cm fra ledningen, derfor vil den have brug for en vis forstærkning. For at gøre dette har vi brugt den populære LM324 Op-Amp-forstærker til at forstærke signalet med en forstærkning på 100 i en ikke-inverterende konfiguration 2-trins forstærkning for at sikre et godt læseligt analogt signal på en større afstand end 10 cm i sensorens output. Denne artikel indeholder nyttige oplysninger om Op-Amps generelt. Du kan også se på LM324's datablad. Her er en typisk kredsløbsskema for en LM324-forstærker: Op-Amp i ikke-inverterende konfiguration (fjerde billede)

Ved at bruge ligningen til en ikke-inverterende forstærkningskonfiguration, Av = 1+R2/R1. Indstilling af R1 til 10KOhms og R2 til 1MOhms giver en forstærkning på 100, hvilket er inden for den ønskede specifikation. For at robotten skal kunne detektere omkredsstråden i forskellige retninger, er det mere passende at have mere end én sensor installeret på den. Jo flere sensorer på robotten, jo bedre vil den registrere afgrænsningskablet. Til denne vejledning, og da LM324 er en quad-op-forstærker (det betyder, at en LM324-chip har 4 separate forstærkere), bruger vi to detekteringssensorer på tavlen. Dette betyder at bruge to LC -kredsløb, og hver vil have 2 trin af forstærkning. Derfor er der kun brug for en LM324 -chip.

Trin 6: Skematisk og prototyper

Som vi diskuterede ovenfor, er skematikken for sensorbrættet ret ligetil. Den består af 2 LC -kredsløb, en LM324 -chip og et par 10KOhms- og 1MOhms -modstande for at indstille forstærkernes gevinster.

Her er en liste over de komponenter, du kan bruge:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm modstande
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm modstande
• C1, C2: 22nF kondensatorer
• IC: LM324N forstærker
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3-bens M / M overskrifter
• Induktorer 1, 2: 1mH*

* 1mH induktorer med en strømværdi på 420mA og en Q -faktor på 40 252kHz burde fungere godt. Vi har tilføjet skrueterminaler som induktorledninger til skematikken for at induktorerne (med ledninger loddet til ledninger) kan placeres på bekvemme steder på robotten. Derefter forbindes ledningerne (af induktorerne) til skrueterminalerne. Out1 og Out2 pins kunne direkte tilsluttes en mikrokontrollers analoge input pins. For eksempel kan du bruge et Arduino UNO-kort eller, bedre, en BotBoarduino-controller til en mere bekvem forbindelse, da det har analoge stifter opdelt i en række med 3 ben (Signal, VCC, GND), og det er også Arduino-kompatibelt. LM324 -chippen vil blive drevet via mikrokontrollerens 5V, derfor vil det analoge signal (detekteret bølge) fra sensorkortet variere mellem 0V og 5V afhængigt af afstanden mellem induktoren og omkredsstråden. Jo tættere induktoren er på omkredsstråden, desto større er amplituden af sensorkredsløbets udgangsbølge. Sådan skal sensorkredsløbet se ud på et brødbræt.

Trin 7: Resultater

Som vi kan se i oscilloskopets skærmbilleder herunder, forstærkes den detekterede bølge ved udgangen af LC -kredsløbet og mættes ved 5V, når induktoren er 15 cm til omkredsstråden.

Samme som vi gjorde med generator kredsløbet, har vi designet en flot kompakt printplade med gennemgående huller til sensorpladen med to tank kredsløb, en forstærker og 2 analoge udgange. Filer findes i sektionen "Filer" i slutningen af denne artikel.

Trin 8: Arduino -kode

Arduino -koden, som du kan bruge til din omkredsstrådgenerator og sensoren, er meget enkel. Da sensorkortets output er to analoge signaler, der varierer fra 0V til 5V (et for hver sensor/induktor), kan AnalogRead Arduino -eksemplet bruges. Tilslut bare de to udgangsstifter på sensorbrættet til to analoge indgangsstifter, og læs den relevante pin ved at ændre Arduino AnalogRead -eksemplet. Ved hjælp af Arduino seriel skærm skal du se en RAW -værdi for den analoge pin, du bruger, variere fra 0 til 1024, når du nærmer dig induktoren til omkredsstråden.

Koden læser spændingen på analogPin og viser den.

int analogPin = A3; // potentiometer visker (midterklemme) forbundet til analog pin 3 // udvendig fører til jord og +5V

int val = 0; // variabel til at gemme værdien læst

ugyldig opsætning () {

Serial.begin (9600); // opsætningsseriel

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // læs input -pin Serial.println (val); // fejlfindingsværdi