DIY Περιμετρική γεννήτρια και αισθητήρας καλωδίων: 8 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Η τεχνολογία καθοδήγησης καλωδίων χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία, ιδιαίτερα σε αποθήκες όπου ο χειρισμός είναι αυτοματοποιημένος. Τα ρομπότ ακολουθούν έναν συρμάτινο βρόχο χωμένο στο έδαφος. Ένα εναλλασσόμενο ρεύμα σχετικά χαμηλής έντασης και συχνότητας μεταξύ 5Kz και 40KHz ρέει σε αυτό το καλώδιο. Το ρομπότ είναι εξοπλισμένο με επαγωγικούς αισθητήρες, συνήθως βασισμένους σε κύκλωμα δεξαμενής (με συχνότητα συντονισμού ίση ή κοντά στη συχνότητα του δημιουργούμενου κύματος) που μετρά την ένταση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου κοντά στο έδαφος. Μια αλυσίδα επεξεργασίας (ενίσχυση, φίλτρα, σύγκριση) καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της θέσης του ρομπότ εντός του σύρματος. Αυτές τις μέρες, το σύρμα περιμέτρου/ορίου χρησιμοποιείται επίσης για τη δημιουργία «αόρατων φρακτών» για να κρατήσει τα κατοικίδια ζώα εντός αυλών και ρομπότ χλοοκοπτικά μέσα σε ζώνες. Η LEGO χρησιμοποιεί επίσης την ίδια αρχή για να καθοδηγεί οχήματα σε δρόμους χωρίς οι επισκέπτες να βλέπουν γραμμές.

Αυτό το σεμινάριο εξηγεί με έναν εύκολο και διαισθητικό τρόπο για να σας βοηθήσει να κατανοήσετε τη θεωρία, το σχεδιασμό και την εφαρμογή για να φτιάξετε τη δική σας γεννήτρια και αισθητήρα για περιμετρικό σύρμα. Τα αρχεία (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files και Arduino Sample Code) είναι επίσης διαθέσιμα για λήψη. Με αυτόν τον τρόπο, μπορείτε να προσθέσετε τη λειτουργία ανίχνευσης περιμέτρου καλωδίου στο αγαπημένο σας ρομπότ και να το διατηρήσετε σε μια «ζώνη» λειτουργίας.

Βήμα 1: ΓΕΝΝΗΤΗΡΑΣ

Θεωρία

Το κύκλωμα της περιμετρικής γεννήτριας σύρματος θα βασίζεται στο διάσημο χρονοδιακόπτη NE555. Το NE555 ή συνηθέστερα 555 είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα που χρησιμοποιείται για τη λειτουργία χρονοδιακόπτη ή πολλαπλών δονητών. Αυτό το εξάρτημα χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα λόγω της ευκολίας χρήσης, του χαμηλού κόστους και της σταθερότητάς του. Ένα δισεκατομμύριο μονάδες κατασκευάζονται ετησίως. Για τη γεννήτρια μας, θα χρησιμοποιήσουμε το NE555 σε διαμόρφωση Astable. Η σταθερή διαμόρφωση επιτρέπει τη χρήση του NE555 ως ταλαντωτή. Δύο αντιστάσεις και ένας πυκνωτής καθιστούν δυνατή την τροποποίηση της συχνότητας ταλάντωσης καθώς και του κύκλου λειτουργίας. Η διάταξη των εξαρτημάτων είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Το NE555 Δημιουργεί ένα (τραχύ) τετράγωνο κύμα που μπορεί να τρέξει το μήκος του περιμετρικού σύρματος. Αναφερόμενοι στο φύλλο δεδομένων NE555 για το χρονόμετρο, υπάρχει ένα κύκλωμα δείγματος, καθώς και η θεωρία λειτουργίας (8.3.2 Α-σταθερή λειτουργία). Η Texas Instruments δεν είναι ο μόνος κατασκευαστής IC NE555, οπότε αν επιλέξετε άλλο τσιπ, φροντίστε να ελέγξετε το εγχειρίδιό του. Προσφέρουμε όντως αυτό το ωραίο κιτ συγκόλλησης χρονοδιακόπτη 555 που θα σας δώσει την ευκαιρία να συγκολλήσετε όλα τα εσωτερικά εξαρτήματα ενός χρονοδιακόπτη 555 σε ένα πακέτο διαμπερών οπών για να κατανοήσετε λεπτομερώς τη λειτουργία αυτού του κυκλώματος.

Σχηματική και Πρωτότυπη

Το σχήμα που παρέχεται στο εγχειρίδιο NE555 (8.3.2 τμήμα σταθερής λειτουργίας Α) είναι αρκετά πλήρες. Μερικά πρόσθετα συστατικά προστέθηκαν και συζητήθηκαν παρακάτω. (πρώτη εικόνα)

Ο τύπος που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της συχνότητας του τετραγωνικού κύματος εξόδου είναι

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

Το εύρος συχνοτήτων του τετραγωνικού κύματος που δημιουργείται θα είναι μεταξύ 32Khz και 44KHz, η οποία είναι μια συγκεκριμένη συχνότητα που δεν πρέπει να παρεμβαίνει σε άλλες κλειστές συσκευές. Για αυτό, επιλέξαμε Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potentiometer και C = 1.2nF. Το ποτενσιόμετρο θα μας βοηθήσει να αλλάξουμε τη συχνότητα της εξόδου τετραγωνικού κύματος ώστε να ταιριάζει με τη συχνότητα συντονισμού του κυκλώματος LC Tank που θα συζητηθεί αργότερα. Η θεωρητικά χαμηλότερη και υψηλότερη τιμή της συχνότητας εξόδου θα έχει ως εξής υπολογισμένη με τον τύπο (1): Χαμηλότερη τιμή συχνότητας: fL = 1.44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) ≈32 698Hz

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

Δεδομένου ότι το ποτενσιόμετρο 4,7KOhms δεν φτάνει ποτέ στα 0 ή 4,7, το εύρος συχνοτήτων εξόδου θα κυμαίνεται από περίπου 33,5Khz έως 39Khz. Εδώ είναι το πλήρες διάγραμμα του κυκλώματος γεννήτριας. (δεύτερη εικόνα)

Όπως μπορείτε να δείτε στο σχήμα, προστέθηκαν λίγα επιπλέον στοιχεία και θα συζητηθούν παρακάτω. Εδώ είναι το πλήρες BOM:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (Αντίσταση περιορισμού ρεύματος): 47 Ohms (πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο για να διαχέει τη θερμότητα, ενώ η ισχύς των 2W θα είναι αρκετή)
• R4: Ποτενσιόμετρο 4,7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF θα κάνει επίσης τη δουλειά)
• C5: 1uF
• J1: Σύνδεσμος κεντρικού θετικού βαρελιού 2,5 mm (5-15V DC)
• J2: Βιδωτός ακροδέκτης (δύο θέσεις)
• IC1: Χρονοδιακόπτης ακριβείας NE555

Τα πρόσθετα εξαρτήματα που προστίθενται στο σχήμα περιλαμβάνουν έναν γρύλο κάννης (J1) για εύκολη σύνδεση με έναν προσαρμογέα τοίχου (12V) και έναν ακροδέκτη βίδας (12) για βολική σύνδεση με το περιμετρικό καλώδιο. Περιμετρικό καλώδιο: Σημειώστε ότι όσο μεγαλύτερο είναι το περιμετρικό καλώδιο, τόσο περισσότερο το σήμα υποβαθμίζεται. Δοκιμάσαμε τη ρύθμιση με περίπου 100 of 22-μετρητή πολύκλωνο σύρμα (κολλημένο στο έδαφος σε αντίθεση με το θαμμένο). Τροφοδοσία: Ένας προσαρμογέας τοίχου 12V είναι απίστευτα συνηθισμένος και οποιαδήποτε τρέχουσα βαθμολογία πάνω από 500mA θα πρέπει να λειτουργεί καλά. Μπορείτε επίσης να επιλέξετε ένα όξινο μόλυβδο 12V ή 11,1V LiPo για να το κρατήσετε μέσα στη θήκη, αλλά φροντίστε να το προστατεύσετε από τις καιρικές συνθήκες και να το απενεργοποιήσετε όταν δεν το χρησιμοποιείτε. Εδώ είναι μερικά μέρη που προσφέρουμε που μπορεί να χρειαστείτε κατά την κατασκευή του κυκλώματος γεννήτριας:

• 2.1mm Barrel Jack στο τερματικό ή αυτόν τον 2.1mm Barrel Jack Adapter - Breadboard Compatible
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Solderless Breadboard
• 65 x 22 Gauge Assorted Jumper Wires
• Σετ αντίστασης DFRobot
• Σετ πυκνωτών SparkFun
• Τροφοδοτικό 12VDC 3A Προσαρμογέας τοίχου

Δείτε πώς πρέπει να μοιάζει το κύκλωμα της γεννήτριας σε ένα breadboard (τρίτη εικόνα)

Βήμα 2: Αποτελέσματα

Όπως φαίνεται στο παρακάτω στιγμιότυπο παλμογράφου της εξόδου του κυκλώματος γεννήτριας (τραβηγμένο με το παλμογράφο Tablet Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels), μπορούμε να δούμε ένα (τραχύ) τετράγωνο κύμα με συχνότητα 36,41KHz και πλάτος 11.8V (χρησιμοποιώντας προσαρμογέα ισχύος 12V). Η συχνότητα μπορεί να μεταβληθεί ελαφρώς ρυθμίζοντας το ποτενσιόμετρο R4.

Ένας πάγκος χωρίς συγκόλληση είναι σπάνια μακροπρόθεσμη λύση και χρησιμοποιείται καλύτερα για τη δημιουργία ενός γρήγορου πρωτοτύπου. Επομένως, αφού επιβεβαιώσουμε ότι το κύκλωμα της γεννήτριας λειτουργεί όπως πρέπει, δημιουργώντας ένα τετραγωνικό κύμα με εύρος συχνοτήτων 33,5Khz και 40KHz (μεταβλητό μέσω του δοχείου R4), σχεδιάσαμε ένα PCB (24mmx34mm) μόνο με PTH (Plated-through Hole) στοιχεία για να γίνει μια ωραία μικρή πλακέτα γεννήτριας τετραγωνικού κύματος. Δεδομένου ότι τα εξαρτήματα διαμπερών οπών χρησιμοποιήθηκαν για την πρωτοτυπία με έναν πίνακα ψωμιού, το PCB θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιήσει εξαρτήματα διαμπερών οπών (αντί για τοποθέτηση στην επιφάνεια) και επιτρέπει την εύκολη συγκόλληση με το χέρι. Η τοποθέτηση των εξαρτημάτων δεν είναι ακριβής και πιθανότατα μπορείτε να βρείτε περιθώρια βελτίωσης. Έχουμε διαθέσει τα αρχεία Eagle και Gerber για λήψη, ώστε να μπορείτε να φτιάξετε το δικό σας PCB. Μπορείτε να βρείτε αρχεία στην ενότητα "Αρχεία" στο τέλος αυτού του άρθρου. Ακολουθούν ορισμένες συμβουλές κατά το σχεδιασμό της δικής σας πλακέτας: Έχετε το βύσμα κάννης και τον ακροδέκτη βιδών στην ίδια πλευρά του πίνακα Τοποθετήστε τα εξαρτήματα σχετικά κοντά το ένα στο άλλο και ελαχιστοποιήστε τα ίχνη/μήκη Οι οπές στερέωσης να είναι τυπικής διαμέτρου και να τοποθετούνται εύκολα αναπαραγωγή ορθογωνίου.

Βήμα 3: Εγκατάσταση καλωδίου

Λοιπόν, πώς να εγκαταστήσετε το καλώδιο; Αντί να το θάψετε, είναι πιο εύκολο να χρησιμοποιήσετε απλά μανταλάκια για να το κρατήσετε στη θέση του. Είστε ελεύθεροι να χρησιμοποιήσετε ό, τι θέλετε για να διατηρήσετε το σύρμα στη θέση του, αλλά το πλαστικό λειτουργεί καλύτερα. Ένα πακέτο 50 μανταλιών που χρησιμοποιούνται για ρομπότ χλοοκοπτικά τείνει να είναι φθηνό. Κατά την τοποθέτηση του καλωδίου, φροντίστε να συναντήσετε και τα δύο άκρα στην ίδια θέση για να συνδεθείτε με την πλακέτα γεννήτριας μέσω του βιδωτού ακροδέκτη.

Βήμα 4: Αντοχή στον καιρό

Δεδομένου ότι το σύστημα πιθανότατα θα μείνει έξω για να χρησιμοποιηθεί σε εξωτερικούς χώρους. Το περιμετρικό σύρμα χρειάζεται επίστρωση ανθεκτική στις καιρικές συνθήκες και το ίδιο το κύκλωμα της γεννήτριας στεγάζεται σε αδιάβροχη θήκη. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτό το δροσερό περίβλημα για να προστατέψετε τη γεννήτρια από τη βροχή. Δεν δημιουργούνται όλα τα σύρματα ίσα. Εάν σκοπεύετε να αφήσετε το καλώδιο έξω, φροντίστε να επενδύσετε στο σωστό σύρμα, για παράδειγμα, αυτό το Robomow 300 'Perimeter Wire Shielding που δεν είναι ανθεκτικό στην υπεριώδη ακτινοβολία / νερό θα υποβαθμιστεί γρήγορα με την πάροδο του χρόνου και θα γίνει εύθραυστο.

Βήμα 5: Αισθητήρας

Θεωρία

Τώρα που δημιουργήσαμε το κύκλωμα γεννήτριας και βεβαιωθήκαμε ότι λειτουργεί όπως υποτίθεται, ήρθε η ώρα να αρχίσουμε να σκεφτόμαστε πώς να ανιχνεύσουμε το σήμα που περνάει από το καλώδιο. Για αυτό, σας προσκαλούμε να διαβάσετε για το κύκλωμα LC, που ονομάζεται επίσης κύκλωμα δεξαμενών ή συντονισμένο κύκλωμα. Ένα κύκλωμα LC είναι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα που βασίζεται σε έναν επαγωγέα/πηνίο (L) και έναν πυκνωτή (C) που συνδέονται παράλληλα. Αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιείται σε φίλτρα, δέκτες και αναμικτήρες συχνότητας. Κατά συνέπεια, χρησιμοποιείται συνήθως σε ασύρματες εκπομπές μετάδοσης τόσο για μετάδοση όσο και για λήψη. Δεν θα μπούμε σε θεωρητικές λεπτομέρειες σχετικά με τα κυκλώματα LC, αλλά το πιο σημαντικό πράγμα που πρέπει να έχετε κατά νου για να κατανοήσετε το κύκλωμα αισθητήρων που χρησιμοποιείται σε αυτό το άρθρο, θα ήταν ο τύπος για τον υπολογισμό της συχνότητας συντονισμού ενός κυκλώματος LC, ο οποίος μοιάζει με:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Όπου L είναι η τιμή επαγωγής του πηνίου σε H (Henry) και C είναι η τιμή χωρητικότητας του πυκνωτή σε F (Farads). Για να ανιχνεύσει ο αισθητήρας το σήμα 34kHz-40Khz που τρέχει στο καλώδιο, το κύκλωμα της δεξαμενής που χρησιμοποιήσαμε θα πρέπει να έχει τη συχνότητα συντονισμού σε αυτό το εύρος. Επιλέξαμε L = 1mH και C = 22nF για να λάβουμε μια συχνότητα συντονισμού 33 932Hz υπολογιζόμενη χρησιμοποιώντας τον τύπο (2). Το πλάτος του σήματος που ανιχνεύεται από το κύκλωμα της δεξαμενής μας θα είναι σχετικά μικρό (το πολύ 80mV όταν δοκιμάσαμε το κύκλωμα του αισθητήρα μας) όταν ο επαγωγέας βρίσκεται σε απόσταση περίπου 10 εκατοστών από το σύρμα, επομένως, θα χρειαστεί κάποια ενίσχυση. Για να το κάνουμε αυτό, χρησιμοποιήσαμε τον δημοφιλή ενισχυτή LM324 Op-Amp για να ενισχύσουμε το σήμα με κέρδος 100 σε μη αναστρέψιμη διαμόρφωση ενίσχυση 2 σταδίων για να διασφαλίσουμε ότι θα λάβουμε ένα ωραίο αναγνώσιμο αναλογικό σήμα σε μεγαλύτερη απόσταση από 10 εκατοστά στο έξοδο του αισθητήρα. Αυτό το άρθρο παρέχει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τα Op-Amps γενικά. Επίσης, μπορείτε να ρίξετε μια ματιά στο φύλλο δεδομένων του LM324. Εδώ είναι ένα τυπικό σχηματικό κύκλωμα ενός ενισχυτή LM324: Op-Amp σε μη αναστρέψιμη διαμόρφωση (τέταρτη εικόνα)

Χρησιμοποιώντας την εξίσωση για μια μη-αναστρέψιμη διαμόρφωση κέρδους, Av = 1+R2/R1. Η ρύθμιση των R1 σε 10KOhms και R2 σε 1MOhms θα προσφέρει κέρδος 100, το οποίο είναι εντός των επιθυμητών προδιαγραφών. Προκειμένου το ρομπότ να μπορεί να ανιχνεύσει το περιμετρικό σύρμα σε διαφορετικούς προσανατολισμούς, είναι πιο κατάλληλο να έχει τοποθετηθεί πάνω του ένας αισθητήρας. Όσο περισσότεροι αισθητήρες στο ρομπότ, τόσο καλύτερα θα ανιχνεύσει το καλώδιο ορίου. Για αυτό το σεμινάριο, και επειδή το LM324 είναι τετραπλός ενισχυτής (αυτό σημαίνει ότι ένα τσιπ LM324 έχει 4 ξεχωριστούς ενισχυτές), θα χρησιμοποιήσουμε δύο αισθητήρες ανίχνευσης στην πλακέτα. Αυτό σημαίνει ότι χρησιμοποιούνται δύο κυκλώματα LC και το καθένα θα έχει 2 στάδια ενίσχυσης. Επομένως, χρειάζεται μόνο ένα τσιπ LM324.

Βήμα 6: Σχηματικό και Πρωτότυπο

Όπως συζητήσαμε παραπάνω, το σχήμα για την πλακέτα αισθητήρων είναι αρκετά απλό. Αποτελείται από 2 κυκλώματα LC, ένα τσιπ LM324 και μερικές αντιστάσεις 10KOhms και 1MOhms για να ρυθμίσετε τα κέρδη των ενισχυτών.

Ακολουθεί μια λίστα με τα στοιχεία που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε:

• R1, R3, R5, R7: Αντιστάσεις 10KOhm
• Αντιστάσεις R2, R4, R6, R8: 1MOhm
• C1, C2: 22nF Πυκνωτές
• IC: Ενισχυτής LM324N
• JP3 / JP4: Κεφαλίδες M / M 3 ακίδων 2,54 mm
• Επαγωγείς 1, 2: 1mH*

* Οι επαγωγείς 1mH με τρέχουσα βαθμολογία 420mA και συντελεστή Q 40 252kHz θα πρέπει να λειτουργούν καλά. Έχουμε προσθέσει βιδωτούς ακροδέκτες ως επαγωγείς στο σχήμα για να τοποθετηθούν οι επαγωγείς (με αγωγούς συγκολλημένους σε καλώδια) σε βολικές θέσεις του ρομπότ. Στη συνέχεια, τα καλώδια (των επαγωγών) θα συνδεθούν με τους ακροδέκτες των βιδών. Οι ακίδες Out1 και Out2 θα μπορούσαν να συνδεθούν απευθείας με τις αναλογικές ακίδες εισόδου ενός μικροελεγκτή. Για παράδειγμα, θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε ένα Arduino UNO Board ή, καλύτερα, ένα BotBoarduino Controller για μια πιο βολική σύνδεση, καθώς έχει αναλογικούς πείρους σε μια σειρά 3 ακίδων (Signal, VCC, GND) και είναι επίσης συμβατός με Arduino. Το τσιπ LM324 θα τροφοδοτηθεί μέσω των 5V του μικροελεγκτή, επομένως, το αναλογικό σήμα (ανιχνευμένο κύμα) από την πλακέτα αισθητήρα θα κυμαίνεται μεταξύ 0V και 5V ανάλογα με την απόσταση μεταξύ του επαγωγέα και του περιμετρικού καλωδίου. Όσο πιο κοντά είναι ο επαγωγέας στο περιμετρικό καλώδιο, τόσο μεγαλύτερο είναι το πλάτος του κύματος εξόδου του κυκλώματος αισθητήρα. Δείτε πώς πρέπει να μοιάζει το κύκλωμα του αισθητήρα σε μια σανίδα ψωμιού.

Βήμα 7: Αποτελέσματα

Όπως μπορούμε να δούμε στα παρακάτω στιγμιότυπα οθόνης του παλμογράφου, το ανιχνευμένο κύμα στην έξοδο του κυκλώματος LC ενισχύεται και κορεσμένο στα 5V όταν ο επαγωγέας βρίσκεται στα 15cm από το περιμετρικό σύρμα.

Όπως κάναμε με το κύκλωμα της γεννήτριας, σχεδιάσαμε ένα ωραίο συμπαγές PCB με εξαρτήματα διαμπερών οπών για την πλακέτα αισθητήρων με δύο κυκλώματα δεξαμενής, έναν ενισχυτή και 2 αναλογικές εξόδους. Μπορείτε να βρείτε αρχεία στην ενότητα "Αρχεία" στο τέλος αυτού του άρθρου.

Βήμα 8: Κωδικός Arduino

Ο κώδικας Arduino που θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε για την περιμετρική γεννήτρια σύρματος και τον αισθητήρα είναι πολύ απλός. Καθώς η έξοδος της πλακέτας αισθητήρων είναι δύο αναλογικά σήματα που κυμαίνονται από 0V έως 5V (ένα για κάθε αισθητήρα/επαγωγέα), μπορεί να χρησιμοποιηθεί το παράδειγμα του AnalogRead Arduino. Απλώς συνδέστε τους δύο πείρους εξόδου της πλακέτας αισθητήρα σε δύο αναλογικές ακίδες εισόδου και διαβάστε τον κατάλληλο ακροδέκτη τροποποιώντας το Παράδειγμα Arduino AnalogRead. Χρησιμοποιώντας τη σειριακή οθόνη Arduino, θα πρέπει να δείτε μια τιμή RAW του αναλογικού πείρου που χρησιμοποιείτε να κυμαίνεται από 0 έως 1024 καθώς πλησιάζετε τον επαγωγέα στο περιμετρικό καλώδιο.

Ο κώδικας διαβάζει την τάση στο analogPin και την εμφανίζει.

int analogPin = A3; // υαλοκαθαριστήρας ποτενσιόμετρου (μεσαίο τερματικό) συνδεδεμένος με τον αναλογικό πείρο 3 // εξωτερικά καλώδια στη γείωση και +5V

int val = 0; // μεταβλητή για αποθήκευση της τιμής που διαβάζεται

void setup () {

Serial.begin (9600); // σειρά εγκατάστασης

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // διαβάστε τον πείρο εισόδου Serial.println (val); // τιμή εντοπισμού σφαλμάτων