DIY -kehäjohdingeneraattori ja -anturi: 8 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Langanohjaustekniikkaa käytetään laajalti teollisuudessa, erityisesti varastoissa, joissa käsittely on automatisoitu. Robotit seuraavat maahan kaivettua langasilmukkaa. Tässä johdossa virtaa suhteellisen alhaisen intensiteetin ja taajuuden vaihtovirta 5Kz - 40KHz. Robotti on varustettu induktiivisilla antureilla, jotka perustuvat yleensä säiliöpiiriin (jonka resonanssitaajuus on yhtä suuri tai lähellä syntyvän aallon taajuutta), joka mittaa sähkömagneettisen kentän voimakkuutta lähellä maata. Käsittelyketju (vahvistus, suodattimet, vertailu) mahdollistaa robotin sijainnin määrittämisen langan sisällä. Nykyään kehää/rajoituskaapelia käytetään myös luomaan "näkymättömiä aitoja" pitämään lemmikkejä pihoilla ja robottiruohonleikkureita vyöhykkeillä. LEGO käyttää samaa periaatetta myös ohjaamaan ajoneuvoja teitä pitkin ilman, että kävijät näkevät viivoja.

Tämä opetusohjelma selittää helpon ja intuitiivisen tavan auttaa sinua ymmärtämään teorian, suunnittelun ja toteutuksen, jotta voit luoda oman generaattorin ja anturin kehäjohdolle. Tiedostot (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files ja Arduino Sample Code) ovat myös ladattavissa. Tällä tavalla voit lisätä langan kehän tunnistusominaisuuden suosikkrobottiisi ja pitää sen toiminta -alueella.

Vaihe 1: GENERAATTORI

Teoria

Kehäjohdingeneraattoripiiri perustuu kuuluisaan NE555 -ajastimeen. NE555 tai yleisemmin 555 on integroitu piiri, jota käytetään ajastin- tai monivibraattoritilassa. Tätä komponenttia käytetään edelleen tänäkin päivänä, koska se on helppokäyttöinen, edullinen ja vakaa. Vuosittain valmistetaan miljardi yksikköä. Generaattorissamme käytämme NE555: tä Astable -kokoonpanossa. Vakaa kokoonpano mahdollistaa NE555: n käytön oskillaattorina. Kaksi vastusta ja kondensaattori mahdollistavat värähtelytaajuuden ja käyttöjakson muuttamisen. Komponenttien järjestely on alla olevan kaavion mukainen. NE555 muodostaa (karkean) neliöaallon, joka voi kulkea kehäjohdon pituuden. Viitaten ajastimen NE555-tietolomakkeeseen on näytepiiri sekä toimintateoria (8.3.2 A-vakaa toiminta). Texas Instruments ei ole ainoa NE555 -piirien valmistaja, joten jos valitset toisen sirun, tarkista sen käyttöohje. Tarjoamme tämän mukavan 555 -ajastinjuotosarjan, joka antaa sinulle mahdollisuuden juottaa kaikki 555 -ajastimen sisäiset komponentit läpireikäpakettiin, jotta voit ymmärtää tämän piirin toiminnan yksityiskohtaisesti.

Kaavio ja prototyyppien laatiminen

NE555-käsikirjan kaavio (8.3.2 A-vakaa käyttöosa) on melko täydellinen. Muutamia lisäkomponentteja lisättiin ja niistä keskusteltiin alla. (ensimmäinen kuva)

Ulostulon neliöaallon taajuuden laskemiseen käytettävä kaava on

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

Luodun neliöaallon taajuusalue on välillä 32KHz ja 44KHz, mikä on tietty taajuus, joka ei saisi häiritä muita lähellä olevia laitteita. Tätä varten olemme valinneet Ra = 3,3Kohm, Rb = 12KOhms + 4,7Kohms potentiometri ja C = 1,2nF. Potentiometri auttaa meitä vaihtamaan neliöaaltoulostulon taajuuden vastaamaan LC -säiliöpiirin resonanssitaajuutta, josta keskustellaan myöhemmin. Lähtötaajuuden teoreettinen alin ja korkein arvo lasketaan seuraavasti kaavalla (1): Pienin taajuusarvo: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

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

Koska 4.7Kohms -potentiometri ei koskaan saavuta 0 tai 4.7, lähtötaajuusalue vaihtelee noin 33,5 kHz - 39 khz. Tässä on täydellinen kaavio generaattoripiiristä. (toinen kuva)

Kuten kaaviosta näet, muutamia lisäkomponentteja lisättiin ja niistä keskustellaan alla. Tässä on täydellinen BOM:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (virranrajoitusvastus): 47 ohmia (sen on oltava melko suuri lämmön hajauttamiseksi, ja 2 W: n tehon pitäisi riittää)
• R4: 4,7 KOhm potentiometri
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF tekee myös työn)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm: n positiivinen keskipistoke (5-15 V DC)
• J2: Ruuviliitin (kaksi asentoa)
• IC1: NE555 tarkkuusajastin

Kaavioon lisättyjä muita osia ovat tynnyritanko (J1), joka on helppo liittää seinäadapteriin (12 V), ja ruuviliitin (12), joka on kätevä yhdistää kehäjohtoon. Kehäjohdin: Huomaa, että mitä pidempi kehäjohto, sitä enemmän signaali heikkenee. Testasimme kokoonpanoa noin 100 tuuman 22-mittaisella monisäikeisellä langalla (kiinnitetty maahan toisin kuin haudattu). Virtalähde: 12 V: n seinäsovitin on uskomattoman yleinen, ja minkä tahansa yli 500 mA: n virran pitäisi toimia hyvin. Voit myös valita 12 V lyijyhapon tai 11,1 V LiPo: n pitämään sen kotelossa, mutta muista suojata se säältä ja sammuttaa se, kun sitä ei käytetä. Seuraavassa on joitain osia, joita voimme tarvita generaattoripiirin rakentamisessa:

• 2,1 mm: n tynnyrin jakki liittimeen tai tämä 2,1 mm: n tynnyrin jakkisovitin - Breadboard -yhteensopiva
• 400 solmukohdan lukittava läpinäkyvä juoton leipälevy
• 65 x 22 mittarin valikoituja hyppyjohtoja
• DFRobot -vastussarja
• SparkFun -kondensaattorisarja
• 12VDC 3A seinäadapterin virtalähde

Tässä on, miltä generaattoripiirin pitäisi näyttää leipälaudalla (kolmas kuva)

Vaihe 2: Tulokset

Kuten alla olevassa oskilloskoopin kuvakaappauksessa generaattoripiirin lähdöstä (otettu Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 -kanavainen tabletti -oskilloskoopilla), voimme nähdä (karkean) neliöaallon, jonka taajuus on 36,41 KHz ja amplitudi 11,8 V (12 V: n verkkolaitteella). Taajuutta voidaan muuttaa hieman säätämällä R4 -potentiometriä.

Juoton leipälauta on harvoin koskaan pitkäaikainen ratkaisu, ja sitä käytetään parhaiten nopean prototyypin luomiseen. Siksi sen jälkeen kun olemme vahvistaneet, että generaattoripiiri toimii niin kuin pitäisi, muodostaen neliöaallon, jonka taajuusalue on 33,5 kHz ja 40 kHz (vaihtelee R4-potin kautta), olemme suunnitelleet piirilevyn (24 mm x 34 mm), jossa on vain PTH (Plated-through Hole)) komponentteja, jotta se olisi mukava pieni neliöaaltogeneraattorilevy. Koska läpireikäkomponentteja käytettiin prototyyppien valmistukseen leipälevyn kanssa, piirilevy voi käyttää myös läpireikäkomponentteja (pinta-asennuksen sijasta) ja mahdollistaa helpon juottamisen käsin. Komponenttien sijoitus ei ole tarkka, ja voit todennäköisesti löytää parantamisen varaa. Olemme asettaneet Eagle- ja Gerber -tiedostot ladattavaksi, jotta voit tehdä oman piirilevyn. Tiedostot löytyvät tämän artikkelin lopussa olevasta "Tiedostot" -osiosta. Seuraavassa on muutamia vinkkejä oman levyn suunnittelussa: Pidä tynnyrin liitin ja ruuviliitin levyn samalla puolella Asenna komponentit suhteellisen lähelle toisiaan ja minimoi jäljet/pituudet Onko asennusreikien oltava vakioläpimittaisia ja sijoitettava helposti toistaa suorakulmion.

Vaihe 3: Johdon asennus

Miten lanka asennetaan? Sen hautaamisen sijaan on helpointa käyttää tappeja pitämään se paikallaan. Voit vapaasti käyttää mitä haluat pitääksesi langan paikallaan, mutta muovi toimii parhaiten. Robottiruohonleikkureihin käytettävä 50 tapin pakkaus on yleensä halpa. Kun asennat johtoa, varmista, että molemmat päät kohtaavat samassa paikassa, jotta voit muodostaa yhteyden generaattorikorttiin ruuviliittimen kautta.

Vaihe 4: Säänkestävyys

Koska järjestelmä todennäköisesti jätetään ulos käytettäväksi ulkona. Kehäjohto tarvitsee säänkestävän pinnoitteen, ja itse generaattoripiiri on sijoitettu vedenpitävään koteloon. Voit käyttää tätä viileää koteloa suojaamaan generaattoria sateelta. Kaikki johdot eivät ole tasavertaisia. Jos aiot jättää langan pois, muista investoida oikeaan lankaan, esimerkiksi tämä Robomow 300 'kehäjohtosuoja, joka ei ole UV- / vedenkestävä, hajoaa nopeasti ajan myötä ja muuttuu hauraaksi.

Vaihe 5: Anturi

Teoria

Nyt kun olemme rakentaneet generaattoripiirin ja varmistaneet, että se toimii odotetulla tavalla, on aika alkaa miettiä, kuinka havaita langan läpi kulkeva signaali. Tätä varten kehotamme sinua lukemaan LC -piiristä, jota kutsutaan myös säiliöpiiriksi tai viritetyksi piiriksi. LC -piiri on sähköpiiri, joka perustuu rinnakkain kytkettyyn induktoriin/kelaan (L) ja kondensaattoriin (C). Tätä piiriä käytetään suodattimissa, virittimissä ja taajuusmuuttajissa. Siksi sitä käytetään yleisesti langattomissa yleislähetyksissä sekä yleislähetyksessä että vastaanotossa. Emme mene teoreettisiin yksityiskohtiin LC -piireistä, mutta tärkein asia, joka on pidettävä mielessä tässä artikkelissa käytetyn anturipiirin ymmärtämiseksi, olisi kaava LC -piirin resonanssitaajuuden laskemiseksi, joka menee seuraavasti:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Missä L on kelan induktanssiarvo H (Henry) ja C on kondensaattorin kapasitanssiarvo F (Farads). Jotta anturi havaitsisi lankaan kulkevan 34 kHz-40 khz signaalin, käyttämämme säiliöpiirin resonanssitaajuuden tulisi olla tällä alueella. Valitsimme L = 1mH ja C = 22nF saadaksemme resonanssitaajuuden 33 932 Hz laskettuna kaavalla (2). Säiliöpiirimme havaitseman signaalin amplitudi on suhteellisen pieni (enintään 80 mV, kun testasimme anturipiiriä), kun induktori on noin 10 cm: n päässä johdosta, joten se tarvitsee vahvistusta. Tätä varten olemme käyttäneet suosittua LM324 Op-Amp -vahvistinta vahvistamaan signaalia 100 vahvistuksella ei-invertoivassa 2-vaiheisessa vahvistuksessa varmistaaksemme mukavan luettavan analogisen signaalin saamisen suuremmalla etäisyydellä kuin 10 cm anturin lähtö. Tämä artikkeli sisältää hyödyllistä tietoa Op-vahvistimista yleensä. Voit myös katsoa LM324: n tietolomaketta. Tässä on tyypillinen piirikaavio LM324-vahvistimesta: Op-Amp ei-invertoivassa kokoonpanossa (neljäs kuva)

Käyttämällä yhtälöä ei-invertoivaan vahvistuskonfiguraatioon, Av = 1+R2/R1. Asettamalla R1 arvoon 10KOhms ja R2 arvoon 1MOhms saat 100 vahvistuksen, joka on halutun määrityksen sisällä. Jotta robotti voisi havaita kehäjohdon eri suunnissa, on tarkoituksenmukaisempaa asentaa useampi kuin yksi anturi. Mitä enemmän antureita robotissa, sitä paremmin se tunnistaa rajakaapelin. Tässä opetusohjelmassa ja koska LM324 on quad-op-vahvistin (tämä tarkoittaa, että yhdellä LM324-sirulla on 4 erillistä vahvistinta), käytämme kahta tunnistavaa anturia. Tämä tarkoittaa kahden LC -piirin käyttöä ja jokaisella on 2 vahvistuksen vaihetta. Siksi tarvitaan vain yksi LM324 -siru.

Vaihe 6: Kaavio ja prototyyppien laatiminen

Kuten edellä keskustelimme, anturikortin kaavio on melko suoraviivainen. Se koostuu 2 LC -piiristä, yhdestä LM324 -sirusta ja parista 10KOhms- ja 1MOhms -vastuksesta vahvistimien vahvistusten asettamiseksi.

Tässä on luettelo komponenteista, joita voit käyttää:

• R1, R3, R5, R7: 10Kohm vastukset
• R2, R4, R6, R8: 1Mohm vastukset
• C1, C2: 22nF kondensaattorit
• IC: LM324N -vahvistin
• JP3 / JP4: 2,54 mm: n 3-nastaiset M / M-otsikot
• Induktorit 1, 2: 1 mH*

* 1mH Induktorien, joiden virrankulutus on 420mA ja Q -kerroin 40252kHz, pitäisi toimia hyvin. Olemme lisänneet kaavioon ruuviliittimet induktorijohtimiksi, jotta induktorit (johtoihin juotetut johdot) voidaan sijoittaa sopivaan paikkaan robotissa. Sitten (induktorien) johdot kytketään ruuviliittimiin. Out1- ja Out2 -nastat voidaan kytkeä suoraan mikro -ohjaimen analogiatulonappeihin. Voit esimerkiksi käyttää Arduino UNO -levyä tai, mikä parasta, BotBoarduino-ohjainta, jotta yhteys olisi helpompi, koska siinä on analogiset nastat jaettu 3-nastaiseen riviin (Signal, VCC, GND) ja se on myös Arduino-yhteensopiva. LM324 -siru saa virtansa mikro -ohjaimen 5 V: n kautta, joten anturikortin analoginen signaali (havaittu aalto) vaihtelee välillä 0 V ja 5 V riippuen induktorin ja kehäjohdon välisestä etäisyydestä. Mitä lähempänä kela on kehäjohtoa, sitä suurempi on anturipiirin lähtöaallon amplitudi. Tässä on, miltä anturipiirin pitäisi näyttää leipätaululla.

Vaihe 7: Tulokset

Kuten voimme nähdä alla olevasta oskilloskoopin kuvakaappauksesta, havaittu aalto LC -piirin ulostulossa vahvistetaan ja kyllästyy 5 V: lla, kun induktori on 15 cm: n päässä kehäjohdosta.

Kuten generaattoripiirin kanssa, olemme suunnitelleet hienon kompaktin piirilevyn, jossa on reiän komponentit anturikortille, jossa on kaksi säiliöpiiriä, vahvistin ja 2 analogista lähtöä. Tiedostot löytyvät tämän artikkelin lopussa olevasta "Tiedostot" -osiosta.

Vaihe 8: Arduino -koodi

Arduino -koodi, jota voit käyttää kehäjohdingeneraattorillesi ja anturille, on hyvin yksinkertainen. Koska anturikortin lähtö on kaksi analogista signaalia, jotka vaihtelevat 0V - 5V (yksi kullekin anturille/induktorille), voidaan käyttää AnalogRead Arduino -esimerkkiä. Liitä vain anturikortin kaksi lähtötapaa kahteen analogiseen tulonastaan ja lue sopiva nasta muokkaamalla Arduino AnalogRead Esimerkkiä. Kun käytät Arduino -sarjamonitoria, sinun pitäisi nähdä käyttämäsi analogisen nastan RAW -arvo vaihtelevan välillä 0 - 1024, kun lähestyt induktoria kehäjohdolle.

Koodi lukee analogPinin jännitteen ja näyttää sen.

int analogPin = A3; // potentiometrin pyyhin (keskiliitin) kytketty analogiseen nastaan 3 // ulkojohdot maahan ja +5V

int val = 0; // muuttuja lukemasi arvon tallentamiseksi

void setup () {

Sarja.alku (9600); // asennussarja

}

void loop () {

val = analoginen luku (analogPin); // lue syöttötappi Serial.println (val); // virheenkorjausarvo