Generator in senzor obodnih žic za obod: 8 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Tehnologija žičnega vodenja se pogosto uporablja v industriji, zlasti v skladiščih, kjer je rokovanje avtomatizirano. Roboti sledijo žični zanki, zakopani v zemljo. V tej žici teče izmenični tok relativno nizke jakosti in frekvence med 5Kz in 40KHz. Robot je opremljen z induktivnimi senzorji, ki običajno temeljijo na vezju rezervoarja (z resonančno frekvenco, ki je enaka ali blizu frekvence generiranega vala), ki meri jakost elektromagnetnega polja blizu tal. Procesna veriga (ojačanje, filtri, primerjava) omogoča določitev položaja robota znotraj žice. Danes se obodna/mejna žica uporablja tudi za ustvarjanje "nevidnih ograj", ki hišne ljubljenčke zadržujejo na dvoriščih, robotske kosilnice pa znotraj območij. LEGO uporablja isto načelo za vodenje vozil po cestah, ne da bi obiskovalci videli črte.

Ta vadnica na enostaven in intuitiven način razlaga, da vam pomaga razumeti teorijo, zasnovo in izvedbo za izdelavo lastnega generatorja in senzorja za obodno žico. Datoteke (sheme, datoteke Eagle, datoteke Gerbers, datoteke 3D in vzorčna koda Arduino) so prav tako na voljo za prenos. Na ta način lahko svojemu najljubšemu robotu dodate funkcijo zaznavanja oboda žice in jo obdržite v delujoči "coni".

1. korak: GENERATOR

Teorija

Generator vezja za obodno žico bo temeljil na znamenitem merilniku časa NE555. NE555 ali bolj pogosto imenovan 555 je integrirano vezje, ki se uporablja za časovnik ali način multivibratorja. Ta komponenta se zaradi enostavnosti uporabe, nizkih stroškov in stabilnosti uporablja še danes. Na leto se proizvede milijarda enot. Za naš generator bomo uporabili NE555 v nastavljivi konfiguraciji. Stabilna konfiguracija omogoča uporabo NE555 kot oscilatorja. Dva upora in kondenzator omogočata spreminjanje frekvence nihanja in obratovalnega cikla. Razporeditev komponent je prikazana na spodnji shemi. NE555 Ustvari (grob) kvadratni val, ki lahko vodi po dolžini obodne žice. Glede na podatkovni list časovnika NE555 obstaja vzorčno vezje in teorija delovanja (8.3.2 A-stabilno delovanje). Texas Instruments ni edini proizvajalec IC -jev NE555, zato, če izberete drug čip, preverite njegov priročnik. Ponujamo vam ta lep komplet za spajkanje s časovnikom 555, ki vam bo omogočil, da vse notranje komponente časovnika 555 spajkate v paket skozi luknje, da boste lahko podrobno razumeli delovanje tega vezja.

Shema in prototipi

Shema v priročniku NE555 (oddelek 8.3.2 A-stabilno delovanje) je dokaj popolna. Nekaj dodatnih komponent je bilo dodanih in obravnavanih spodaj. (prva slika)

Formula, uporabljena za izračun frekvence izhodnega kvadratnega vala, je

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

Frekvenčno območje ustvarjenega kvadratnega vala bo med 32Khz in 44KHz, kar je posebna frekvenca, ki ne bi smela motiti drugih bližnjih naprav. Za to smo izbrali Ra = 3,3KOhms, Rb = 12KOhms + 4,7KOhms potenciometer in C = 1,2nF. Potenciometer nam bo pomagal pri spreminjanju frekvence izhoda kvadratnega vala, da se ujema z resonančno frekvenco vezja rezervoarja LC, o kateri bomo razpravljali kasneje. Teoretično najnižja in najvišja vrednost izhodne frekvence bo naslednja, izračunana po formuli (1): Najnižja vrednost frekvence: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

Najvišja vrednost frekvence: fH = 1,44 / ((3,3+2*(12+0))*1,2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

Ker potenciometer 4,7KOhms nikoli ne doseže 0 ali 4,7, se bo izhodno frekvenčno območje gibalo od okoli 33,5Khz do 39Khz. Tu je celotna shema vezja generatorja. (druga slika)

Kot lahko vidite na shemi, je bilo dodanih nekaj dodatnih komponent, ki bodo obravnavane v nadaljevanju. Tu je celotna specifikacija:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (upor, ki omejuje tok): 47 ohmov (mora biti precej velik, da odvaja toploto z močjo 2 W bi morala biti dovolj)
• R4: potenciometer 4,7 KOhm
• C2, C4: 100 nF
• C3: 1,2 nF (delo bo opravilo tudi 1000 pF)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm sredinski pozitivni cevni priključek (5-15V DC)
• J2: Vijačni priključek (dva položaja)
• IC1: Precizni časovnik NE555

Na shemo so dodani dodatni deli, ki vključujejo cevno vtičnico (J1) za enostavno priključitev na stenski adapter (12V) in vijačni priključek (12) za priročno povezavo z obodno žico. Obodna žica: Upoštevajte, da dlje kot je obodna žica, bolj se signal poslabša. Namestitev smo preizkusili s približno 100 '22-milimetrske večžilne žice (pritrjene v tla v nasprotju z zakopano). Napajanje: 12V stenski adapter je neverjetno pogost in vsak tok nad 500 mA bi moral dobro delovati. Izberete lahko tudi 12V svinčeno kislino ali 11.1V LiPo, da jo hranite v ohišju, vendar jo ne odporite na vremenske vplive in jo izklopite, ko je ne uporabljate. Tukaj ponujamo nekaj delov, ki jih boste morda potrebovali pri gradnji vezja generatorja:

• 2,1 -milimetrski cevni priključek na terminal ali ta 2,1 -milimetrski adapter za sodček - kompatibilen
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Solderless Breadboard
• 65 x 22 žične mostičke
• Komplet uporov DFRobot
• Komplet kondenzatorjev SparkFun
• Napajanje stenskega adapterja 12VDC 3A

Takole bi moralo izgledati vezje generatorja na plošči (tretja slika)

2. korak: Rezultati

Kot je prikazano na spodnjem posnetku zaslona osciloskopa z izhodom generatorjevega vezja (posneto z Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 -kanalnim tabličnim osciloskopom), lahko vidimo (grob) kvadratni val s frekvenco 36,41KHz in amplitudo 11,8 V (z napajalnikom 12 V). Frekvenco lahko nekoliko spremenite s prilagoditvijo potenciometra R4.

Opazna plošča brez spajkanja je le redkokdaj dolgoročna rešitev in jo je najbolje uporabiti za izdelavo hitrega prototipa. Zato smo po potrditvi, da vezje generatorja deluje tako, kot bi moralo, ustvarili kvadratni val s frekvenčnim območjem 33,5 kHz in 40 kHz (spremenljivo skozi lonec R4), smo zasnovali tiskano vezje (24 mm x 34 mm) samo s PTH (plated-through luknja)) komponente, da postane lepa majhna plošča generatorja kvadratnih valov. Ker so bile komponente za izdelavo prototipov uporabljene za izdelavo prototipov s ploščico, bi lahko na tiskanem vezju bile uporabljene tudi komponente skozi luknje (namesto za površinsko montažo) in omogoča enostavno spajkanje z roko. Postavitev komponent ni natančna in verjetno boste našli prostor za izboljšave. Datoteki Eagle in Gerber smo dali na voljo za prenos, tako da lahko sami izdelate tiskano vezje. Datoteke najdete v razdelku »Datoteke« na koncu tega članka. Tukaj je nekaj nasvetov pri načrtovanju lastne plošče: Priključek cevi in vijačni priključek imejte na isti strani plošče Postavite komponente relativno blizu drug drugega in zmanjšajte sledi/dolžine Naj bodo montažne luknje standardnega premera in v enostavnem reproducirati pravokotnik.

Korak: Namestitev žice

Kako torej namestiti žico? Namesto da bi ga zakopali, je najlažje preprosto uporabiti kljukice, da ostanejo na svojem mestu. Za ohranitev žice lahko uporabite karkoli želite, vendar plastika najbolje deluje. Paket 50 kljukic, ki se uporablja za robotske kosilnice, je ponavadi poceni. Pri polaganju žice se prepričajte, da sta oba konca na istem mestu, da se povežeta z generatorjsko ploščo skozi vijačni priključek.

4. korak: Odpornost na vremenske vplive

Ker bo sistem najverjetneje puščen zunaj za uporabo na prostem. Obodna žica potrebuje premaz, odporen proti vremenskim vplivom, sam generator pa je nameščen v vodotesnem ohišju. To hladno ohišje lahko uporabite za zaščito generatorja pred dežjem. Vse žice niso enake. Če nameravate žico izpustiti, ne pozabite vlagati v ustrezno žico, na primer ta Robomow 300 'obodna žica, ki ni odporna na UV / vodo, se bo sčasoma hitro razgradila in postala krhka.

5. korak: Senzor

Teorija

Zdaj, ko smo zgradili generatorjevo vezje in se prepričali, da deluje, kot je predvideval, je čas, da začnemo razmišljati, kako zaznati signal, ki gre skozi žico. V ta namen vas vabimo, da preberete o LC vezju, imenovanem tudi Tank Circuit ali Tuned Circuit. LC vezje je električno vezje, ki temelji na induktorju/tuljavi (L) in kondenzatorju (C), ki sta povezana vzporedno. To vezje se uporablja v filtrih, sprejemnikih in frekvenčnih mešalnikih. Zato se pogosto uporablja pri brezžičnih oddajnih oddajah tako za oddajanje kot za sprejem. Ne bomo se spuščali v teoretične podrobnosti v zvezi z LC vezji, vendar je najpomembnejša stvar, ki jo morate upoštevati pri razumevanju vezja senzorja, uporabljenega v tem članku, formula za izračun resonančne frekvence LC vezja, ki izgleda tako:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Kjer je L vrednost induktivnosti tuljave v H (Henry) in C vrednost kapacitivnosti kondenzatorja v F (Farads). Da senzor zazna signal 34kHz-40Khz, ki teče v žico, mora imeti vezje rezervoarja, ki smo ga uporabili, resonančno frekvenco v tem območju. Izbrali smo L = 1mH in C = 22nF, da dobimo resonančno frekvenco 33 932Hz, izračunano po formuli (2). Amplituda signala, ki ga zazna naše vezje rezervoarja, bo relativno majhna (največ 80 mV, ko smo preizkusili vezje senzorja), ko je induktor oddaljen približno 10 cm od žice, zato ga bo treba nekoliko ojačati. V ta namen smo uporabili priljubljeni ojačevalnik op-amp LM324 za ojačanje signala z dobitkom 100 v neinvertirajoči konfiguraciji 2-stopenjskega ojačanja, da zagotovimo lep berljiv analogni signal na večji razdalji od 10 cm v izhod senzorja. Ta članek ponuja koristne informacije o op-ojačevalcih na splošno. Ogledate si lahko tudi podatkovni list LM324. Tukaj je tipična shema vezja ojačevalnika LM324: Op-Amp v neinvertirajoči konfiguraciji (četrta slika)

Z uporabo enačbe za konfiguracijo neinvertirajočega dobička je Av = 1+R2/R1. Nastavitev R1 na 10KOhms in R2 na 1MOhms bo zagotovila dobiček 100, kar je v okviru želenih specifikacij. Da bi robot lahko zaznal obodno žico v različnih orientacijah, je primerneje, da ima na njem nameščenih več kot en senzor. Več senzorjev na robotu, bolje bo zaznalo mejno žico. Za to vadnico in ker je LM324 štirikotni ojačevalnik (to pomeni, da ima en čip LM324 4 ločene ojačevalnike), bomo na plošči uporabljali dva zaznavna senzorja. To pomeni uporabo dveh LC vezij in vsaka bo imela 2 stopnji ojačanja. Zato je potreben le en čip LM324.

6. korak: Shema in izdelava prototipov

Kot smo razpravljali zgoraj, je shema senzorske plošče precej preprosta. Sestavljen je iz 2 LC vezij, enega čipa LM324 in nekaj uporov 10KOhms in 1MOhms za nastavitev dobičkov ojačevalnikov.

Tu je seznam komponent, ki jih lahko uporabite:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm upori
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm upori
• C1, C2: 22nF kondenzatorji
• IC: ojačevalnik LM324N
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3-polne M / M glave
• Induktorji 1, 2: 1 mH*

* Induktorji 1mH s trenutno močjo 420mA in faktorjem Q 40252kHz bi morali dobro delovati. Na shemo smo dodali vijačne sponke kot vodila induktorja, da se induktorji (z žicami, spajkanimi na žice) postavijo na priročna mesta na robotu. Nato bodo žice (induktorjev) priključene na vijačne sponke. Zatiča Out1 in Out2 lahko neposredno povežete z analognimi vhodnimi zatiči mikrokrmilnika. Na primer, za bolj priročno povezavo lahko uporabite ploščo Arduino UNO ali, bolje, krmilnik BotBoarduino, saj ima analogne zatiče razdeljene v vrsto 3 zatičev (signal, VCC, GND) in je tudi združljiv z Arduinom. Čip LM324 se bo napajal prek 5V mikrokrmilnika, zato se bo analogni signal (zaznani val) s plošče senzorja razlikoval med 0V in 5V, odvisno od razdalje med induktorjem in obodno žico. Bolj ko je induktor bližje obodni žici, večja je amplituda izhodnega vala senzorskega vezja. Takole bi moralo izgledati vezje senzorja na plošči.

7. korak: Rezultati

Kot lahko vidimo na spodnjih posnetkih zaslona osciloskopa, se zaznani val na izhodu vezja LC ojača in nasiči pri 5V, ko je induktor na 15 cm do obodne žice.

Tako kot pri generatorju smo zasnovali lepo kompaktno tiskano vezje s komponentami skozi luknjo za senzorsko ploščo z dvema vezjema rezervoarja, ojačevalnikom in 2 analognima izhodoma. Datoteke najdete v razdelku »Datoteke« na koncu tega članka.

8. korak: Arduino koda

Koda Arduino, ki bi jo lahko uporabili za vaš obodni generator žice in senzor, je zelo preprosta. Ker sta na izhodu senzorske plošče dva analogna signala, ki se razlikujejo od 0V do 5V (po en za vsak senzor/induktor), lahko uporabimo primer AnalogRead Arduino. Samo priključite dva izhodna zatiča na plošči senzorja na dva analogna vhodna zatiča in preberite ustrezen zatič s spreminjanjem primera Arduino AnalogRead. S serijskim monitorjem Arduino bi morali videti, da se vrednost RAW analognega zatiča, ki ga uporabljate, spreminja od 0 do 1024, ko se približate induktorju na obodno žico.

Koda bere napetost na analogPin in jo prikaže.

int analogPin = A3; // brisalnik potenciometra (srednji priključek), priključen na analogni zatič 3 // zunanji vodi na ozemljitev in +5V

int val = 0; // spremenljivka za shranjevanje prebrane vrednosti

void setup () {

Serial.begin (9600); // nastavitev serijske

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // preberemo vhodni pin Serial.println (val); // vrednost za odpravljanje napak