Генератор и датчик проводов по периметру своими руками: 8 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Технология направления проволоки широко используется в промышленности, особенно на складах, где погрузочно-разгрузочные работы автоматизированы. Роботы следуют по проволочной петле, закопанной в земле. По этому проводу протекает переменный ток относительно низкой интенсивности и частоты от 5 до 40 кГц. Робот оснащен индуктивными датчиками, обычно основанными на контуре резервуара (с резонансной частотой, равной или близкой к частоте генерируемой волны), который измеряет интенсивность электромагнитного поля вблизи земли. Цепочка обработки (усиление, фильтры, сравнение) позволяет определить положение робота внутри провода. В наши дни периметр / ограничительный провод также используется для создания «невидимых ограждений», чтобы держать домашних животных в пределах ярдов, а газонокосилок - в пределах зон. LEGO также использует тот же принцип, чтобы направлять машины по дорогам так, чтобы посетители не видели никаких линий.

Это руководство объясняет простым и интуитивно понятным способом, чтобы помочь вам понять теорию, конструкцию и реализацию для создания собственного генератора и датчика для провода периметра. Файлы (схемы, файлы Eagle, герберы, файлы 3D и пример кода Arduino) также доступны для загрузки. Таким образом, вы можете добавить функцию обнаружения периметра проводов к вашему любимому роботу и удерживать его в рабочей «зоне».

Шаг 1: ГЕНЕРАТОР

Теория

Схема генератора проводов по периметру будет основана на знаменитом таймере NE555. NE555 или более часто называемый 555 - это интегральная схема, используемая для режима таймера или мультивибратора. Этот компонент используется до сих пор из-за его простоты использования, низкой стоимости и стабильности. В год производится один миллиард единиц. Для нашего генератора мы будем использовать NE555 в нестабильной конфигурации. Стабильная конфигурация позволяет использовать NE555 в качестве генератора. Два резистора и конденсатор позволяют изменять частоту колебаний, а также рабочий цикл. Расположение компонентов показано на схеме ниже. NE555 генерирует (грубую) прямоугольную волну, которая может проходить по всей длине провода по периметру. Ссылаясь на даташит NE555 для таймера, есть образец схемы, а также теория работы (8.3.2 A-стабильная работа). Texas Instruments - не единственный производитель микросхем NE555, поэтому, если вы выберете другую микросхему, обязательно ознакомьтесь с ее руководством. Мы действительно предлагаем этот красивый комплект для пайки таймера 555, который даст вам возможность припаять все внутренние компоненты таймера 555 в корпусе со сквозными отверстиями, чтобы вы могли подробно понять работу этой схемы.

Схема и прототипирование

Схема, представленная в руководстве NE555 (раздел 8.3.2 A-стабильная работа), довольно полная. Несколько дополнительных компонентов были добавлены и обсуждались ниже. (первое изображение)

Формула, используемая для расчета частоты выходного прямоугольного сигнала:

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

Частотный диапазон генерируемой прямоугольной волны будет между 32 кГц и 44 кГц, что является определенной частотой, которая не должна мешать другим близким устройствам. Для этого мы выбрали Ra = 3,3 кОм, Rb = 12 кОм + 4,7 кОм потенциометр и C = 1,2 нФ. Потенциометр поможет нам изменить частоту выходного сигнала прямоугольной формы, чтобы она соответствовала резонансной частоте контура LC Tank, что будет обсуждаться позже. Теоретическое наименьшее и наибольшее значение выходной частоты будет вычислено по формуле (1) следующим образом: Значение наименьшей частоты: fL = 1,44 / ((3,3 + 2 * (12 + 4,7)) * 1,2 * 10 ^ (- 9)) ≈32 698 Гц

Максимальное значение частоты: fH = 1,44 / ((3,3 + 2 * (12 + 0)) * 1,2 * 10 ^ (- 9)) ≈ 43 956 Гц

Поскольку потенциометр 4,7 кОм никогда не достигает значений 0 или 4,7, диапазон выходной частоты будет варьироваться от 33,5 до 39 кГц. Вот полная схема схемы генератора. (второе изображение)

Как вы можете видеть на схеме, было добавлено несколько дополнительных компонентов, которые будут рассмотрены ниже. Вот полная спецификация:

• R1: 3,3 кОм
• R2: 12 кОм
• R3 (токоограничивающий резистор): 47 Ом (должен быть достаточно большим, чтобы рассеивать тепло, при номинальной мощности 2 Вт должно быть достаточно)
• R4: потенциометр 4,7 кОм
• C2, C4: 100 нФ
• C3: 1,2 нФ (1000 пФ также подойдет)
• C5: 1 мкФ
• J1: центральный положительный цилиндрический разъем 2,5 мм (5-15 В постоянного тока)
• J2: Винтовой зажим (два положения)
• IC1: прецизионный таймер NE555

Дополнительные детали, добавленные к схеме, включают цилиндрический разъем (J1) для легкого подключения к настенному адаптеру (12 В) и винтовой зажим (12) для удобного подключения к периметральному проводу. Провод периметра: обратите внимание, что чем длиннее провод периметра, тем сильнее ухудшается сигнал. Мы протестировали установку с примерно 100 футовым многожильным проводом 22 калибра (прикрепленным к земле, а не заглубленным). Источник питания: настенный адаптер на 12 В невероятно распространен, и любой номинальный ток выше 500 мА должен работать хорошо. Вы также можете выбрать свинцово-кислотный аккумулятор на 12 В или LiPo 11,1 В, чтобы держать его в футляре, но обязательно защищайте его от атмосферных воздействий и выключайте, когда он не используется. Вот некоторые детали, которые мы предлагаем, которые могут вам понадобиться при построении схемы генератора:

• Гнездо для цилиндрического разъема 2,1 мм к терминалу или переходник для разъема типа 2,1 мм - Совместимость с макетной платой
• Прозрачный макет без пайки с блокировкой 400 точек привязки
• Ассорти из перемычек 65 x 22 калибра
• Комплект резисторов DFRobot
• Комплект конденсаторов SparkFun
• Блок питания для настенного адаптера 12 В постоянного тока, 3 А

Вот как должна выглядеть схема генератора на макете (третье изображение)

Шаг 2: результаты

Как показано на приведенном ниже снимке экрана осциллографа с выходным сигналом схемы генератора (полученным с помощью 4-канального планшетного осциллографа Micsig 200 МГц, 1 Гвыб / с), мы можем видеть (грубую) прямоугольную волну с частотой 36,41 кГц и амплитудой 11,8 В (при использовании адаптера питания 12 В). Частоту можно немного изменить, регулируя потенциометр R4.

Макетная плата без пайки редко бывает долгосрочным решением, и ее лучше всего использовать для создания быстрого прототипа. Поэтому, убедившись, что схема генератора работает должным образом, генерируя прямоугольную волну с частотным диапазоном 33,5 кГц и 40 кГц (регулируется через потенциометр R4), мы разработали печатную плату (24 мм x 34 мм) только с PTH (Plated-through Hole).), чтобы получилась красивая небольшая плата генератора прямоугольных сигналов. Поскольку компоненты со сквозными отверстиями использовались для прототипирования с макетной платой, на печатной плате также могут использоваться компоненты со сквозными отверстиями (вместо поверхностного монтажа), что позволяет легко паять вручную. Размещение компонентов неточно, и вы, вероятно, сможете найти возможности для улучшения. Мы сделали файлы Eagle и Gerber доступными для загрузки, чтобы вы могли создать свою собственную печатную плату. Файлы можно найти в разделе «Файлы» в конце статьи. Вот несколько советов при разработке собственной платы: Разместите цилиндрический разъем и винтовой зажим на одной стороне платы Поместите компоненты относительно близко друг к другу и минимизируйте следы / длину Отверстия для монтажа должны быть стандартного диаметра и расположены в удобном для вас месте. воспроизвести прямоугольник.

Шаг 3: Установка провода

Так как же установить провод? Вместо того, чтобы закапывать его, проще всего использовать колышки, чтобы удерживать его на месте. Вы можете использовать все, что хотите, чтобы проволока оставалась на месте, но лучше всего подходит пластик. Упаковка из 50 колышков, используемых для газонокосилок-роботов, обычно стоит недорого. При прокладке провода убедитесь, что оба конца совпадают в одном и том же месте для подключения к плате генератора через винтовой зажим.

Шаг 4: Устойчивость к погодным условиям

Поскольку система, скорее всего, будет оставлена на улице для использования на открытом воздухе. Провод по периметру должен иметь атмосферостойкое покрытие, а сама схема генератора размещена в водонепроницаемом корпусе. Вы можете использовать этот прохладный корпус для защиты генератора от дождя. Не все провода одинаковы. Если вы планируете не использовать провод, обязательно приобретите правильный провод, например, это ограждение для периметра провода Robomow 300 ', не устойчивое к ультрафиолетовому излучению / воде, со временем быстро разрушится и станет хрупким.

Шаг 5: Датчик

Теория

Теперь, когда мы построили схему генератора и убедились, что она работает должным образом, пришло время подумать о том, как обнаружить сигнал, проходящий через провод. Для этого мы приглашаем вас прочитать о LC Circuit, также называемом Tank Circuit или Tuned Circuit. Цепь LC - это электрическая цепь, основанная на параллельном соединении индуктора / катушки (L) и конденсатора (C). Эта схема используется в фильтрах, тюнерах и смесителях частот. Следовательно, он обычно используется в беспроводных широковещательных передачах как для широковещания, так и для приема. Мы не будем вдаваться в теоретические подробности, касающиеся LC-цепей, но самое важное, что нужно иметь в виду, чтобы понять схему датчика, используемую в этой статье, - это формула для расчета резонансной частоты LC-цепи, которая выглядит следующим образом:

f0 = 1 / (2 * π * √ (L * C))

Где L - значение индуктивности катушки в H (Генри), а C - значение емкости конденсатора в F (Фарадах). Чтобы датчик мог обнаруживать сигнал 34-40 кГц, который проходит по проводу, используемая нами схема резервуара должна иметь резонансную частоту в этом диапазоне. Мы выбрали L = 1 мГн и C = 22 нФ, чтобы получить резонансную частоту 33 932 Гц, рассчитанную по формуле (2). Амплитуда сигнала, обнаруженного нашей схемой резервуара, будет относительно небольшой (максимум 80 мВ, когда мы тестировали схему нашего датчика), когда индуктор находится на расстоянии примерно 10 см от провода, поэтому ему потребуется некоторое усиление. Для этого мы использовали популярный операционный усилитель LM324 для усиления сигнала с коэффициентом усиления 100 в неинвертирующей конфигурации 2-х ступенчатое усиление, чтобы обеспечить хороший читаемый аналоговый сигнал на расстоянии более 10 см в выход датчика. В этой статье содержится полезная информация об операционных усилителях в целом. Также вы можете ознакомиться с таблицей данных LM324. Вот типичная принципиальная схема усилителя LM324: операционный усилитель в неинвертирующей конфигурации (четвертое изображение)

Используя уравнение для конфигурации неинвертирующего усиления, Av = 1 + R2 / R1. Установка R1 на 10 кОм и R2 на 1 МОм обеспечит усиление 100, что находится в пределах желаемой спецификации. Чтобы робот мог обнаруживать провод по периметру в разных направлениях, более целесообразно установить на нем более одного датчика. Чем больше датчиков на роботе, тем лучше он обнаружит ограничительный провод. В этом руководстве, поскольку LM324 является четырехоперационным усилителем (это означает, что одна микросхема LM324 имеет 4 отдельных усилителя), мы будем использовать два датчика обнаружения на плате. Это означает использование двух контуров LC, каждая из которых будет иметь 2 ступени усиления. Следовательно, требуется всего одна микросхема LM324.

Шаг 6: Схема и прототипирование

Как мы уже говорили выше, схема сенсорной платы довольно проста. Он состоит из 2-х LC-цепей, одной микросхемы LM324 и пары резисторов 10 кОм и 1 МОм для установки коэффициентов усиления усилителей.

Вот список компонентов, которые вы можете использовать:

• R1, R3, R5, R7: резисторы 10 кОм
• R2, R4, R6, R8: резисторы 1 МОм
• C1, C2: Конденсаторы 22 нФ
• IC: усилитель LM324N
• JP3 / JP4: 2,54 мм 3-контактные разъемы M / M
• Индукторы 1, 2: 1 мГн *

* Катушки индуктивности 1 мГн с номинальным током 420 мА и добротностью 40 252 кГц должны работать нормально. Мы добавили винтовые клеммы в качестве выводов индуктора на схему, чтобы индукторы (с выводами, припаянными к проводам) можно было разместить в удобных местах на роботе. Затем провода (индукторов) будут подключены к винтовым клеммам. Контакты Out1 и Out2 могут быть напрямую подключены к аналоговым входным контактам микроконтроллера. Например, вы можете использовать плату Arduino UNO или, что лучше, контроллер BotBoarduino для более удобного подключения, поскольку он имеет аналоговые контакты, разбитые на ряд из 3 контактов (Signal, VCC, GND), и он также совместим с Arduino. Микросхема LM324 будет получать питание через 5 В микроконтроллера, поэтому аналоговый сигнал (обнаруженная волна) от платы датчика будет варьироваться от 0 В до 5 В в зависимости от расстояния между индуктором и проводом по периметру. Чем ближе индуктор к периметру провода, тем выше амплитуда выходной волны цепи датчика. Вот как должна выглядеть схема датчика на макетной плате.

Шаг 7: Результаты

Как мы можем видеть на скриншотах осциллографа ниже, обнаруженная волна на выходе LC-цепи усиливается и насыщается при 5 В, когда катушка индуктивности находится на расстоянии 15 см от провода по периметру.

Так же, как мы сделали со схемой генератора, мы разработали красивую компактную печатную плату со сквозными отверстиями для сенсорной платы с двумя цепями резервуара, усилителем и 2 аналоговыми выходами. Файлы можно найти в разделе «Файлы» в конце статьи.

Шаг 8: Код Arduino

Код Arduino, который вы можете использовать для генератора проводов по периметру и датчика, очень прост. Поскольку на выходе платы сенсора поступают два аналоговых сигнала от 0 В до 5 В (по одному для каждого датчика / индуктора), можно использовать пример AnalogRead Arduino. Просто подключите два выходных контакта платы датчика к двум аналоговым входным контактам и считайте соответствующий контакт, изменив пример Arduino AnalogRead. Используя последовательный монитор Arduino, вы должны увидеть, что значение RAW аналогового вывода, которое вы используете, варьируется от 0 до 1024, когда вы приближаете индуктивность к проводу периметра.

Код считывает напряжение на аналоговом контакте и отображает его.

int analogPin = A3; // стеклоочиститель потенциометра (средний вывод) подключен к аналоговому выводу 3 // внешние выводы к земле и + 5В

int val = 0; // переменная для хранения прочитанного значения

void setup () {

Serial.begin (9600); // установка серийного номера

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // считываем входной вывод Serial.println (val); // значение отладки