DIY omkretstrådgenerator og sensor: 8 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

Trådveiledningsteknologi er mye brukt i industrien, spesielt i lagre der håndteringen er automatisert. Robotene følger en trådsløyfe begravet i bakken. En vekselstrøm med relativt lav intensitet og frekvens mellom 5Kz og 40KHz strømmer i denne ledningen. Roboten er utstyrt med induktive sensorer, vanligvis basert på en tankkrets (med en resonansfrekvens lik eller nær frekvensen til den genererte bølgen) som måler intensiteten til det elektromagnetiske feltet nær bakken. En behandlingskjede (forsterkning, filtre, sammenligning) gjør det mulig å bestemme posisjonen til roboten inne i ledningen. I disse dager brukes også omkrets-/grenseledning til å lage "usynlige gjerder" for å holde kjæledyr innenfor meter, og robotgressklippere innenfor soner. LEGO bruker også det samme prinsippet for å lede kjøretøyer langs veier uten at besøkende ser noen linjer.

Denne opplæringen forklarer på en enkel og intuitiv måte å hjelpe deg med å forstå teori, design og implementering for å lage din egen generator og sensor for en omkretsledning. Filene (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files og Arduino Sample Code) er også tilgjengelige for nedlasting. På denne måten kan du legge til funksjonen for trådomkretsdeteksjon til din favorittrobot og holde den innenfor en "sone".

Trinn 1: GENERATOR

Teori

Omkretsledningsgeneratorkretsen vil være basert på den berømte NE555 -timeren. NE555 eller mer ofte kalt 555 er en integrert krets som brukes til timer- eller multivibratormodus. Denne komponenten brukes fremdeles i dag på grunn av brukervennlighet, lave kostnader og stabilitet. En milliard enheter produseres per år. For vår generator vil vi bruke NE555 i Astable -konfigurasjon. Den stabile konfigurasjonen gjør det mulig å bruke NE555 som en oscillator. To motstander og en kondensator gjør det mulig å endre oscillasjonsfrekvensen så vel som driftssyklusen. Arrangementet av komponentene er som vist i skjemaet nedenfor. NE555 Genererer en (grov) firkantbølge som kan kjøre lengden på omkretsledningen. Med henvisning til databladet NE555 for timeren, er det en prøvekrets, samt teorien om drift (8.3.2 A-stabil drift). Texas Instruments er ikke den eneste produsenten av NE555 IC, så hvis du velger en annen brikke, må du sjekke manualen. Vi tilbyr dette fine 555 timer -loddesettet som gir deg muligheten til å lodde alle de interne komponentene i en 555 timer i en gjennomgående hullpakke, slik at du kan forstå driften av denne kretsen i detalj.

Skjematisk og prototyping

Skjematikken i NE555-manualen (8.3.2 A-stabil driftsdel) er ganske komplett. Noen få ekstra komponenter ble lagt til og diskutert nedenfor. (første bilde)

Formelen som brukes til å beregne frekvensen av utgangsfirkantbølgen er

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

Frekvensområdet til den genererte firkantbølgen vil være mellom 32Khz og 44KHz, som er en spesifikk frekvens som ikke bør forstyrre andre nære enheter. For dette har vi valgt Ra = 3,3KOhms, Rb = 12KOhms + 4,7KOhms potensiometer og C = 1,2nF. Potensiometeret vil hjelpe oss med å variere frekvensen av kvadratbølgeutgangen for å matche resonansfrekvensen til LC Tank -kretsen som vil bli diskutert senere. Den teoretiske laveste og høyeste verdien av utgangsfrekvensen vil være som følger beregnet med formelen (1): Laveste frekvensverdi: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

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

Siden at 4,7KOhms potensiometeret aldri kommer til 0 eller 4,7, vil utgangsfrekvensområdet variere fra rundt 33,5Khz til 39Khz. Her er den komplette skjematikken til generatorkretsen. (andre bilde)

Som du kan se i skjematikken, ble noen få ekstra komponenter lagt til og vil bli diskutert nedenfor. Her er den komplette styklisten:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (Strømbegrensende motstand): 47 Ohm (må være ganske stor for å spre varme med en effekt på 2W bør være nok)
• R4: 4,7 KOhm potensiometer
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF vil også gjøre jobben)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm senter positiv fatkontakt (5-15V DC)
• J2: Skrueterminal (to posisjoner)
• IC1: NE555 presisjonstimer

Ytterligere deler lagt til skjematisk inkluderer en fatkontakt (J1) for enkel tilkobling til en veggadapter (12V) og en skrueterminal (12) for enkelt å koble til kantledningen. Kantledning: Vær oppmerksom på at jo lengre kantledningen er, desto mer nedbrytes signalet. Vi testet oppsettet med omtrent 100 '22 gauge flertrådstråd (festet i bakken i motsetning til begravet). Strømforsyning: En 12V veggadapter er utrolig vanlig, og enhver gjeldende vurdering over 500mA burde fungere godt. Du kan også velge en 12V blysyre eller 11.1V LiPo for å holde den i esken, men sørg for å værbestandig og slå den av når den ikke er i bruk. Her er noen deler vi tilbyr som du kan trenge når du bygger generatorkretsen:

• 2.1mm fat jack til terminal eller denne 2.1mm fat jack adapter - brødbrett kompatibel
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Loddefritt brødbrett
• 65 x 22 Gauge Assorted Jumper Wires
• DFRobot motstandssett
• SparkFun kondensatorsett
• 12VDC 3A veggadapter strømforsyning

Slik skal generatorkretsen se ut på et brødbrett (tredje bilde)

Trinn 2: Resultater

Som vist i oscilloskop -skjermbildet nedenfor av utgangen til generatorkretsen (tatt med Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels Tablet Oscilloscope), kan vi se en (grov) firkantbølge med en frekvens på 36,41 kHz og en amplitude på 11,8V (ved bruk av en 12V strømadapter). Frekvensen kan varieres litt ved å justere R4 -potensiometeret.

Et loddfritt brødbrett er sjelden en langsiktig løsning og brukes best for å lage en rask prototype. Derfor, etter å ha bekreftet at generatorkretsen fungerer som den skal, og som genererer en firkantbølge med et frekvensområde 33,5Khz og 40KHz (variabel gjennom R4-potten), har vi designet en PCB (24mmx34mm) bare med PTH (gjennomhullet hull)) komponenter for å gjøre det til et fint lite firkantet bølgegeneratorbord. Siden gjennomgående hullkomponenter ble brukt til prototyping med et brødbrett, kunne kretskortet også bruke gjennomgående hullkomponenter (i stedet for overflatemontering), og muliggjør enkel lodding for hånd. Plasseringen av komponentene er ikke nøyaktig, og du kan sannsynligvis finne rom for forbedring. Vi har gjort Eagle- og Gerber -filene tilgjengelige for nedlasting, slik at du kan lage din egen PCB. Filer finner du i "Filer" -delen på slutten av denne artikkelen. Her er noen tips når du designer ditt eget brett: Ha fatkontakten og skrueterminalen på samme side av brettet Plasser komponentene relativt nær hverandre og minimer spor/lengder Har monteringshullene en standard diameter og plassert i en lett å gjengi rektangel.

Trinn 3: Trådinstallasjon

Så hvordan installere ledningen? I stedet for å begrave den, er det enklest å bare bruke pinner for å holde den på plass. Du kan bruke hva du vil for å holde ledningen på plass, men plast fungerer best. En pakke med 50 pinner som brukes til robotgressklippere pleier å være rimelig. Når du legger kabelen, må du sørge for at begge ender møtes på samme sted for å koble til generatorkortet via skrueterminalen.

Trinn 4: Værbestandighet

Siden systemet mest sannsynlig vil stå ute for å bli brukt utendørs. Kantledningen trenger et værbestandig belegg, og selve generatorkretsen ligger i et vanntett etui. Du kan bruke denne kule kabinettet for å beskytte generatoren mot regn. Ikke alle ledninger er skapt like. Hvis du planlegger å la ledningen være ute, må du investere i riktig ledning, for eksempel vil denne Robomow 300 'perimeter Wire Shielding som ikke er UV / vannbestandig degradere raskt over tid og bli sprø.

Trinn 5: Sensor

Teori

Nå som vi har bygget generatorkretsen og sørger for at den fungerer som den skulle, er det på tide å begynne å tenke på hvordan man oppdager signalet som går gjennom ledningen. For dette inviterer vi deg til å lese om LC Circuit, også kalt Tank Circuit eller Tuned Circuit. En LC -krets er en elektrisk krets basert på en induktor/spole (L) og en kondensator (C) koblet parallelt. Denne kretsen brukes i filtre, tunere og frekvensblandere. Følgelig er det ofte brukt i trådløse kringkastingsoverføringer for både kringkasting og mottak. Vi vil ikke gå inn på de teoretiske detaljene angående LC -kretser, men det viktigste å huske på for å forstå sensorkretsen som brukes i denne artikkelen, ville være formelen for å beregne resonansfrekvensen til en LC -krets, som går slik:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Hvor L er induktansverdien til spolen i H (Henry) og C er kapasitansverdien til kondensatoren i F (Farads). For at sensoren skal oppdage 34kHz-40Khz-signalet som går inn i ledningen, bør tankkretsen vi brukte ha resonansfrekvensen i dette området. Vi valgte L = 1mH og C = 22nF for å oppnå en resonansfrekvens på 33 932Hz beregnet ved hjelp av formelen (2). Amplituden til signalet som oppdages av tankkretsen vår vil være relativt liten (maksimalt 80mV når vi testet sensorkretsen) når induktoren er omtrent 10 cm fra ledningen, derfor vil den trenge litt forsterkning. For å gjøre det har vi brukt den populære LM324 Op-Amp-forsterkeren til å forsterke signalet med en forsterkning på 100 i en ikke-inverterende konfigurasjon 2-trinns forsterkning for å sikre et godt lesbart analogt signal på en større avstand enn 10 cm i sensorens utgang. Denne artikkelen gir nyttig informasjon om Op-Amps generelt. Du kan også se på databladet til LM324. Her er en typisk kretsskjema for en LM324 forsterker: Op-Amp i ikke-inverterende konfigurasjon (fjerde bilde)

Ved å bruke ligningen for en ikke-inverterende forsterkningskonfigurasjon, Av = 1+R2/R1. Hvis du setter R1 til 10KOhms og R2 til 1MOhms, får du en gevinst på 100, som ligger innenfor ønsket spesifikasjon. For at roboten skal kunne detektere omkretsledningen i forskjellige retninger, er det mer hensiktsmessig å ha mer enn én sensor installert på den. Jo flere sensorer på roboten, desto bedre vil den oppdage grenseledningen. For denne opplæringen, og siden LM324 er en quad-op-forsterker (dette betyr at en LM324-brikke har 4 separate forsterkere), bruker vi to detekteringssensorer på brettet. Dette betyr å bruke to LC -kretser, og hver vil ha 2 forsterkningstrinn. Derfor trengs bare en LM324 -brikke.

Trinn 6: Skjematisk og prototyping

Som vi diskuterte ovenfor, er skjemaet for sensorbrettet ganske rett frem. Den består av 2 LC -kretser, en LM324 -brikke og et par 10KOhms- og 1MOhms -motstander for å angi forsterkningen til forsterkerne.

Her er en liste over komponentene du kan bruke:

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

* 1mH induktorer med en nåværende vurdering på 420mA og en Q -faktor på 40 252kHz bør fungere godt. Vi har lagt til skrueterminaler som induktorledninger til skjematikken for at induktorene (med ledninger loddet til ledninger) skal plasseres på praktiske steder på roboten. Deretter kobles ledningene (av induktorene) til skrueterminalene. Out1 og Out2 pins kan kobles direkte til en mikrokontrollers analoge inngangspinner. For eksempel kan du bruke et Arduino UNO-kort eller, bedre, en BotBoarduino-kontroller for en mer praktisk tilkobling, ettersom den har analoge pinner brutt ut i en rad med 3 pinner (Signal, VCC, GND), og den er også Arduino-kompatibel. LM324 -brikken vil bli drevet gjennom mikrokontrollerens 5V, derfor vil det analoge signalet (detektert bølge) fra sensorkortet variere mellom 0V og 5V avhengig av avstanden mellom induktoren og omkretsledningen. Jo nærmere induktoren er til omkretsledningen, desto større blir amplituden til sensorkretsens utgangsbølge. Her er hvordan sensorkretsen skal se ut på et brødbrett.

Trinn 7: Resultater

Som vi kan se i oscilloskopets skjermbilder nedenfor, forsterkes den detekterte bølgen ved utgangen til LC -kretsen og metter ved 5V når induktoren er 15 cm til omkretsledningen.

Samme som vi gjorde med generatorkretsen, har vi designet en fin kompakt PCB med gjennomgående hullkomponenter for sensorkortet med to tankkretser, en forsterker og 2 analoge utganger. Filer finner du i "Filer" -delen på slutten av denne artikkelen.

Trinn 8: Arduino -kode

Arduino -koden du kan bruke til omkretsledningsgeneratoren og sensoren er veldig enkel. Ettersom utgangen til sensorbordet er to analoge signaler som varierer fra 0V til 5V (en for hver sensor/induktor), kan AnalogRead Arduino -eksemplet brukes. Bare koble de to utgangspinnene på sensorbrettet til to analoge inngangspinner og les den riktige pinnen ved å modifisere Arduino AnalogRead -eksempelet. Ved å bruke Arduino seriell skjerm, bør du se en RAW -verdi for den analoge pinnen du bruker, variere fra 0 til 1024 når du nærmer deg induktoren til omkretsledningen.

Koden leser spenningen på analogPin og viser den.

int analogPin = A3; // potensiometer visker (midtklemme) koblet til analog pin 3 // utsiden fører til bakken og +5V

int val = 0; // variabel for å lagre verdien som er lest

ugyldig oppsett () {

Serial.begin (9600); // oppsettserie

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // les inndatapinnen Serial.println (val); // feilsøkingsverdi