DIY omkretstrådsgenerator och sensor: 8 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Trådledningsteknik används i stor utsträckning i branschen, särskilt i lager där hanteringen är automatiserad. Robotarna följer en trådslinga begravd i marken. En växelström med relativt låg intensitet och frekvens mellan 5 Kz och 40 KHz flödar i denna tråd. Roboten är utrustad med induktiva sensorer, vanligtvis baserade på en tankkrets (med en resonansfrekvens lika med eller nära frekvensen för den genererade vågen) som mäter intensiteten hos det elektromagnetiska fältet nära marken. En behandlingskedja (förstärkning, filter, jämförelse) gör det möjligt att bestämma positionen för roboten inuti tråden. Idag används omkrets/begränsningskabel också för att skapa "osynliga staket" för att hålla husdjur inom gårdar och robotgräsklippare inom zoner. LEGO använder också samma princip för att styra fordon längs vägar utan att besökare ser några linjer.

Denna handledning förklarar på ett enkelt och intuitivt sätt att hjälpa dig att förstå teorin, designen och implementeringen för att skapa din egen generator och sensor för en omkretsledning. Filerna (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files och Arduino Sample Code) är också tillgängliga för nedladdning. På så sätt kan du lägga till trådomkretsdetekteringsfunktionen till din favoritrobot och hålla den inom en "zon".

Steg 1: GENERATOR

Teori

Perimetertrådgeneratorkretsen kommer att baseras på den berömda NE555 -timern. NE555 eller vanligare kallad 555 är en integrerad krets som används för timer- eller multivibratorläge. Denna komponent används fortfarande idag på grund av dess användarvänlighet, låga kostnad och stabilitet. En miljard enheter tillverkas per år. För vår generator kommer vi att använda NE555 i Astable -konfiguration. Den stabila konfigurationen gör det möjligt att använda NE555 som en oscillator. Två motstånd och en kondensator gör det möjligt att ändra oscillationsfrekvensen såväl som arbetscykeln. Arrangemanget av komponenterna är som visas i schemat nedan. NE555 Genererar en (grov) fyrkantvåg som kan köra längden på omkretstråden. Med hänvisning till NE555-databladet för timern finns en samplingskrets samt teorin om drift (8.3.2 A-stabil drift). Texas Instruments är inte den enda tillverkaren av NE555 IC, så om du väljer ett annat chip, var noga med att kontrollera dess manual. Vi erbjuder detta fina 555 timerslödningssats som ger dig möjlighet att lödda alla interna komponenter i en 555 timer i ett genomgående hålpaket så att du kan förstå kretsens funktion i detalj.

Schematisk och prototyper

Schemat i NE555-handboken (avsnitt 8.3.2 A-stabil drift) är ganska komplett. Några ytterligare komponenter tillkom och diskuterades nedan. (första bilden)

Formeln som används för att beräkna frekvensen för utgången fyrkantvåg är

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

Frekvensområdet för den genererade fyrkantvåg kommer att vara mellan 32Khz och 44KHz vilket är en specifik frekvens som inte bör störa andra nära enheter. För detta har vi valt Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potentiometer och C = 1.2nF. Potentiometern hjälper oss att variera frekvensen för kvadratvågsutmatningen för att matcha resonansfrekvensen för LC -tankkretsen som kommer att diskuteras senare. Det teoretiska lägsta och högsta värdet för utgångsfrekvensen kommer att vara enligt följande beräknat med formeln (1): Lägsta frekvensvärde: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

Högsta frekvensvärde: fH = 1,44 / ((3,3+2*(12+0))*1,2*10^(-9)) ≈ 43956Hz

Eftersom potentiometern på 4,7 kOhms aldrig når 0 eller 4,7, kommer utgångsfrekvensområdet att variera från cirka 33,5 kHz till 39 kHz. Här är hela schemat över generatorkretsen. (andra bilden)

Som du kan se i schemat, har några ytterligare komponenter lagts till och kommer att diskuteras nedan. Här är hela BOM:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (strömbegränsande motstånd): 47 Ohm (måste vara ganska stor för att värme ska kunna släppas ut med en effekt på 2W bör räcka)
• R4: 4,7 KOhm potentiometer
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF kommer också att göra jobbet)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm mittkontaktfatskontakt (5-15V DC)
• J2: Skruvterminal (två lägen)
• IC1: NE555 Precision Timer

Ytterligare delar som läggs till i schematiken inkluderar ett fatuttag (J1) för enkel anslutning till en väggadapter (12V) och en skruvterminal (12) för att enkelt ansluta till kantkabeln. Kantkabel: Observera att ju längre kantkabeln är, desto mer försämras signalen. Vi testade installationen med ungefär 100 '22 gauge multi-strand tråd (fastnat i marken i motsats till begravd). Strömförsörjning: En 12V väggadapter är otroligt vanlig, och alla nuvarande betyg över 500mA borde fungera bra. Du kan också välja en 12V blysyra eller 11.1V LiPo för att hålla den i fodralet, men se till att vädersäkra den och stänga av den när den inte används. Här är några delar vi erbjuder som du kan behöva när du bygger generatorkretsen:

• 2.1mm Barrel Jack till terminal eller denna 2.1mm Barrel Jack Adapter - Brödbräda kompatibel
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Lödfritt brödbräda
• 65 x 22 gauge blandade tröjor
• DFRobot -motståndssats
• SparkFun kondensatorsats
• 12VDC 3A Väggadapter Strömförsörjning

Så här ska generatorkretsen se ut på en brödbräda (tredje bilden)

Steg 2: Resultat

Som visas i oscilloskopets nedanstående skärmdump av generatorkretsens utgång (tagen med Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels Tablet Oscilloscope) kan vi se en (grov) kvadratvåg med en frekvens på 36,41 kHz och en amplitud på 11,8 V (med en 12 V strömadapter). Frekvensen kan varieras något genom att justera R4 -potentiometern.

En lödlös brödbräda är sällan en långsiktig lösning och används bäst för att skapa en snabb prototyp. Därför, efter att ha bekräftat att generatorkretsen fungerar som den ska, generera en fyrkantvåg med ett frekvensområde 33,5 KHz och 40 KHz (variabel genom R4-potten), har vi designat ett kretskort (24 mm x 34 mm) endast med PTH (genompläterat hål)) komponenter för att göra det till en fin liten fyrkantvågsgeneratorkort. Eftersom genomgående hålskomponenter användes för prototyper med en brödbräda, kunde kretskortet också använda genomgående hålskomponenter (istället för ytmontering) och möjliggör enkel lödning för hand. Placeringen av komponenterna är inte exakt, och du kan troligen hitta utrymme för förbättringar. Vi har gjort Eagle- och Gerber -filer tillgängliga för nedladdning så att du kan skapa din egen PCB. Filer finns i avsnittet "Filer" i slutet av denna artikel. Här är några tips när du utformar ditt eget kort: Ha fatkontakten och skruvterminalen på samma sida av brädet Placera komponenterna relativt nära varandra och minimera spår/längder Har monteringshålen en standarddiameter och placeras i en lätt att reproducera rektangel.

Steg 3: Kabelinstallation

Så hur installerar man tråden? Istället för att begrava den är det enklast att helt enkelt använda pinnar för att hålla den på plats. Du är fri att använda vad du vill för att hålla tråden på plats, men plast fungerar bäst. Ett paket med 50 pinnar som används för robotgräsklippare tenderar att vara billigt. När du lägger tråden, se till att båda ändarna möts på samma plats för att ansluta till generatorkortet via skruvterminalen.

Steg 4: Väderbeständighet

Eftersom systemet troligen kommer att lämnas utanför för att användas utomhus. Perimeterkabeln behöver en väderbeständig beläggning och själva generatorkretsen är inrymd i ett vattentätt hölje. Du kan använda denna coola kapsling för att skydda generatorn från regn. Alla trådar är inte skapade lika. Om du planerar att lämna ut tråden, var noga med att investera i rätt tråd, till exempel kommer denna Robomow 300 'Perimeter Wire Shielding som inte är UV / vattenresistent att försämras snabbt med tiden och bli spröd.

Steg 5: Sensor

Teori

Nu när vi har byggt generatorkretsen och ser till att den fungerar som den tänkt sig, är det dags att börja tänka på hur man upptäcker signalen som går genom tråden. För detta inbjuder vi dig att läsa om LC Circuit, även kallad Tank Circuit eller Tuned Circuit. En LC -krets är en elektrisk krets baserad på en induktor/spole (L) och en kondensator (C) parallellt ansluten. Denna krets används i filter, tuners och frekvensblandare. Följaktligen används den ofta i trådlösa sändningar för både sändning och mottagning. Vi kommer inte att gå in på de teoretiska detaljerna om LC -kretsar, men det viktigaste att tänka på för att förstå sensorkretsen som används i den här artikeln skulle vara formeln för att beräkna resonansfrekvensen för en LC -krets, som går ut som:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Där L är spolens induktansvärde i H (Henry) och C är kondensatorns kapacitansvärde i F (Farads). För att sensorn ska kunna upptäcka 34kHz-40Khz-signalen som går in i tråden bör tankkretsen vi använde ha resonansfrekvensen inom detta område. Vi valde L = 1mH och C = 22nF för att erhålla en resonansfrekvens på 33 932Hz beräknad med formeln (2). Amplituden för signalen som detekteras av vår tankkrets kommer att vara relativt liten (högst 80mV när vi testade vår sensorkrets) när induktorn är cirka 10 cm från tråden, därför behöver den en viss förstärkning. För att göra det har vi använt den populära LM324 Op-Amp-förstärkaren för att förstärka signalen med en förstärkning på 100 i en icke-inverterande konfiguration 2-stegs förstärkning för att se till att få en fin läsbar analog signal på ett större avstånd än 10 cm i sensorns utgång. Denna artikel ger användbar information om Op-Amps i allmänhet. Du kan också titta på LM324: s datablad. Här är en typisk kretsschema för en LM324-förstärkare: Op-Amp i icke-inverterande konfiguration (fjärde bilden)

Med hjälp av ekvationen för en icke-inverterande förstärkningskonfiguration, Av = 1+R2/R1. Att ställa in R1 till 10KOhms och R2 till 1MOhms ger en förstärkning på 100, vilket ligger inom önskad specifikation. För att roboten ska kunna detektera omkretstråden i olika riktningar är det mer lämpligt att ha mer än en sensor installerad på den. Ju fler sensorer på roboten, desto bättre kommer den att upptäcka begränsningskabeln. För denna handledning, och eftersom LM324 är en quad-op-förstärkare (det betyder att ett LM324-chip har 4 separata förstärkare), kommer vi att använda två detekteringssensorer på kortet. Detta innebär att man använder två LC -kretsar och var och en kommer att ha två förstärkningssteg. Därför behövs bara ett LM324 -chip.

Steg 6: Schematisk och prototyper

Som vi diskuterade ovan är schemat för sensorkortet ganska rakt fram. Den består av 2 LC -kretsar, ett LM324 -chip och ett par 10KOhms- och 1MOhms -motstånd för att ställa in förstärkarnas förstärkning.

Här är en lista över komponenter som du kan använda:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm motstånd
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm motstånd
• C1, C2: 22nF kondensatorer
• IC: LM324N förstärkare
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3-stifts M / M-huvuden
• Induktorer 1, 2: 1mH*

* 1mH induktorer med en strömstyrka på 420mA och en Q -faktor på 40 252kHz bör fungera bra. Vi har lagt till skruvterminaler som induktorledningar till schemat för att induktorerna (med ledningar lödda på trådar) ska placeras på lämpliga platser på roboten. Sedan kommer ledningarna (av induktorerna) att anslutas till skruvplintarna. Out1 och Out2 -stiften kan anslutas direkt till en mikrokontrollers analoga ingångsstiften. Till exempel kan du använda en Arduino UNO Board eller, bättre, en BotBoarduino Controller för en bekvämare anslutning eftersom den har analoga stift utbrutna i en rad med 3 stift (Signal, VCC, GND) och den är också Arduino kompatibel. LM324 -chipet kommer att drivas genom mikrokontrollerns 5V, därför kommer den analoga signalen (detekterad våg) från sensorkortet att variera mellan 0V och 5V beroende på avståndet mellan induktorn och omkretsledningen. Ju närmare induktorn är till omkretsledningen, desto högre blir amplituden för sensorkretsens utgångsvåg. Så här ska sensorkretsen se ut på en brödbräda.

Steg 7: Resultat

Som vi kan se i oscilloskopets skärmdumpar nedan förstärks den detekterade vågen vid LC -kretsens utgång och mättas vid 5V när induktorn är 15 cm till omkretsledningen.

Samma som vi gjorde med generatorkretsen, vi har designat en snygg kompakt kretskort med genomgående hålskomponenter för sensorkortet med två tankkretsar, en förstärkare och 2 analoga utgångar. Filer finns i avsnittet "Filer" i slutet av denna artikel.

Steg 8: Arduino -kod

Arduino -koden som du kan använda för din omkretstrådgenerator och sensorn är mycket enkel. Eftersom sensorkortets utsignal är två analoga signaler som varierar från 0V till 5V (en för varje sensor/induktor), kan AnalogRead Arduino -exemplet användas. Anslut bara de två utgångsstiften på sensorkortet till två analoga ingångsstiften och läs rätt stift genom att modifiera Arduino AnalogRead Exempel. Med Arduino seriell bildskärm bör du se ett RAW -värde för den analoga stiftet du använder varierar från 0 till 1024 när du närmar dig induktorn till omkretsledningen.

Koden läser spänningen på analogPin och visar den.

int analogPin = A3; // potentiometertorkare (mittplint) ansluten till analog stift 3 // utsida leder till jord och +5V

int val = 0; // variabel för att lagra värdet läst

void setup () {

Serial.begin (9600); // installationsserie

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // läs inmatningsnålen Serial.println (val); // felsökningsvärde