Generator și senzor de sârmă perimetrală DIY: 8 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Tehnologia de ghidare a firelor este utilizată pe scară largă în industrie, în special în depozitele în care manipularea este automatizată. Roboții urmează o buclă de sârmă îngropată în pământ. În acest fir curge un curent alternativ de intensitate și frecvență relativ scăzută între 5Kz și 40KHz. Robotul este echipat cu senzori inductivi, de obicei pe baza unui circuit al rezervorului (cu o frecvență de rezonanță egală sau apropiată de frecvența undei generate) care măsoară intensitatea câmpului electromagnetic aproape de sol. Un lanț de procesare (amplificare, filtre, comparație) face posibilă determinarea poziției robotului în interiorul firului. În zilele noastre, sârmele perimetrice / de graniță sunt, de asemenea, folosite pentru a crea „garduri invizibile” pentru a menține animalele de companie în curți, iar robotul de tuns iarba în zone. LEGO folosește același principiu pentru a ghida vehiculele de-a lungul drumurilor fără ca vizitatorii să vadă nicio linie.

Acest tutorial explică într-un mod ușor și intuitiv pentru a vă ajuta să înțelegeți teoria, proiectarea și implementarea pentru a vă crea propriul generator și senzor pentru un fir perimetral. Fișierele (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files și Arduino Sample Code) sunt de asemenea disponibile pentru descărcare. În acest fel, puteți adăuga caracteristica de detectare a perimetrului firului la robotul dvs. preferat și să o păstrați într-o „zonă” de operare.

Pasul 1: GENERATOR

Teorie

Circuitul generatorului de sârmă perimetral se va baza pe celebrul temporizator NE555. NE555 sau mai des numit 555 este un circuit integrat utilizat pentru modul cu temporizator sau multivibrator. Această componentă este utilizată și astăzi datorită ușurinței sale de utilizare, a costului redus și a stabilității. Un miliard de unități sunt fabricate pe an. Pentru generatorul nostru, vom folosi NE555 în configurație Astable. Configurația stabilă permite utilizarea NE555 ca oscilator. Două rezistențe și un condensator fac posibilă modificarea frecvenței de oscilație, precum și a ciclului de funcționare. Aranjamentul componentelor este așa cum se arată în schema de mai jos. NE555 Generează o undă pătrată (aspră) care poate parcurge lungimea firului perimetral. Referindu-ne la foaia de date NE555 pentru cronometru, există un circuit de probă, precum și teoria funcționării (8.3.2 funcționare stabilă A). Texas Instruments nu este singurul producător de circuite integrate NE555, deci dacă alegeți un alt cip, asigurați-vă că verificați manualul acestuia. Oferim acest frumos kit de lipit cu temporizator 555, care vă va oferi posibilitatea de a lipi toate componentele interne ale unui temporizator 555 într-un pachet cu orificii trecătoare, pentru a vă permite să înțelegeți în detaliu funcționarea acestui circuit.

Schematică și prototipare

Schema furnizată în manualul NE555 (secțiunea de funcționare stabilă la 8.3.2 A) este destul de completă. Câteva componente suplimentare au fost adăugate și discutate mai jos. (prima imagine)

Formula utilizată pentru a calcula frecvența undei pătrate de ieșire este

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

Gama de frecvență a undei pătrate generate va fi între 32 KHz și 44 KHz, care este o frecvență specifică care nu ar trebui să interfereze cu alte dispozitive apropiate. Pentru aceasta, am ales Ra = 3,3KOhms, Rb = 12KOhms + 4,7KOhms Potențiometru și C = 1,2nF. Potențiometrul ne va ajuta să modificăm frecvența ieșirii undei pătrate pentru a se potrivi cu frecvența de rezonanță a circuitului LC Tank, care va fi discutată mai târziu. Cea mai mică și cea mai mare valoare teoretică a frecvenței de ieșire va fi după cum urmează calculată prin formula (1): Cea mai mică frecvență: fL = 1,44 / ((3,3 + 2 * (12 + 4,7)) * 1,2 * 10 ^ (- 9)) ≈32 698Hz

Cea mai mare frecvență: fH = 1,44 / ((3,3 + 2 * (12 + 0)) * 1,2 * 10 ^ (- 9)) ≈ 43 956Hz

Deoarece potențiometrul de 4.7KOhms nu ajunge niciodată la 0 sau 4.7, gama de frecvență de ieșire va varia de la aproximativ 33.5Khz la 39Khz. Iată schema completă a circuitului generatorului. (a doua imagine)

După cum puteți vedea în schemă, au fost adăugate câteva componente suplimentare și vor fi discutate mai jos. Iată DOM complet:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (rezistor de limitare a curentului): 47 ohmi (trebuie să fie destul de mare pentru a disipa căldura cu o putere nominală de 2W ar trebui să fie suficientă)
• R4: potențiometru de 4,7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1,2nF (1000pF va face și treaba)
• C5: 1uF
• J1: conector cu butoi central de 2,5 mm (5-15V DC)
• J2: Terminal cu șurub (două poziții)
• IC1: NE555 Timer de precizie

Părțile suplimentare adăugate la schemă includ un cric cu butoi (J1) pentru conectarea ușoară la un adaptor de perete (12V) și un terminal cu șurub (12) pentru conectarea convenabilă la firul perimetral. Sârmă perimetrală: Rețineți că cu cât firul perimetral este mai lung, cu atât semnalul se degradează mai mult. Am testat configurația cu aproximativ 100 'din sârmă multi-fir cu ecartament 22 (fixată în pământ, spre deosebire de îngropată). Sursa de alimentare: un adaptor de perete de 12V este incredibil de obișnuit, iar orice curent nominal de peste 500mA ar trebui să funcționeze bine. De asemenea, puteți alege un acid de plumb de 12V sau LiPo de 11,1V pentru a-l păstra în carcasă, dar asigurați-vă că îl rezistați la intemperii și îl opriți atunci când nu îl folosiți. Iată câteva părți pe care le oferim de care s-ar putea să aveți nevoie atunci când construiți circuitul generatorului:

• 2.1mm Barrel Jack la terminal sau acest 2.1mm Barrel Jack Adapter - Breadboard Compatible
• Placă de pâine transparentă fără sudură, interconectată cu 400 de puncte de legătură
• Sârme jumper 65 x 22 asortate
• Kitul de rezistență DFRobot
• Set condensator SparkFun
• 12VDC 3A Sursa de alimentare a adaptorului de perete

Iată cum ar trebui să arate circuitul generatorului pe o placă de calcul (a treia imagine)

Pasul 2: Rezultate

Așa cum se arată în captura de ecran a osciloscopului de mai jos cu ieșirea circuitului generatorului (luată cu osciloscopul tabletei Micsig 200 MHz 1 GS / s 4 canale), putem vedea o undă pătrată (aspră) cu o frecvență de 36,41 KHz și o amplitudine de 11,8V (folosind un adaptor de alimentare de 12V). Frecvența poate fi ușor variată prin reglarea potențiometrului R4.

O placă fără sudură este rareori o soluție pe termen lung și este folosită cel mai bine pentru a crea un prototip rapid. Prin urmare, după confirmarea faptului că circuitul generatorului funcționează așa cum ar trebui, generând o undă pătrată cu o frecvență de 33,5 KHz și 40 KHz (variabilă prin potul R4), am proiectat un PCB (24 mm x 34 mm) numai cu PTH (Plated-through Hole)) componente pentru a face o placă frumoasă de generatoare de unde pătrate. Deoarece componentele orificiului traversant au fost folosite pentru prototiparea cu o placă, PCB-ul ar putea utiliza și componente orificiale traversante (în loc de montare pe suprafață) și permite lipirea ușoară manuală. Amplasarea componentelor nu este exactă și este posibil să găsiți loc de îmbunătățire. Am pus fișierele Eagle și Gerber disponibile pentru descărcare, astfel încât să vă puteți crea propriul PCB. Fișierele pot fi găsite în secțiunea „Fișiere” de la sfârșitul acestui articol. Iată câteva sfaturi atunci când vă proiectați propria placă: Aveți conectorul butoiului și terminalul cu șurub pe aceeași parte a plăcii Așezați componentele relativ aproape una de cealaltă și minimizați urmele / lungimile Aveți găurile de montare cu un diametru standard și amplasate într-un reproduce dreptunghi.

Pasul 3: Instalarea firului

Deci, cum să instalați firul? În loc să-l îngropați, este mai ușor să utilizați pur și simplu cârlige pentru a-l menține în poziție. Ești liber să folosești orice vrei să păstrezi firul, dar plasticul funcționează cel mai bine. Un pachet de 50 de cârlige utilizate pentru robotul de tuns iarba tinde să fie ieftin. Când așezați firul, asigurați-vă că ambele capete se întâlnesc în aceeași locație pentru a vă conecta la placa generatorului prin borna cu șurub.

Pasul 4: Rezistența la intemperii

Deoarece sistemul va fi cel mai probabil lăsat în exterior pentru a fi utilizat în aer liber. Firul perimetral are nevoie de o acoperire rezistentă la intemperii, iar circuitul generatorului este adăpostit într-o carcasă impermeabilă. Puteți utiliza această incintă rece pentru a proteja generatorul de ploaie. Nu toate firele sunt create egale. Dacă intenționați să lăsați firul afară, asigurați-vă că investiți în firul corect, de exemplu, acest ecran de perimetru al firului Robomow 300 'care nu este rezistent la UV / apă se va degrada rapid în timp și va deveni fragil.

Pasul 5: senzor

Teorie

Acum, când am construit circuitul generatorului și ne asigurăm că acesta funcționează așa cum se presupunea, este timpul să începem să ne gândim cum să detectăm semnalul care trece prin fir. Pentru aceasta, vă invităm să citiți despre Circuitul LC, numit și Circuitul rezervorului sau Circuitul reglat. Un circuit LC este un circuit electric bazat pe un inductor / bobină (L) și un condensator (C) conectat în paralel. Acest circuit este utilizat în filtre, tunere și mixere de frecvență. În consecință, este utilizat în mod obișnuit în transmisiile de transmisie fără fir atât pentru difuzare, cât și pentru recepție. Nu vom intra în detaliile teoretice referitoare la circuitele LC, dar cel mai important lucru de reținut pentru a înțelege circuitul senzorului utilizat în acest articol, ar fi formula pentru calcularea frecvenței de rezonanță a unui circuit LC, care este ca:

f0 = 1 / (2 * π * √ (L * C))

Unde L este valoarea inductanței bobinei în H (Henry) și C este valoarea capacității condensatorului în F (Farads). Pentru ca senzorul să detecteze semnalul de 34kHz-40Khz care trece în fir, circuitul rezervor pe care l-am folosit ar trebui să aibă frecvența de rezonanță în acest interval. Am ales L = 1mH și C = 22nF pentru a obține o frecvență de rezonanță de 33 932Hz calculată folosind formula (2). Amplitudinea semnalului detectat de circuitul rezervorului nostru va fi relativ mică (maxim 80mV când am testat circuitul senzorului nostru) când inductorul se află la aproximativ 10cm de fir, prin urmare, va avea nevoie de o amplificare. Pentru a face acest lucru, am folosit popularul amplificator Op-Amp LM324 pentru a amplifica semnalul cu un câștig de 100 într-o configurație care nu inversează amplificarea în 2 trepte pentru a ne asigura că obținem un semnal analogic ușor de citit la o distanță mai mare de 10cm în ieșirea senzorului. Acest articol oferă informații utile despre Op-Amps în general. De asemenea, puteți arunca o privire asupra fișei tehnice a LM324. Iată o schemă tipică a circuitului unui amplificator LM324: Op-Amp în configurație fără inversare (imaginea a patra)

Folosind ecuația pentru o configurație de câștig care nu se inversează, Av = 1 + R2 / R1. Setarea R1 la 10KOhms și R2 la 1MOhms va oferi un câștig de 100, care se încadrează în specificațiile dorite. Pentru ca robotul să poată detecta firul perimetral în diferite orientări, este mai potrivit să aveți instalat mai mult de un senzor pe el. Cu cât sunt mai mulți senzori pe robot, cu atât va detecta mai bine firul limită. Pentru acest tutorial și întrucât LM324 este un amplificator quad-op (asta înseamnă că un cip LM324 are 4 amplificatoare separate), vom folosi doi senzori de detectare pe placă. Aceasta înseamnă utilizarea a două circuite LC și fiecare va avea 2 etape de amplificare. Prin urmare, este nevoie de un singur cip LM324.

Pasul 6: Schematică și prototipare

Așa cum am discutat mai sus, schema pentru placa senzorului este destul de simplă. Este compus din 2 circuite LC, un cip LM324 și câteva rezistențe de 10KOhms și 1MOhms pentru a seta câștigurile amplificatoarelor.

Iată o listă a componentelor pe care le puteți utiliza:

• R1, R3, R5, R7: rezistențe 10KOhm
• Rezistoare R2, R4, R6, R8: 1MOhm
• C1, C2: condensatori 22nF
• IC: amplificator LM324N
• JP3 / JP4: anteturi M / M de 2,54 mm cu 3 pini
• Inductori 1, 2: 1mH *

* Inductoarele de 1mH cu un curent nominal de 420mA și un factor Q de 40 252kHz ar trebui să funcționeze bine. Am adăugat borne cu șurub ca inductor conduce la schemă pentru ca inductoarele (cu cabluri lipite pe fire) să fie plasate în locații convenabile pe robot. Apoi, firele (ale inductoarelor) vor fi conectate la bornele cu șurub. Pinii Out1 și Out2 ar putea fi conectați direct la pinii de intrare analogici ai unui microcontroler. De exemplu, puteți utiliza o placă Arduino UNO sau, mai bine, un controler BotBoarduino pentru o conexiune mai convenabilă, deoarece are pini analogici rupți într-un rând de 3 pini (Signal, VCC, GND) și este, de asemenea, compatibil Arduino. Cipul LM324 va fi alimentat prin microcontrolerul de 5V, prin urmare, semnalul analogic (unde detectate) de pe placa senzorului va varia între 0V și 5V în funcție de distanța dintre inductor și firul perimetral. Cu cât inductorul este mai aproape de firul perimetral, cu atât este mai mare amplitudinea undei de ieșire a circuitului senzorului. Iată cum ar trebui să arate circuitul senzorului pe o placă de calcul.

Pasul 7: Rezultate

După cum putem vedea în capturile de ecran ale osciloscopului de mai jos, unda detectată la ieșirea circuitului LC este amplificată și se saturează la 5V atunci când inductorul este la 15 cm față de firul perimetral.

La fel cum am făcut cu circuitul generatorului, am proiectat un PCB compact frumos, cu componente de gaură traversantă pentru placa senzorului, cu două circuite rezervor, un amplificator și 2 ieșiri analogice. Fișierele pot fi găsite în secțiunea „Fișiere” de la sfârșitul acestui articol.

Pasul 8: Cod Arduino

Codul Arduino pe care l-ați putea folosi pentru generatorul de sârmă perimetral și senzorul este foarte simplu. Deoarece ieșirea plăcii senzorului este de două semnale analogice variind de la 0V la 5V (unul pentru fiecare senzor / inductor), poate fi folosit exemplul AnalogRead Arduino. Doar conectați cei doi pini de ieșire ai plăcii senzorului la doi pini de intrare analogici și citiți pinul corespunzător modificând Exemplul Arduino AnalogRead. Folosind monitorul serial Arduino, ar trebui să vedeți o valoare RAW a pinului analogic pe care îl utilizați variază de la 0 la 1024 pe măsură ce vă apropiați de inductor de firul perimetral.

Codul citește tensiunea pe analogPin și îl afișează.

int analogPin = A3; // ștergătorul potențiometrului (borna din mijloc) conectat la pinul analogic 3 // conduce exterior la masă și + 5V

int val = 0; // variabilă pentru a stoca valoarea citită

configurare nulă () {

Serial.begin (9600); // configurare serial

}

bucla nulă () {

val = analogRead (analogPin); // citiți pinul de intrare Serial.println (val); // valoarea de depanare