מחולל וחיישן DIY היקפי: 8 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:14

טכנולוגיית הנחיית חוטים נמצאת בשימוש נרחב בתעשייה, במיוחד במחסנים בהם הטיפול הוא אוטומטי. הרובוטים עוקבים אחר לולאת תיל הקבורה באדמה. זרם חילופין בעוצמה ותדירות נמוכה יחסית בין 5Kz ל- 40KHz זורם בחוט זה. הרובוט מצויד בחיישנים אינדוקטיביים, המבוססים בדרך כלל על מעגל טנקים (עם תדר תהודה שווה או קרוב לתדירות הגל שנוצר) המודד את עוצמת השדה האלקטרומגנטי קרוב לאדמה. שרשרת עיבוד (הגברה, מסננים, השוואה) מאפשרת לקבוע את מיקומו של הרובוט בתוך החוט. בימים אלה, חוט היקפי/גבול משמש גם ליצירת "גדרות בלתי נראות" לשמירה על חיות מחמד בתוך חצרות, ומכסחות דשא רובוטיות בתוך אזורים. לגו משתמשת באותו עיקרון גם כדי להנחות רכבים לאורך כבישים מבלי שמבקרים יראו קווים.

הדרכה זו מסבירה בצורה קלה ואינטואיטיבית כדי לעזור לך להבין את התיאוריה, העיצוב והיישום להכנת גנרטור וחיישן משלך לחוט היקפי. הקבצים (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files ו- Arduino Sample Code) זמינים גם להורדה. בדרך זו, תוכל להוסיף את תכונת זיהוי היקף החוט לרובוט המועדף עליך ולשמור אותה בתוך "אזור" הפעלה.

שלב 1: מחולל

תֵאוֹרִיָה

מעגל מחולל החוט ההיקפי יתבסס על הטיימר המפורסם NE555. NE555 או יותר מכונה 555 הוא מעגל משולב המשמש למצב טיימר או מצב רב -רטט. רכיב זה עדיין בשימוש כיום בשל קלות השימוש שלו, העלות הנמוכה והיציבות שלו. מיליארד יחידות מיוצרות בשנה. עבור הגנרטור שלנו, נשתמש ב- NE555 בתצורת Astable. התצורה היציבה מאפשרת להשתמש ב- NE555 כמתנד. שני נגדים וקבל מאפשרים לשנות את תדר התנודה וכן את מחזור העבודה. סידור הרכיבים הוא כפי שמוצג בסכימה להלן. ה- NE555 יוצר גל מרובע (מחוספס) שיכול להריץ את אורך החוט ההיקפי. בהתייחס לגליון הנתונים של NE555 עבור הטיימר, קיים מעגל מדגם, כמו גם תורת הפעולה (8.3.2 פעולה יציבה A). טקסס אינסטרומנטס היא לא היצרנית היחידה של מחשבי IC NE555, אז אם תבחר שבב אחר, הקפד לבדוק את המדריך שלו. אנו מציעים ערכת הלחמה טיימר נחמדה 555 שתעניק לך את ההזדמנות להלחם את כל הרכיבים הפנימיים של טיימר 555 בחבילת חור דרך כדי לאפשר לך להבין את פעולתו של מעגל זה בפירוט.

סכמטי ואב טיפוס

הסכימה המופיעה במדריך NE555 ידני (8.3.2 סעיף פעולה יציב A) מלאה למדי. נוספו כמה רכיבים נוספים ונדונו להלן. (תמונה ראשונה)

הנוסחה המשמשת לחישוב תדירות הגל המרובע הפלט היא

f = 1.44 / ((Ra+2*Rb)*C)

טווח התדרים של הגל המרובע שנוצר יהיה בין 32Khz ל- 44KHz שהוא תדר ספציפי שלא אמור להפריע למכשירים קרובים אחרים. לשם כך בחרנו Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms פוטנציומטר ו- C = 1.2nF. הפוטנציומטר יעזור לנו לשנות את תדירות פלט הגל המרובע כך שיתאים לתדר התהודה של מעגל טנק LC אשר יידון בהמשך. הערך הנמוך והגבוה ביותר התיאורטי של תדר הפלט יהיה כדלקמן המחושב לפי הנוסחה (1): ערך התדר הנמוך ביותר: fL = 1.44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) ≈32 698Hz

ערך התדר הגבוה ביותר: fH = 1.44 / ((3.3+2*(12+0))*1.2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

מכיוון שפוטנציומטר 4.7KOhms אף פעם לא מגיע ל 0 או 4.7, טווח תדרי הפלט ישתנה בין 33.5Khz ל 39Khz. להלן התרשים המלא של מעגל הגנרטור. (תמונה שנייה)

כפי שאתה יכול לראות בסכימה, נוספו כמה רכיבים נוספים ונדון בהם בהמשך. להלן קובץ ה- BOM המלא:

• R1: 3.3 קאוהם
• R2: 12 קאוהם
• R3 (נגד הגבלת זרם): 47 אוהם (צריך להיות מספיק גדול כדי לפזר חום עם דירוג הספק של 2W אמור להספיק)
• R4: פוטנציומטר 4.7 קאוהם
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF גם יעשה את העבודה)
• C5: 1uF
• J1: מחבר חבית חיובי במרכז 2.5 מ"מ (5-15V DC)
• J2: מסוף בורג (שתי עמדות)
• טיימר IC1: טיימר דיוק NE555

חלקים נוספים שנוספו לסכימה כוללים שקע חבית (J1) לחיבור קל למתאם קיר (12V) ולמסוף בורג (12) לחיבור נוח לחוט ההיקפי. חוט היקפי: שים לב שככל שחוט ההיקף ארוך יותר כך האות מתדרדר. בדקנו את ההתקנה עם בערך 100 'של חוט רב גדילי בגודל 22 מד (הדבק באדמה בניגוד לקבור). ספק כוח: מתאם קיר 12V נפוץ להפליא, וכל דירוג נוכחי מעל 500mA אמור לעבוד היטב. אתה יכול גם לבחור חומצת עופרת 12V או LiPo 11.1V בכדי לשמור אותה בתוך המארז, אך הקפד לאבטח אותה ולכבות אותה כאשר היא אינה בשימוש. להלן כמה חלקים שאנו מציעים שתצטרך בעת בניית מעגל הגנרטור:

• 2.1 מ"מ חבית לחבית למסוף או מתאם זה של 2.1 מ"מ חבית - תואם לוח
• קרש קרשים משולב 400 נקודת קשירה
• 65 x 22 מד חוטי מגשר מגוונים
• ערכת התנגדות DFRobot
• ערכת קבלים SparkFun
• ספק כוח מתח מתאם 12VDC 3A

כך צריך להיראות מעגל הגנרטור על קרש לחם (תמונה שלישית)

שלב 2: תוצאות

כפי שמוצג בצילום המסך של האוסילוסקופ להלן של הפלט של מעגל הגנרטור (שצולם בעזרת אוסצילוסקופ טאבלט Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels Tablet), אנו יכולים לראות גל מרובע (מחוספס) בתדר של 36.41KHz ומשרעת של 11.8V (באמצעות מתאם מתח 12V). ניתן לשנות מעט את התדירות על ידי התאמת פוטנציומטר R4.

קרש לחם ללא הלחמה הוא לעתים רחוקות פתרון לטווח ארוך והוא משמש בצורה הטובה ביותר ליצירת אב טיפוס מהיר. לכן, לאחר שאישרנו כי מעגל הגנרטור פועל כפי שהוא אמור, ויצר גל מרובע עם טווח תדרים 33.5Khz ו 40KHz (משתנה דרך סיר R4), עיצבנו PCB (24mmx34mm) רק עם PTH (חור מצופה דרך) רכיבים כדי להפוך אותו ללוח מחולל גלי קטן מרובע נחמד. מכיוון ששימשו רכיבים דרך חור לאב-טיפוס עם קרש לחם, PCB יכול להשתמש גם ברכיבים דרך חור (במקום הר השטח), ומאפשר הלחמה קלה ביד. מיקום הרכיבים אינו מדויק, וסביר שתמצא מקום לשיפור. הפכנו את קבצי הנשר וגרבר לזמינים להורדה, כך שתוכל ליצור PCB משלך. ניתן למצוא קבצים בסעיף "קבצים" בסוף מאמר זה. להלן מספר עצות בעת עיצוב לוח משלך: החזק את מחבר החבית ומסוף הבורג באותו צד של הלוח הנח את הרכיבים קרוב זה לזה יחסית וצמצם עקבות/אורכים האם חורי ההרכבה יהיו בקוטר סטנדרטי וממוקמים בקלות לשחזר מלבן.

שלב 3: התקנת חוט

אז איך להתקין את החוט? במקום לקבור אותו, הכי קל פשוט להשתמש ביתדות כדי לשמור אותו במקום. אתה חופשי להשתמש בכל מה שאתה רוצה כדי לשמור על החוט במקום, אבל הפלסטיק עובד הכי טוב. חבילה של 50 יתדות המשמשות לכסחות דשא רובוטיות נוטות להיות לא יקרות. בעת הנחת החוט, ודא כי שני הקצוות נפגשים באותו מקום כדי להתחבר ללוח הגנרטור דרך מסוף הבורג.

שלב 4: התנגדות מזג האוויר

מכיוון שסביר להניח שהמערכת תישאר בחוץ לשימוש בחוץ. חוט ההיקף זקוק לציפוי עמיד בפני מזג אוויר, ומעגל הגנרטור עצמו שוכן בתוך מארז עמיד למים. אתה יכול להשתמש במארז המגניב הזה כדי להגן על הגנרטור מפני גשם. לא כל חוט נוצר שווה. אם בכוונתך להשאיר את החוט בחוץ, הקפד להשקיע בחוט הנכון, לדוגמה, מיגון חוט היקפי מסוג Robomow 300 'שאינו עמיד בפני UV / מים יתדרדר במהירות עם הזמן ויהפוך שביר.

שלב 5: חיישן

תֵאוֹרִיָה

כעת, לאחר שבנינו את מעגל הגנרטור וודא שהוא פועל כפי שהוא אמור, הגיע הזמן להתחיל לחשוב כיצד לזהות את האות העובר בחוט. לשם כך, אנו מזמינים אתכם לקרוא על מעגל LC, הנקרא גם מעגל טנק או מעגל מכוון. מעגל LC הוא מעגל חשמלי המבוסס על משרן/סליל (L) וקבל (C) המחובר במקביל. מעגל זה משמש במסננים, מקלטים ומערבבי תדרים. כתוצאה מכך, הוא נפוץ בשידורי שידור אלחוטי הן לשידור והן לקליטה. לא ניכנס לפרטים התיאורטיים בנוגע למעגלי LC, אך הדבר החשוב ביותר שיש לזכור כדי להבין את מעגל החיישנים המשמש במאמר זה, יהיה הנוסחה לחישוב תדר התהודה של מעגל LC, שהולך כך:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

כאשר L הוא ערך ההשראות של הסליל ב- H (הנרי) ו- C הוא ערך הקיבול של הקבל ב- F (פאראדס). כדי שהחיישן יזהה את האות של 34kHz-40Khz שנכנס לתוך החוט, מעגל הטנק בו השתמשנו צריך להיות בעל תדר התהודה בטווח זה. בחרנו L = 1mH ו- C = 22nF כדי לקבל תדר תהודה של 33 932Hz המחושב באמצעות הנוסחה (2). משרעת האות המזוהה על ידי מעגל הטנקים שלנו תהיה קטנה יחסית (מקסימום של 80mV כאשר בדקנו את מעגל החיישנים שלנו) כאשר המשרן נמצא במרחק של כ -10 ס"מ מהחוט, ולכן הוא יזדקק להגברה כלשהי. לשם כך, השתמשנו במגבר ה- LM324 אופ-אמפר הפופולרי כדי להעצים את האות עם רווח של 100 בהגברה בתצורת 2 שלבים שאינה הפוכה כדי לוודא קבלת אות אנלוגי קריא במרחק גדול מ -10 ס"מ בתוך פלט החיישן. מאמר זה מספק מידע שימושי על אופ-אמפר באופן כללי. כמו כן, תוכל לעיין בגיליון הנתונים של LM324. להלן סכמטי מעגל אופייניים של מגבר LM324: אופ-אמפר בתצורה לא הפוכה (תמונה נוספת)

שימוש במשוואה לתצורת רווח שאינו הפוך, Av = 1+R2/R1. הגדרת R1 ל- 10KOhms ו- R2 ל- 1MOhms תספק רווח של 100, שהוא בתוך המפרט הרצוי. על מנת שהרובוט יוכל לזהות את חוט ההיקף באוריינטציות שונות, יותר נכון להתקין עליו יותר מחיישן אחד. ככל שיותר חיישנים על הרובוט כך הוא יזהה את חוט הגבול טוב יותר. עבור הדרכה זו, ומאחר וה- LM324 הוא מגבר מרובע (זה אומר ששבב LM324 אחד כולל 4 מגברים נפרדים), נשתמש בשני חיישני גילוי בלוח. המשמעות היא שימוש בשני מעגלי LC ולכל אחד יהיו 2 שלבי הגברה. לכן, יש צורך בשבב אחד בלבד של LM324.

שלב 6: עיצוב סכמטי ואב -טיפוס

כפי שדנו לעיל, הסכימה של לוח החיישנים היא די פשוטה. הוא מורכב משני מעגלי LC, שבב LM324 אחד וכמה נגדים של 10KOhms ו- 1MOhms כדי להגדיר את הרווחים של המגברים.

להלן רשימת הרכיבים בהם תוכל להשתמש:

• R1, R3, R5, R7: נגדי 10KOhm
• R2, R4, R6, R8: נגדים של 1MOhm
• C1, C2: קבלים 22nF
• IC: מגבר LM324N
• JP3 / JP4: כותרות M / M עם 3 פינים 3 פינים
• משרנים 1, 2: 1mH*

* משרני 1mH עם דירוג הנוכחי של 420mA וגורם Q של 40 252kHz אמורים לפעול היטב. הוספנו מסופי בורג כמוביל משרן לסכימה על מנת שהמשרנים (עם מוליכים מולחמים לחוטים) יוצבו במיקומים נוחים ברובוט. לאחר מכן, החוטים (של המשרנים) יחוברו למסופי הבורג. ניתן לחבר את סיכות Out1 ו- Out2 ישירות לסיכות הכניסה האנלוגיות של מיקרו -בקר. לדוגמה, תוכל להשתמש בלוח UNO של Arduino או, טוב יותר, בבקר BotBoarduino לחיבור נוח יותר מכיוון שיש לו סיכות אנלוגיות שנפרצו לשורה של 3 סיכות (אות, VCC, GND) וזה גם תואם Arduino. שבב LM324 יופעל באמצעות 5V של הבקר של המיקרו, ולכן האות האנלוגי (גל זוהה) מלוח החיישנים ישתנה בין 0V ל -5V בהתאם למרחק בין המשרן לחוט ההיקפי. ככל שהמשרן קרוב יותר לחוט ההיקפי, משרעת גל המוצא של מעגל החיישן גבוהה יותר. כך צריך להיראות מעגל החיישנים על לוח לחם.

שלב 7: תוצאות

כפי שאנו יכולים לראות בצילומי המסך של האוסילוסקופ למטה, הגל המזוהה ביציאת מעגל ה- LC מועצם ורווי ב 5V כאשר המשרן נמצא במרחק של 15 ס מ לחוט ההיקפי.

אותו דבר כפי שעשינו עם מעגל הגנרטור, עיצבנו לוח PCB קומפקטי נחמד עם רכיבים חורים ללוח החיישנים עם שני מעגלי טנקים, מגבר ו -2 יציאות אנלוגיות. ניתן למצוא קבצים בסעיף "קבצים" בסוף מאמר זה.

שלב 8: קוד ארדואינו

קוד ה- Arduino שתוכל להשתמש בו עבור מחולל החוט ההיקפי שלך והחיישן הוא פשוט מאוד. מכיוון שפלט לוח החיישנים הוא שני אותות אנלוגיים הנעים בין 0V ל -5V (אחד לכל חיישן/משרן), ניתן להשתמש בדוגמה של AnalogRead Arduino. פשוט חבר את שני סיכות הפלט של לוח החיישנים לשני סיכות כניסה אנלוגיות וקרא את הסיכה המתאימה על ידי שינוי דוגמת Arduino AnalogRead. באמצעות הצג הטורי של Arduino, אתה אמור לראות ערך RAW של הסיכה האנלוגית שבה אתה משתמש משתנה בין 0 ל -1024 כאשר אתה מתקרב למשרן לחוט ההיקפי.

הקוד קורא את המתח ב- analogPin ומציג אותו.

int analogPin = A3; // מגב פוטנציומטר (מסוף אמצעי) המחובר לפין האנלוגי 3 // חיצוני מוביל לקרקע +5V

int val = 0; // משתנה לאחסון הערך הנקרא

הגדרת בטל () {

Serial.begin (9600); // סידורי ההתקנה

}

לולאת חלל () {

val = analogRead (analogPin); // קרא את סיכת הקלט Serial.println (val); // ערך באגים