DIY perimetri tel generatoru və sensoru: 8 addım

2024 Müəllif: John Day | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-30 07:45

Tel idarəetmə texnologiyası sənayedə, xüsusən işlənmənin avtomatlaşdırıldığı anbarlarda geniş istifadə olunur. Robotlar yerə basdırılmış bir tel döngəsini izləyir. Bu teldə 5Kz ilə 40KHz arasında nisbətən aşağı intensivliyə və tezliyə malik alternativ cərəyan axır. Robot, adətən yerə yaxın olan elektromaqnit sahəsinin intensivliyini ölçən bir tank dövrəsinə əsaslanan (yaranan dalğanın tezliyinə bərabər və ya ona yaxın olan) induktiv sensorlar ilə təchiz olunmuşdur. Bir emal zənciri (gücləndirmə, filtrlər, müqayisə), robotun teldəki mövqeyini təyin etməyə imkan verir. Bu günlərdə, ətraf/sərhəd teli, ev heyvanlarını həyətlərdə saxlamaq üçün "görünməz çitler" və bölgələrdə robot çim biçən maşınlar yaratmaq üçün də istifadə olunur. LEGO, eyni prinsipi ziyarətçilərin heç bir xətt görmədən yollarda nəqliyyat vasitələrini idarə etməsi üçün istifadə edir.

Bu dərslik, bir tel teli üçün öz generatorunuzu və sensorunuzu hazırlamaq üçün nəzəriyyəni, dizaynı və tətbiqini başa düşməyinizə kömək etmək üçün asan və asan bir şəkildə izah edir. Faylları (Şematik, Kartal Dosyaları, Gerbers, 3D Files və Arduino Nümunə Kodu) də yükləmək mümkündür. Bu yolla, tel perimetri algılama xüsusiyyətini ən sevdiyiniz robota əlavə edə və işləyən bir "zona" daxilində saxlaya bilərsiniz.

Addım 1: JENERATOR

Nəzəriyyə

Perimetr tel generatoru dövrəsi məşhur NE555 taymerinə əsaslanacaq. NE555 və ya daha çox adlanan 555, taymer və ya multivibrator rejimi üçün istifadə olunan inteqrasiya olunmuş bir sxemdir. İstifadənin asanlığı, aşağı qiyməti və sabitliyi səbəbindən bu komponent bu gün də istifadə olunur. İldə bir milyard ədəd istehsal olunur. Jeneratörümüz üçün Astable konfiqurasiyasında NE555 istifadə edəcəyik. Sabit konfiqurasiya, NE555 -i bir osilator kimi istifadə etməyə imkan verir. İki müqavimət və bir kondansatör, salınım tezliyini və iş dövrünü dəyişdirməyə imkan verir. Komponentlərin tənzimlənməsi aşağıdakı sxemdə göstərildiyi kimidir. NE555, perimetr telin uzunluğunda işləyə bilən (kobud) bir kvadrat dalğa yaradır. Taymer üçün NE555 məlumat cədvəlinə istinad edərək, nümunə bir dövrə və əməliyyat nəzəriyyəsi var (8.3.2 A-sabit əməliyyat). Texas Instruments, NE555 IC -lərin yeganə istehsalçısı deyil, buna görə başqa bir çip seçsəniz, təlimatını yoxlayın. Bu dövrənin işini ətraflı şəkildə başa düşməyinizə imkan verən 555 taymerin bütün daxili komponentlərini delikli bir paketdə lehimləmə imkanı verəcək bu gözəl 555 Zamanlayıcı Lehim Kitini təqdim edirik.

Sxematik və Prototipləşdirmə

NE555 təlimatında (8.3.2 A-sabit əməliyyat bölməsi) verilən sxem kifayət qədər tamamlanmışdır. Bir neçə əlavə komponent əlavə edildi və aşağıda müzakirə edildi. (ilk şəkil)

Çıxış kvadrat dalğasının tezliyini hesablamaq üçün istifadə olunan formula

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

Yaranan kvadrat dalğanın tezlik diapazonu 32Khz ilə 44KHz arasında olacaq ki, bu da digər yaxın cihazlara müdaxilə etməməli olan xüsusi bir tezlikdir. Bunun üçün Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potansiyometr və C = 1.2nF seçmişik. Potansiometr, daha sonra müzakirə ediləcək LC Tank dövrəsinin rezonans tezliyinə uyğun olaraq kvadrat dalğa çıxışının tezliyini dəyişməyimizə kömək edəcək. Çıxış tezliyinin nəzəri ən aşağı və ən yüksək dəyəri (1) düsturu ilə hesablanacaq: Ən aşağı tezlik dəyəri: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) 6932 698Hz

Ən yüksək tezlik dəyəri: fH = 1.44 / ((3.3+2*(12+0))*1.2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

4.7KOhms potansiyometri heç vaxt 0 və ya 4.7 -ə çatmadığından, çıxış tezliyi diapazonu 33.5Khz ilə 39Khz arasında dəyişəcək. Burada generator dövrəsinin tam sxemidir. (ikinci şəkil)

Şemada gördüyünüz kimi, bir neçə əlavə komponent əlavə edildi və aşağıda müzakirə ediləcək. İşdə tam BOM:

• R1: 3.3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (Cari məhdudlaşdırıcı müqavimət): 47 Ohm (2W güc dərəcəsi ilə istiliyi yaymaq üçün kifayət qədər böyük olmalıdır)
• R4: 4.7 KOhm potansiyometr
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF də işi edəcək)
• C5: 1 uF
• J1: 2.5mm mərkəzi pozitiv barel konnektoru (5-15V DC)
• J2: Vida terminalı (iki mövqe)
• IC1: NE555 Precision Timer

Şemaya əlavə edilmiş hissələrə, divar adapterinə (12V) asanlıqla qoşulmaq üçün bir barel yuvası (J1) və perimetr telinə rahat şəkildə qoşulmaq üçün bir vida terminalı (12) daxildir. Perimetr Tel: Diqqət yetirin ki, tel nə qədər uzun olsa, siqnal bir o qədər pisləşir. Quraşdırmanı təxminən 100 '22 ölçülü çox telli (torpağa basdırılmamış kimi yerə yapışdırılmış) sınaqdan keçirdik. Güc Təchizatı: 12V divar adapteri inanılmaz dərəcədə yaygındır və 500mA -dan yuxarı olan hər hansı bir cərəyan yaxşı işləməlidir. Çantanın içərisində saxlamaq üçün 12V qurğuşun turşusu və ya 11.1V LiPo da seçə bilərsiniz, ancaq havaya davamlı olduğundan və istifadə edilmədikdə söndürülməsindən əmin olun. Burada generator dövrəsini qurarkən ehtiyacınız ola biləcək bəzi hissələri təqdim edirik:

• 2.1 mm Barrel Jack terminala və ya bu 2.1 mm Barrel Jack Adapter - Breadboard Uyğundur
• 400 Bağlama Noktası Bir -birinə Bağlı Şəffaf Lehimsiz Çörək Paneli
• 65 x 22 Ölçü Çeşidli Jumper Telləri
• DFRobot Rezistor Dəsti
• SparkFun kondansatör dəsti
• 12VDC 3A Divar Adapteri Güc Təchizatı

Bir çörək taxtasında generator dövrəsinin necə görünməsi lazım olduğu budur (üçüncü şəkil)

Addım 2: Nəticələr

Generator dövrəsinin çıxışının aşağıdakı osiloskop ekran görüntüsündə göstərildiyi kimi (Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Kanallı Tablet Osiloskopu ilə çəkilmişdir), 36.41KHz tezlikli və amplitudlu (kobud) bir kvadrat dalğa görə bilərik. 11.8V (12V güc adapterindən istifadə etməklə). R4 potansiyometrini tənzimləyərək tezlik bir qədər dəyişə bilər.

Lehimsiz çörək taxtası nadir hallarda uzunmüddətli bir həlldir və sürətli bir prototip yaratmaq üçün ən yaxşı şəkildə istifadə olunur. Buna görə, generator dövrəsinin lazım olduğu kimi işlədiyini təsdiqlədikdən sonra, 33.5Khz və 40KHz tezlik aralığına malik bir kvadrat dalğa (R4 qazanından dəyişən) meydana gətirərək, yalnız PTH (24mmx34mm) ilə PTH (Plated-through Hole) dizayn etmişik.) gözəl kiçik kvadrat dalğa generator lövhəsi etmək üçün komponentlər. Çuxurlu komponentlər çörək taxtası ilə prototip hazırlamaq üçün istifadə edildiyindən, PCB də çuxurlu komponentləri də istifadə edə bilər (yerüstü montaj yerinə) və əllə asan lehimləmə imkanı verir. Komponentlərin yerləşdirilməsi dəqiq deyil və ehtimal ki, təkmilləşdirmə üçün yer tapa bilərsiniz. Eagle və Gerber fayllarını yükləmək üçün hazırladıq ki, öz PCB -ni edə biləsiniz. Faylları məqalənin sonunda "Fayllar" bölməsində tapa bilərsiniz. Öz lövhənizi tərtib edərkən bir neçə ipucu var: Barel bağlayıcısını və vintli terminali lövhənin eyni tərəfinə qoyun Komponentləri bir -birinə nisbətən yaxın qoyun və izləri/uzunluqları minimuma endirin Montaj deliklərinin standart diametrli olması və düzbucaqlı təkrarlayın.

Addım 3: Tel Quraşdırma

Beləliklə, teli necə quraşdırmaq olar? Dəfn etməkdənsə, yerində saxlamaq üçün dirəklərdən istifadə etmək ən asandır. Telin yerində qalması üçün istədiyinizi istifadə etməkdə sərbəstsiniz, amma plastik ən yaxşı işləyir. Robot çəmən biçənlər üçün istifadə olunan 50 ədəd dirək paketi ucuz başa gəlir. Tel çəkərkən, vintli terminal vasitəsilə generator lövhəsinə qoşulmaq üçün hər iki ucunun eyni yerdə birləşdiyinə əmin olun.

Addım 4: Hava Müqaviməti

Sistemin açıq havada istifadə edilməsi üçün çox güman ki, çöldə qalacaq. Perimetr telinin hava şəraitinə davamlı bir örtüyə ehtiyacı var və generator dövrəsinin özü su keçirməyən bir vəziyyətdədir. Jeneratörü yağışdan qorumaq üçün bu sərin Muhafazadan istifadə edə bilərsiniz. Bütün tellər bərabər yaradılmır. Teli kənara qoymağı planlaşdırırsınızsa, doğru telə investisiya etdiyinizə əmin olun, məsələn, UV / suya davamlı olmayan bu Robomow 300 'Perimetr Tel Qoruyucu zamanla tez xarab olacaq və kövrək olacaq.

Addım 5: Sensor

Nəzəriyyə

İndi generator dövrəsini qurduqdan və düşündüyü kimi işlədiyindən əmin olduqdan sonra, teldən keçən siqnalın necə aşkarlanacağını düşünməyə başlamağın vaxtıdır. Bunun üçün sizi Tank Dövrü və ya Ayarlanmış Dövrə adlanan LC Dövrü haqqında oxumağa dəvət edirik. Bir LC dövrəsi, paralel olaraq bağlanmış bir İndüktör/Bobin (L) və bir kondansatörə (C) əsaslanan elektrik dövrəsidir. Bu sxem filtrlərdə, tunerlərdə və tezlik qarışdırıcılarında istifadə olunur. Buna görə də, həm yayım, həm də qəbul üçün simsiz yayım ötürmələrində geniş istifadə olunur. LC sxemləri ilə bağlı nəzəri detallara girməyəcəyik, ancaq bu məqalədə istifadə olunan sensor dövrəsini anlamaq üçün yadda saxlamalı olduğumuz ən vacib şey, bir LC dövrəsinin rezonans tezliyinin hesablanması formulu olacaq:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Burada L, H (Henry) sarımının endüktans dəyəri və C, F (Farads) kondansatörünün kapasitans dəyəridir. Sensorun telə daxil olan 34kHz-40Khz siqnalını aşkarlaması üçün istifadə etdiyimiz tank dövrəsinin bu diapazonda rezonans tezliyi olmalıdır. (2) düsturu ilə hesablanmış 33 932Hz rezonans tezliyi əldə etmək üçün L = 1mH və C = 22nF seçdik. Tank dövrəmiz tərəfindən aşkarlanan siqnalın amplitudası induktor teldən təxminən 10 sm məsafədə olduqda nisbətən kiçik olacaq (sensor dövrənizi sınadıqda maksimum 80 mV), buna görə də bir qədər gücləndirməyə ehtiyac olacaq. Bunu etmək üçün, 10 sm-dən daha böyük bir məsafədə gözəl oxunan bir analog siqnal əldə etməyinizə əmin olmaq üçün 2 mərhələli gücləndirmədə siqnalı 100 qazancla gücləndirmək üçün məşhur LM324 Op-Amp gücləndiricisini istifadə etdik. sensorun çıxışı. Bu məqalə ümumiyyətlə Op-Amps haqqında faydalı məlumatlar verir. Ayrıca, LM324 məlumat cədvəlinə də baxa bilərsiniz. Budur LM324 gücləndiricisinin tipik bir sxem sxemi: ters çevrilməyən konfiqurasiyada Op-Amp (dördüncü şəkil)

Ters çevrilməyən qazanc konfiqurasiyası üçün tənlikdən istifadə edərək, Av = 1+R2/R1. R1 -in 10KOhms və R2 -nin 1MOhms -ə qoyulması, istədiyiniz spesifikasiyada olan 100 qazanc təmin edəcək. Robotun perimetr teli fərqli istiqamətlərdə aşkar edə bilməsi üçün üzərinə birdən çox sensorun quraşdırılması daha məqsədə uyğundur. Robotdakı sensorlar nə qədər çox olarsa, sərhəd telini bir o qədər yaxşı aşkar edər. Bu dərs üçün və LM324 dördlü gücləndirici olduğundan (bu, bir LM324 çipində 4 ayrı gücləndiricinin olması deməkdir), lövhədə iki aşkarlama sensoru istifadə edəcəyik. Bu, iki LC dövrəsinin istifadəsi deməkdir və hər birinin 2 mərhələdə gücləndirilməsi olacaq. Buna görə yalnız bir LM324 çipinə ehtiyac var.

Addım 6: Şematik və Prototipləşdirmə

Yuxarıda müzakirə etdiyimiz kimi, sensor lövhənin sxemi olduqca düzdür. Gücləndiricilərin qazancını təyin etmək üçün 2 LC dövrəsi, bir LM324 çipi və bir neçə 10KOhms və 1MOhms rezistorlardan ibarətdir.

İşdə istifadə edə biləcəyiniz komponentlərin siyahısı:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm Rezistorlar
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm Rezistorlar
• C1, C2: 22nF kondansatörler
• IC: LM324N gücləndiricisi
• JP3 / JP4: 2.54mm 3-pinli M / M başlıqları
• İndüktorlar 1, 2: 1mH*

* 420mA cari reytinqi və 40 252kHz Q faktoru olan 1mH induktorları yaxşı işləməlidir. İndüktörlərin (tellərə lehimlənmiş telləri ilə) robotun əlverişli yerlərində yerləşdirilməsi üçün indüktörün sxematik olaraq aparılması üçün vintli terminallar əlavə etdik. Sonra tellər (indüktörlərin) vida terminallarına bağlanacaq. Out1 və Out2 pinləri birbaşa mikrokontrolörün analoq giriş pinlərinə qoşula bilər. Məsələn, daha rahat bir əlaqə üçün bir Arduino UNO Board və ya daha yaxşı bir BotBoarduino Controller istifadə edə bilərsiniz, çünki 3 pindən (Pinal, VCC, GND) ayrılmış analog pinləri var və eyni zamanda Arduino ilə uyğun gəlir. LM324 çipi mikrokontrolörün 5V şəbəkəsi ilə təchiz ediləcək, buna görə də sensor lövhədən gələn analoq siqnal (aşkar edilmiş dalğa) induktorla perimetr tel arasındakı məsafədən asılı olaraq 0V ilə 5V arasında dəyişəcək. İndüktör perimetr telinə nə qədər yaxın olarsa, sensor dövrə çıxış dalğasının amplitudası o qədər yüksək olar. Sensor dövrəsinin çörək taxtasında necə görünməsi lazım olduğu budur.

Addım 7: Nəticələr

Aşağıdakı osiloskopun ekran görüntülərində görə bildiyimiz kimi, LC dövrəsinin çıxışında aşkar olunan dalğa gücləndirilir və induktor perimetr telinə 15 sm məsafədə olduqda 5V -də doyur.

Jeneratör dövrəsində olduğu kimi, iki tank dövrəsi, gücləndirici və 2 analoq çıxışı olan sensor lövhəsi üçün delikli komponentləri olan gözəl bir kompakt PCB hazırladıq. Faylları məqalənin sonunda "Fayllar" bölməsində tapa bilərsiniz.

Addım 8: Arduino Kodu

Perimetr tel generatoru və sensoru üçün istifadə edə biləcəyiniz Arduino kodu çox sadədir. Sensor lövhəsinin çıxışı 0V ilə 5V arasında dəyişən iki analoq siqnal olduğundan (hər sensor/induktor üçün bir) AnalogRead Arduino nümunəsindən istifadə edilə bilər. Sensor lövhəsinin iki çıxış pinini iki analoq giriş pininə bağlayın və Arduino AnalogRead Nümunəsini dəyişdirərək uyğun pimi oxuyun. Arduino serial monitorundan istifadə edərək, indüktora perimetr telinə yaxınlaşdıqda istifadə etdiyiniz analog pinin RAW dəyərinin 0 ilə 1024 arasında dəyişdiyini görməlisiniz.

Kod analogPində gərginliyi oxuyur və göstərir.

int analogPin = A3; // potensialiometr silecek (orta terminal) analog pin 3 -ə qoşulmuşdur // kənarda yerə və +5V -ə aparır

int val = 0; // oxunan dəyəri saxlamaq üçün dəyişən

boş quraşdırma () {

Serial.begin (9600); // quraşdırma seriyası

}

boşluq döngəsi () {

val = analogRead (analogPin); // giriş pinini oxuyun Serial.println (val); // debug dəyəri