Generator i senzor žice za perimetar: 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:35

Tehnologija žičanog navođenja široko se koristi u industriji, osobito u skladištima gdje je rukovanje automatizirano. Roboti slijede žičanu petlju zakopanu u zemlju. U ovoj žici teče izmjenična struja relativno niskog intenziteta i frekvencije između 5Kz i 40KHz. Robot je opremljen induktivnim senzorima, obično temeljenim na krugu spremnika (s rezonantnom frekvencijom jednakom ili bliskom frekvenciji generiranog vala) koji mjeri intenzitet elektromagnetskog polja blizu tla. Lanac obrade (pojačanje, filtri, usporedba) omogućuje određivanje položaja robota unutar žice. Ovih se dana perimetralna/granična žica koristi i za stvaranje "nevidljivih ograda" za držanje kućnih ljubimaca u dvorištu, a robotskih kosilica unutar zona. LEGO također koristi isti princip za vođenje vozila uz ceste, a da posjetitelji ne vide nikakve linije.

Ovaj vodič objašnjava na jednostavan i intuitivan način koji će vam pomoći u razumijevanju teorije, dizajna i implementacije za izradu vlastitog generatora i senzora za obodnu žicu. Datoteke (sheme, datoteke Eagle, Gerberi, 3D datoteke i kod uzorka Arduino) također su dostupne za preuzimanje. Na ovaj način svom omiljenom robotu možete dodati značajku otkrivanja oboda žice i držati je u radnoj "zoni".

Korak 1: GENERATOR

Teorija

Krug generatora žice po obodu temeljit će se na poznatom mjeraču vremena NE555. NE555 ili češće nazvan 555 je integrirano kolo koje se koristi za način rada timera ili multivibratora. Ova se komponenta i danas koristi zbog svoje jednostavnosti uporabe, niske cijene i stabilnosti. Godišnje se proizvede milijardu jedinica. Za naš generator koristit ćemo NE555 u Astable konfiguraciji. Stabilna konfiguracija omogućuje korištenje NE555 kao oscilatora. Dva otpornika i kondenzator omogućuju promjenu frekvencije titranja, kao i radni ciklus. Raspored komponenti je prikazan na donjoj shemi. NE555 Generira (grubi) kvadratni val koji može proći duljinu žice po obodu. Pozivajući se na podatkovni list NE555 za mjerač vremena, postoji ogledni krug, kao i teorija rada (8.3.2 A-stabilan rad). Texas Instruments nije jedini proizvođač NE555 IC -ova, pa ako odaberete neki drugi čip, svakako provjerite njegov priručnik. Mi nudimo ovaj lijepi komplet za lemljenje s mjeračem vremena 555 koji će vam dati mogućnost lemljenja svih unutarnjih komponenti mjerača vremena 555 u paket s provrtima kako biste mogli detaljno razumjeti rad ovog kruga.

Shema i prototipi

Shema navedena u priručniku NE555 (odjeljak 8.3.2 A-stabilan rad) prilično je potpuna. Dodano je nekoliko dodatnih komponenti koje se raspravljaju u nastavku. (prva slika)

Formula koja se koristi za izračunavanje frekvencije izlaznog kvadratnog vala je

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

Frekvencijski raspon generiranog kvadratnog vala bit će između 32Khz i 44KHz, što je specifična frekvencija koja ne bi trebala ometati druge bliske uređaje. Za to smo odabrali Ra = 3,3KOhms, Rb = 12KOhms + 4,7KOhms potenciometar i C = 1,2nF. Potenciometar će nam pomoći da promijenimo frekvenciju izlaza kvadratnog vala tako da odgovara rezonantnoj frekvenciji kruga LC spremnika o čemu će biti riječi kasnije. Teoretski najniža i najveća vrijednost izlazne frekvencije bit će kako slijedi izračunata formulom (1): Najniža vrijednost frekvencije: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

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

Budući da potenciometar od 4,7KOhms nikada ne dosegne 0 ili 4,7, raspon izlazne frekvencije varirat će od oko 33,5Khz do 39Khz. Ovdje je potpuna shema kruga generatora. (druga slika)

Kao što možete vidjeti na shemi, dodano je nekoliko dodatnih komponenti o kojima će biti riječi u nastavku. Evo potpune specifikacije:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (otpornik za ograničavanje struje): 47 Ohma (mora biti prilično velik da odvodi toplinu snage 2 W bi trebalo biti dovoljno)
• R4: potenciometar od 4,7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF će također obaviti posao)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm središnji pozitivni konektor (5-15V DC)
• J2: Vijčani terminal (dva položaja)
• IC1: Precizni mjerač vremena NE555

Dodatni dijelovi na shemi uključuju bačvastu utičnicu (J1) za jednostavno spajanje na zidni adapter (12V) i vijčani terminal (12) za prikladno spajanje na obodnu žicu. Obodna žica: Imajte na umu da što je žica perimetra dulja, signal se više degradira. Testirali smo postavku s otprilike 100 'višežilne žice promjera 22 (pričvršćene u zemlju za razliku od ukopane). Napajanje: Zidni adapter od 12 V nevjerojatno je uobičajen, a bilo koja struja iznad 500 mA trebala bi dobro funkcionirati. Također možete odabrati olovnu kiselinu od 12 V ili 11,1 V LiPo kako biste je držali unutar kućišta, ali svakako je zaštitite od vremenskih uvjeta i isključite je kada se ne koristi. Evo nekoliko dijelova koje nudimo koji će vam možda trebati pri izgradnji sklopa generatora:

• Utikač za cijev od 2,1 mm na terminalu ili ovaj adapter od 2,1 mm za priključak za cijev - kompatibilno s pločicom
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Leatherless Breadboard
• 65 x 22 Razne žice kratkospojnika
• Komplet otpornika DFRobot
• Komplet kondenzatora SparkFun
• Napajanje zidnog adaptera 12VDC 3A

Evo kako bi krug generatora trebao izgledati na ploči (treća slika)

Korak 2: Rezultati

Kao što je prikazano na donjoj slici osciloskopskog prikaza izlaza generatorskog kruga (snimljeno s Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 -kanalnim tabletnim osciloskopom), možemo vidjeti (grubi) kvadratni val s frekvencijom od 36,41KHz i amplitudom od 11,8 V (pomoću adaptera za napajanje od 12 V). Učestalost se može malo mijenjati podešavanjem potenciometra R4.

Mašina bez lemljenja rijetko je dugoročno rješenje i najbolje se koristi za izradu brzog prototipa. Stoga smo, nakon što smo potvrdili da krug generatora radi kako treba, generirajući kvadratni val s frekvencijskim rasponom od 33,5Khz i 40KHz (promjenjivo kroz R4 lonac), dizajnirali smo PCB (24mmx34mm) samo s PTH (Plated-through Hole) komponente kako bi bila lijepa mala ploča generatora kvadratnih valova. Budući da su se komponente za izradu rupa koristile za izradu prototipova s pločicom, PCB je također mogao koristiti i komponente za probijanje (umjesto za površinsko montiranje), te omogućuje jednostavno lemljenje rukom. Položaj komponenti nije točan i vjerojatno ćete pronaći prostora za poboljšanja. Dali smo datoteke Eagle i Gerber za preuzimanje kako biste mogli izraditi vlastitu PCB. Datoteke se mogu pronaći u odjeljku "Datoteke" na kraju ovog članka. Evo nekoliko savjeta pri projektiranju vlastite ploče: Neka konektor cijevi i vijčani terminal budu na istoj strani ploče Postavite komponente relativno blizu jedna drugoj i minimizirajte tragove/duljine Neka rupe za montažu budu standardnog promjera i da se nalaze na reproducirati pravokutnik.

Korak 3: Instalacija žice

Pa kako instalirati žicu? Umjesto da ga zakopate, najlakše je jednostavno koristiti klinove kako biste ga držali na mjestu. Možete držati žicu na mjestu, ali plastika najbolje radi. Pakiranje od 50 klinova koje se koriste za robotske kosilice obično nije skupo. Prilikom polaganja žice oba kraja moraju biti spojena na isto mjesto za spajanje na ploču generatora kroz vijčane stezaljke.

Korak 4: Otpornost na vremenske uvjete

Budući da će sustav najvjerojatnije biti ostavljen vani za upotrebu na otvorenom. Obodna žica treba premaz otporan na vremenske uvjete, a sam krug generatora smješten je u vodootporno kućište. Ovaj hladni kućište možete koristiti za zaštitu generatora od kiše. Nisu sve žice jednake. Ako namjeravate izostaviti žicu, svakako uložite u ispravnu žicu, na primjer, ova Robomow zaštitna žica od 300 'koja nije otporna na UV / vodu s vremenom će se brzo razgraditi i postati krhka.

Korak 5: Senzor

Teorija

Sada kada smo izgradili krug generatora i uvjerili se da radi kako je trebalo, vrijeme je da počnemo razmišljati o tome kako detektirati signal koji prolazi kroz žicu. U tu svrhu pozivamo vas da pročitate o LC krugu, koji se naziva i spremnički krug ili podešeni krug. LC krug je električni krug koji se temelji na paralelno spojenoj induktorskoj zavojnici (L) i kondenzatoru (C). Ovaj se krug koristi u filterima, tunerima i mješalicama frekvencija. Slijedom toga, obično se koristi u bežičnom emitiranju za emitiranje i prijem. Nećemo ulaziti u teoretske pojedinosti o LC krugovima, ali najvažnija stvar koju treba imati na umu da biste razumjeli krug senzora koji se koristi u ovom članku bila bi formula za izračunavanje rezonantne frekvencije LC kruga, koja izgleda ovako:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Gdje je L vrijednost induktiviteta zavojnice u H (Henry), a C vrijednost kapaciteta kondenzatora u F (Farads). Da bi senzor otkrio signal 34kHz-40Khz koji prolazi kroz žicu, krug spremnika koji smo koristili trebao bi imati rezonantnu frekvenciju u ovom rasponu. Odabrali smo L = 1mH i C = 22nF da bismo dobili rezonantnu frekvenciju od 33 932Hz izračunatu po formuli (2). Amplituda signala koji je detektirao naš krug spremnika bit će relativno mala (maksimalno 80 mV kada smo testirali krug osjetnika) kada je induktor udaljen oko 10 cm od žice, stoga će mu trebati pojačanje. Da bismo to učinili, upotrijebili smo popularno LM324 Op-Amp pojačalo za pojačavanje signala s dobitkom od 100 u neinvertirajućoj konfiguraciji s 2 stupnja pojačanja kako bismo dobili lijep čitljiv analogni signal na većoj udaljenosti od 10 cm u izlaz senzora. Ovaj članak pruža korisne informacije o op-pojačalima općenito. Također, možete pogledati podatkovnu tablicu LM324. Evo tipične sheme kola pojačala LM324: Op-pojačalo u neinvertirajućoj konfiguraciji (četvrta slika)

Koristeći jednadžbu za konfiguraciju neinvertirajućeg pojačanja, Av = 1+R2/R1. Postavljanje R1 na 10KOhma i R2 na 1MOhms osigurat će pojačanje od 100, što je unutar željene specifikacije. Kako bi robot mogao detektirati obodnu žicu u različitim smjerovima, prikladnije je na njega instalirati više od jednog senzora. Što je više senzora na robotu, to će bolje otkriti graničnu žicu. Za ovaj vodič, a budući da je LM324 četverooptno pojačalo (to znači da jedan čip LM324 ima 4 zasebna pojačala), na ploči ćemo koristiti dva detekcijska senzora. To znači korištenje dva LC sklopa i svaki će imati 2 stupnja pojačanja. Stoga je potreban samo jedan čip LM324.

Korak 6: Shematski prikaz i izrada prototipa

Kao što smo gore raspravljali, shema senzorske ploče prilično je jednostavna. Sastoji se od 2 LC sklopa, jednog LM324 čipa i nekoliko 10KOhms i 1MOhms otpornika za podešavanje pojačanja pojačala.

Evo popisa komponenti koje možete koristiti:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm otpornici
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm otpornici
• C1, C2: 22nF kondenzatori
• IC: Pojačalo LM324N
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3-pinski M / M zaglavlja
• Induktori 1, 2: 1mH*

* 1mH induktori s trenutnom vrijednošću od 420mA i Q faktorom od 40 252kHz trebali bi dobro funkcionirati. Na shemu smo dodali vijčane stezaljke kao vodiče induktora kako bi se induktori (s vodovima lemljenim na žice) postavili na prikladna mjesta na robotu. Zatim će se žice (prigušnica) spojiti na vijčane stezaljke. Pinovi Out1 i Out2 mogli bi se izravno spojiti na analogne ulaze mikrokontrolera. Na primjer, možete koristiti Arduino UNO ploču ili, bolje, BotBoarduino kontroler za prikladniju vezu jer ima analogne pinove razbijene u niz od 3 pina (Signal, VCC, GND), a također je kompatibilan s Arduinom. Čip LM324 napajat će se putem 5V mikrokontrolera, pa će analogni signal (detektirani val) s ploče osjetnika varirati između 0V i 5V ovisno o udaljenosti između induktora i žice perimetra. Što je induktor bliže obodnoj žici, veća je amplituda izlaznog vala kruga osjetnika. Evo kako bi krug senzora trebao izgledati na ploči.

Korak 7: Rezultati

Kao što možemo vidjeti na donjim snimkama osciloskopa, detektirani val na izlazu LC kruga pojačan je i zasićen na 5V kad je induktor na 15 cm do žice perimetra.

Kao što smo učinili s krugom generatora, dizajnirali smo lijepu kompaktnu PCB sa komponentama kroz provrt za ploču senzora s dva kruga spremnika, pojačalom i 2 analogna izlaza. Datoteke se mogu pronaći u odjeljku "Datoteke" na kraju ovog članka.

Korak 8: Arduino kod

Arduino kôd koji biste mogli upotrijebiti za svoj generator oboda žice i senzor vrlo je jednostavan. Budući da su izlaz ploče osjetnika dva analogna signala koji variraju od 0V do 5V (po jedan za svaki senzor/induktor), može se koristiti primjer AnalogRead Arduino. Samo spojite dva izlazna pina senzorske ploče na dva analogna ulazna pina i pročitajte odgovarajući pin izmjenom primjera Arduino AnalogRead. Koristeći Arduino serijski monitor, trebali biste vidjeti da RAW vrijednost analognog pina koji koristite varira od 0 do 1024 dok se približavate induktoru do žice perimetra.

Kod čita napon na analogPinu i prikazuje ga.

int analogPin = A3; // brisač potenciometra (srednji terminal) spojen na analogni pin 3 // vanjski vodi na masu i +5V

int val = 0; // varijabla za spremanje pročitane vrijednosti

void setup () {

Serial.begin (9600); // postavljanje serijskog

}

void loop () {{100} {101}

val = analogRead (analogPin); // čitanje ulaznog pina Serial.println (val); // vrijednost ispravljanja pogrešaka