DIY периметрі бойынша сым генераторы мен сенсор: 8 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:24

Сымды бағыттау технологиясы өнеркәсіпте, әсіресе, өңдеу автоматтандырылған қоймаларда кеңінен қолданылады. Роботтар жерге көмілген сым ілмегімен жүреді. Бұл сымға 5Кц пен 40КГц арасындағы салыстырмалы түрде төмен қарқындылық пен жиіліктегі айнымалы ток ағады. Робот жерге тұйықталған электромагниттік өрістің интенсивтілігін өлшейтін, әдетте резервуарлық схемаға негізделген (резонанстық жиілігі генерацияланған толқын жиілігіне жақын) индуктивті датчиктермен жабдықталған. Өңдеу тізбегі (күшейту, сүзгілер, салыстыру) роботтың сым ішіндегі орнын анықтауға мүмкіндік береді. Бұл күндері үй жануарларын аулада ұстау үшін «көрінбейтін қоршаулар» жасау үшін периметр/шекаралық сым, ал зоналарда робот көгал шапқыштары қолданылады. LEGO сонымен қатар келушілерді ешқандай сызық көрместен жол бойымен көліктерге бағыттау үшін де осы қағиданы қолданады.

Бұл оқулық перифериялық сым үшін өз генераторы мен сенсорын жасаудың теориясын, дизайнын және орындалуын түсінуге көмектесетін қарапайым және интуитивті түрде түсіндіреді. Файлдар (схемалар, бүркіт файлдары, герберлер, 3D файлдар және Arduino үлгі коды) жүктеуге де қол жетімді. Осылайша сіз сымның периметрін анықтау мүмкіндігін сүйікті роботқа қосып, оны жұмыс істейтін «аймақта» сақтай аласыз.

1 -қадам: ГЕНЕРАТОР

Теория

Сым генераторының периметрлік схемасы әйгілі NE555 таймеріне негізделетін болады. NE555 немесе одан да көп 555 деп аталады - таймер немесе мультивибратор режимінде қолданылатын интегралды схема. Бұл компонент пайдалану қарапайымдылығымен, арзандығымен және тұрақтылығымен бүгінгі күнге дейін қолданылады. Жылына бір миллиард бірлік өндіріледі. Біздің генератор үшін біз NE555 Astable конфигурациясында қолданамыз. Тұрақты конфигурация NE555 -ті осциллятор ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Екі резистор мен конденсатор тербеліс жиілігін, сондай -ақ жұмыс циклін өзгертуге мүмкіндік береді. Компоненттердің орналасуы төмендегі схемада көрсетілгендей. NE555 периметрлік сымның ұзындығын жүргізе алатын (өрескел) шаршы толқын шығарады. Таймердің NE555 мәліметтер кестесіне сілтеме жасай отырып, үлгі схемасы, сондай-ақ жұмыс теориясы бар (8.3.2 А-тұрақты жұмыс). Texas Instruments компаниясы NE555 IC шығаратын жалғыз өндіруші емес, сондықтан сіз басқа чипті таңдасаңыз, оның нұсқаулығын тексеріңіз. Біз сізге осы тізбектің жұмысын егжей -тегжейлі түсінуге мүмкіндік беретін 555 таймердің барлық ішкі компоненттерін саңылаулы қаптамада дәнекерлеу мүмкіндігін беретін 555 таймерлі дәнекерлеу жинағын ұсынамыз.

Схемалық және прототиптеу

NE555 нұсқаулығында берілген схема (8.3.2 А-тұрақты жұмыс бөлімі) жеткілікті түрде толық. Бірнеше қосымша компоненттер төменде талқыланды. (бірінші сурет)

Шығатын квадраттық толқын жиілігін есептеу үшін қолданылатын формула

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

Жасалған квадрат толқынның жиілік диапазоны 32 Гц пен 44 КГц аралығында болады, бұл басқа жақын құрылғыларға кедергі жасамайтын белгілі бір жиілік. Ол үшін біз Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms потенциометрін және C = 1.2nF таңдадық. Потенциометр бізге кейінірек талқыланатын LC танк тізбегінің резонанстық жиілігіне сәйкес квадрат толқынының шығу жиілігін өзгертуге көмектеседі. Шығу жиілігінің теориялық ең төменгі және ең жоғары мәні (1) формуласы бойынша есептеледі: Ең төменгі жиілік мәні: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) 6932 698Гц

Ең жоғары жиілік мәні: fH = 1,44 / ((3,3+2*(12+0))*1,2*10^(-9)) ≈ 43 956Гц

4.7KOhms потенциометрі ешқашан 0 немесе 4.7 -ге жетпейтіндіктен, шығыс жиілігі диапазоны шамамен 33,5 Гц -тен 39 КГц -ке дейін өзгереді. Міне, генератор тізбегінің толық схемасы. (екінші сурет)

Схемада көріп тұрғаныңыздай, бірнеше қосымша компоненттер қосылды және олар төменде талқыланады. Міне, толық банк.

• R1: 3.3 КОм
• R2: 12 КОм
• R3 (ток шектеу резисторы): 47 Ом
• R4: 4.7 KOhm потенциометрі
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF жұмыс жасайды)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 мм орталық баррель қосқышы (5-15В тұрақты ток)
• J2: бұрандалы терминал (екі позиция)
• IC1: NE555 дәлдік таймері

Схемаға қосылған қосымша бөлшектерге қабырға адаптеріне (12В) оңай қосылу үшін бөшке ұясы (J1) және периметрлік сымға ыңғайлы қосылу үшін бұрандалы терминал (12) кіреді. Периметрлік сым: периметр сымы неғұрлым ұзақ болса, соғұрлым сигнал нашарлайтынын ескеріңіз. Біз қондыруды шамамен 100 дюймдік 22 калибрлі сыммен сынап көрдік (жерленгенге қарағанда жерге бекітілген). Қуат көзі: 12В қабырғаға арналған адаптер өте кең таралған және 500 мА жоғары кез келген ағымдағы рейтингі жақсы жұмыс істеуі керек. Сіз оны корпуста ұстау үшін 12В қорғасын қышқылын немесе 11.1V LiPo -ны таңдай аласыз, бірақ оны ауа райына төзімді етіп, пайдаланбаған кезде өшіріңіз. Генератор тізбегін құру кезінде сізге қажет болуы мүмкін кейбір бөлшектерді ұсынамыз:

• Терминалға 2.1 мм баррель ұясы немесе 2.1 мм баррель ұясы адаптері - тақтаға үйлесімді
• 400 байланыстыратын мөлдір дәнекерсіз тақта
• 65 x 22 габаритті ассортиментті сымдар
• DFRobot резисторлық жинағы
• SparkFun конденсаторлар жинағы
• 12VDC 3A қабырға адаптерінің қуат көзі

Генератор тізбегі тақтада қандай болуы керек (үшінші сурет)

2 -қадам: Нәтижелер

Генератор тізбегінің шығуының төмендегі осциллограф скриншотында көрсетілгендей (Mitsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels планшеттік осциллографпен түсірілген), біз жиілігі 36,41 кГц және амплитудасы бар (өрескел) шаршы толқынды көре аламыз. 11,8 В (12 В қуат адаптерін қолдана отырып). R4 потенциометрін реттеу арқылы жиілікті аздап өзгертуге болады.

Дәнекерленген нан тақтасы ұзақ мерзімді шешім болып табылмайды және тез прототип жасау үшін қолданылады. Сондықтан, генератор тізбегі 33,5 Гц және 40 КГц жиілік диапазонындағы квадрат толқынды генерациялайтын (R4 кастрюль арқылы айнымалы) генерациялайтын генератор тізбегінің жұмыс жасайтынын растағаннан кейін, біз тек ПТР (Пластиналы тесік) бар ПХД (24 мм x 34 мм) құрдық.) оны кішкене квадрат толқынды генератор тақтасына айналдыру үшін компоненттер. Нан тақтаймен прототиптеу үшін тесік компоненттері қолданылғандықтан, ПХД тесік тесіктерді де қолдана алады (үстіңгі жақтаудың орнына) және қолмен оңай дәнекерлеуге мүмкіндік береді. Компоненттерді орналастыру дәл емес, және сіз жақсартуға орын таба аласыз. Біз Eagle және Gerber файлдарын жүктеуге қол жетімді етіп қойдық, осылайша сіз өзіңіздің ПХД жасай аласыз. Файлдарды мақаланың соңындағы «Файлдар» бөлімінен табуға болады. Өзіңіздің жеке тақтаны жобалау кезінде бірнеше кеңестер берілген: Бөшкеге қосқыш пен бұрандалы терминалды тақтаның сол жағына қойыңыз Бөлшектерді бір -біріне салыстырмалы түрде жақын орналастырыңыз және іздерді/ұзындықтарды азайтыңыз Монтаж тесіктері стандартты диаметрге ие болуы керек. тіктөртбұрышты көбейту.

3 -қадам: сымдарды орнату

Сонымен, сымды қалай орнату керек? Оны көмудің орнына, оны орнында ұстау үшін қазықтарды қолдану оңай. Сіз сымды орнында ұстау үшін кез келген нәрсені пайдалана аласыз, бірақ пластик жақсы жұмыс істейді. Робот көгалдарға арналған 50 қазықтан тұратын пакет қымбатқа түседі. Сымды төсеу кезінде бұрандалы терминал арқылы генератор тақтасына қосылу үшін екі ұшының бір жерде болуын ұмытпаңыз.

4 -қадам: Ауа райына төзімділік

Жүйе ашық ауада қолдану үшін, ең алдымен, сыртта қалдырылады. Периметрлік сым ауа райына төзімді жабынды қажет етеді, ал генератор схемасы су өткізбейтін корпуста орналасқан. Генераторды жаңбырдан қорғау үшін сіз бұл салқын қоршауды пайдалана аласыз. Барлық сымдар бірдей жасалмайды. Егер сіз сымды тастап кетуді жоспарласаңыз, дұрыс сымға инвестиция салуды ұмытпаңыз, мысалы, ультракүлгінге / суға төзімді емес Robomow 300 'периметрі бойынша сым қорғанысы уақыт өте тез бұзылып, сынғыш болады.

5 -қадам: сенсор

Теория

Енді біз генератор тізбегін құрдық және оның ойлағандай жұмыс істейтініне көз жеткіздік, сым арқылы өтетін сигналды қалай анықтау керектігін ойластыратын кез келді. Ол үшін біз сізді танк тізбегі немесе реттелген схема деп аталатын LC схемасы туралы оқуға шақырамыз. LC тізбегі - индуктор/катушка (L) мен параллель қосылған конденсаторға (C) негізделген электр тізбегі. Бұл схема сүзгілерде, тюнерлерде және жиілік араластырғыштарда қолданылады. Демек, ол әдетте сымсыз хабар таратуда тарату үшін де, қабылдау үшін де қолданылады. Біз LC тізбектеріне қатысты теориялық мәліметтерге тоқталмаймыз, бірақ осы мақалада қолданылатын сенсорлық тізбекті түсіну үшін есте ұстайтын ең маңызды нәрсе LC тізбегінің резонанстық жиілігін есептеу формуласы болады:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Мұндағы L - катушканың индуктивтілік мәні H (Генри), ал C - конденсатордың сыйымдылық мәні F (Фарадс). Сенсор сымға түсетін 34 кГц-40 кГц сигналын анықтай алуы үшін біз қолданған резервуар тізбегінің резонанстық жиілігі осы диапазонда болуы керек. (2) формуласы бойынша есептелген 33 932Гц резонанс жиілігін алу үшін L = 1mH және C = 22nF таңдадық. Біздің резервуарлық схема анықтаған сигналдың амплитудасы индуктор сымнан шамамен 10 см қашықтықта болғанда салыстырмалы түрде аз болады (сенсорлық тізбекті тексергенде максимум 80 мВ), сондықтан оған күшейту қажет болады. Бұл үшін біз 10 см-ден үлкен қашықтықта жақсы оқылатын аналогтық сигналды алуды қамтамасыз ету үшін 2 сатылы күшейту режимінде сигналды 100-ге дейін күшейту үшін әйгілі LM324 Op-Amp күшейткішін қолдандық. сенсордың шығысы. Бұл мақалада жалпы Op-Amps туралы пайдалы ақпарат берілген. Сонымен қатар, сіз LM324 мәліметтер кестесін қарай аласыз. Міне LM324 күшейткішінің типтік схемасы: инверттелмеген конфигурациядағы Op-Amp (төртінші сурет)

Инверсияланбайтын пайда конфигурациясы үшін теңдеуді қолданып, Av = 1+R2/R1. R1 -ді 10KOhms -қа және R2 -ді 1MOhms -ге орнату 100 спектрді қамтамасыз етеді, бұл қажетті спецификацияда. Робот әр түрлі бағыттағы периметрлік сымды анықтай алуы үшін оған бірнеше сенсор орнатылған дұрыс. Роботта датчиктер неғұрлым көп болса, соғұрлым ол шекаралық сымды анықтай алады. Бұл оқулық үшін, және LM324-бұл квад-оп күшейткіші (бұл бір LM324 чипінде 4 бөлек күшейткіш бар екенін білдіреді), біз тақтада екі анықтау датчигін қолданатын боламыз. Бұл екі LC схемасын қолдануды білдіреді және олардың әрқайсысында күшейтудің 2 кезеңі болады. Сондықтан бір ғана LM324 чипі қажет.

6 -қадам: схемалық және прототиптеу

Жоғарыда айтқанымыздай, сенсорлық тақтаның схемасы өте қарапайым. Ол 2 LC схемасынан, бір LM324 чипінен және күшейткіштердің табысын орнату үшін 10KOhms және 1MOhms резисторларынан тұрады.

Мұнда қолдануға болатын компоненттердің тізімі берілген:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm резисторлары
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm резисторлары
• C1, C2: 22nF конденсаторлары
• IC: LM324N күшейткіші
• JP3 / JP4: 2,54 мм 3 істікшелі M / M тақырыптары
• Индукторлар 1, 2: 1мГц*

* 1mH индукторлары 420мА ағымдағы рейтингі мен Q 25 коэффициенті 252 кГц болатын индукторлар жақсы жұмыс істеуі керек. Біз бұрандалы терминалдарды индукторларды (сымдарға дәнекерленген сымдармен) роботтың ыңғайлы жерлеріне орналастыру үшін схемаға әкеледі. Содан кейін сымдар (индукторлардың) бұрандалы қысқыштарға қосылады. Out1 және Out2 түйреуіштері микроконтроллердің аналогтық кіріс түйреуіштеріне тікелей қосылуы мүмкін. Мысалы, сіз неғұрлым ыңғайлы байланыс үшін Arduino UNO тақтасын немесе, жақсырақ, BotBoarduino контроллерін қолдана аласыз, себебі аналогты түйреуіштер 3 түйреуіштен тұрады (Signal, VCC, GND) және ол Arduino-мен де үйлесімді. LM324 чипі микроконтроллердің 5В желісінен қуат алады, сондықтан сенсорлық тақтадан аналогтық сигнал (анықталған толқын) индуктор мен периметрлік сым арасындағы қашықтыққа байланысты 0В пен 5В аралығында өзгереді. Индуктор периметрлік сымға неғұрлым жақын болса, сенсорлық тізбектің шығу толқынының амплитудасы соғұрлым жоғары болады. Сенсорлық тізбек тақтада қалай көрінуі керек.

7 -қадам: Нәтижелер

Төмендегі осциллографтың скриншоттарынан көріп отырғанымыздай, LC тізбегінің шығысындағы анықталған толқын күшейтіледі және индуктор периметрлік сымға 15см болғанда 5В -қа қанықады.

Генератор тізбегіндегідей, біз резервуардың екі тізбегі, күшейткіші және 2 аналогтық шығысы бар сенсорлық тақта үшін тесік компоненттері бар жақсы жинақы ПХД құрастырдық. Файлдарды мақаланың соңындағы «Файлдар» бөлімінен табуға болады.

8 -қадам: Arduino коды

Сым генераторы мен сенсор үшін қолдануға болатын Arduino коды өте қарапайым. Сенсорлық тақтаның шығысы 0В -тан 5В -қа дейінгі екі аналогты сигнал болғандықтан (әр сенсорға/индукторға бір), AnalogRead Arduino мысалын қолдануға болады. Сенсорлық тақтаның екі шығыс түйреуішін екі аналогтық кіріс түйреуішіне жалғап, Arduino AnalogRead мысалын өзгерту арқылы тиісті істікті оқыңыз. Arduino сериялық мониторын қолдана отырып, индукторға периметрлік сымға жақындаған кезде қолданылатын аналогтық түйреуіштің RAW мәні 0 -ден 1024 -ке дейін өзгеруі керек.

Код analogPin кернеуін оқиды және оны көрсетеді.

int analogPin = A3; // потенциометрлік тазалағыш (орта терминал) 3 аналогтық түйреуішке жалғанған // сыртынан жерге және +5В әкеледі

int val = 0; // оқылатын мәнді сақтау үшін айнымалы

жарамсыз орнату () {

Serial.begin (9600); // серияны орнату

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // кіріс шрифтін оқу Serial.println (val); // отладка мәні