წვრილმანი პერიმეტრის მავთულის გენერატორი და სენსორი: 8 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:17

მავთულის მართვის ტექნოლოგია ფართოდ გამოიყენება ინდუსტრიაში, განსაკუთრებით საწყობებში, სადაც დამუშავება ავტომატიზირებულია. რობოტები მიჰყვებიან მიწაში ჩაფლულ მავთულის მარყუჟს. შედარებით დაბალი ინტენსივობისა და სიხშირის ალტერნატიული დენი 5Kz და 40KHz შორის მიედინება ამ მავთულში. რობოტი აღჭურვილია ინდუქციური სენსორებით, როგორც წესი, დაფუძნებულია სატანკო წრეზე (რეზონანსული სიხშირით ტოლი ან ახლოს წარმოქმნილი ტალღის სიხშირესთან), რომელიც ზომავს ელექტრომაგნიტური ველის ინტენსივობას მიწასთან ახლოს. დამუშავების ჯაჭვი (გაძლიერება, ფილტრები, შედარება) შესაძლებელს ხდის რობოტის პოზიციის დადგენას მავთულის შიგნით. ამ დღეებში, პერიმეტრი/სასაზღვრო მავთული ასევე გამოიყენება "უხილავი ღობეების" შესაქმნელად, შინაური ცხოველების ეზოებში შესანახად, ხოლო რობოტი გაზონის სათიბი ზონებში. LEGO ასევე იყენებს იმავე პრინციპს მანქანების გასავლელად გზების გასწვრივ, ვიზიტორების მიერ რაიმე ხაზის დანახვის გარეშე.

ეს გაკვეთილი განმარტავს მარტივად და ინტუიციურად, რათა დაგეხმაროთ გაიგოთ თეორია, დიზაინი და განხორციელება, რათა შექმნათ საკუთარი გენერატორი და სენსორი პერიმეტრის მავთულისთვის. ფაილები (სქემები, არწივის ფაილები, გერბერები, 3D ფაილები და არდუინოს საცდელი კოდი) ასევე ხელმისაწვდომია ჩამოსატვირთად. ამ გზით, თქვენ შეგიძლიათ დაამატოთ მავთულის პერიმეტრის გამოვლენის ფუნქცია თქვენს საყვარელ რობოტს და შეინახოთ იგი მოქმედ "ზონაში".

ნაბიჯი 1: გენერატორი

თეორია

პერიმეტრის მავთულის გენერატორის წრე ემყარება ცნობილ NE555 ტაიმერს. NE555 ან უფრო ხშირად 555 არის ინტეგრირებული წრე, რომელიც გამოიყენება ტაიმერის ან მულტივიბრატორის რეჟიმში. ეს კომპონენტი დღესაც გამოიყენება მისი მარტივად გამოყენების, დაბალი ღირებულებისა და სტაბილურობის გამო. წელიწადში ერთი მილიარდი ერთეული იწარმოება. ჩვენი გენერატორისთვის ჩვენ გამოვიყენებთ NE555 Astable კონფიგურაციაში. სტაბილური კონფიგურაცია საშუალებას გაძლევთ გამოიყენოთ NE555 როგორც ოსცილატორი. ორი რეზისტორი და კონდენსატორი შესაძლებელს ხდის შეცვალოს რხევის სიხშირე, ასევე მოვალეობის ციკლი. კომპონენტების განლაგება მოცემულია ქვემოთ მოცემულ სქემატურ სქემაში. NE555 წარმოქმნის (უხეშ) კვადრატულ ტალღას, რომელსაც შეუძლია გაიაროს პერიმეტრის მავთულის სიგრძე. ტაიმერის NE555 მონაცემთა ცხრილის მითითებით, არის ნიმუშის სქემა, ასევე ოპერაციის თეორია (8.3.2 A- სტაბილური ოპერაცია). Texas Instruments არ არის NE555 IC– ების ერთადერთი მწარმოებელი, ასე რომ, თუ თქვენ აირჩევთ სხვა ჩიპს, აუცილებლად შეამოწმეთ მისი სახელმძღვანელო. ჩვენ გთავაზობთ ამ ლამაზ 555 ქრონომეტრის შედუღების კომპლექტს, რომელიც მოგცემთ შესაძლებლობას 555 ქრონომეტრის ყველა შიდა კომპონენტი შეაერთოთ ხვრელ პაკეტში, რაც საშუალებას მოგცემთ გაეცნოთ ამ წრის მუშაობას დეტალურად.

სქემატური და პროტოტიპური

NE555 სახელმძღვანელოში მოცემული სქემა (8.3.2 A- სტაბილური ოპერაციის განყოფილება) საკმაოდ სრულყოფილია. რამდენიმე დამატებითი კომპონენტი დაემატა და განიხილება ქვემოთ. (პირველი სურათი)

გამომავალი კვადრატული ტალღის სიხშირის გამოსათვლელი ფორმულა არის

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

წარმოქმნილი კვადრატული ტალღის სიხშირის დიაპაზონი იქნება 32Khz და 44KHz, რაც არის კონკრეტული სიხშირე, რომელიც არ უნდა ერეოდეს სხვა ახლო მოწყობილობებში. ამისათვის ჩვენ ავირჩიეთ Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms პოტენციომეტრი და C = 1.2nF. პოტენომეტრი გვეხმარება შევცვალოთ კვადრატული ტალღის გამომავალი სიხშირე, რათა შეესაბამებოდეს LC სატანკო მიკროსქემის რეზონანსულ სიხშირეს, რომელიც შემდგომში იქნება განხილული. გამომავალი სიხშირის თეორიული ყველაზე დაბალი და უმაღლესი მნიშვნელობა იქნება შემდეგი ფორმულის მიხედვით (1): ყველაზე დაბალი სიხშირის მნიშვნელობა: fL = 1.44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) ≈32 698 ჰც

უმაღლესი სიხშირის მნიშვნელობა: fH = 1.44 / ((3.3+2*(12+0))*1.2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

მას შემდეგ, რაც 4.7KOhms პოტენომეტრი ვერასდროს მიაღწევს 0 ან 4.7 -ს, გამომავალი სიხშირის დიაპაზონი მერყეობს დაახლოებით 33.5Khz– დან 39Khz– მდე. აქ მოცემულია გენერატორის მიკროსქემის სრული სქემა. (მეორე სურათი)

როგორც სქემატურ რეჟიმში ხედავთ, რამდენიმე დამატებითი კომპონენტი დაემატა და ქვემოთ იქნება განხილული. აქ არის სრული BOM:

• R1: 3.3 Kohms
• R2: 12 Kohms
• R3 (მიმდინარე შემზღუდველი რეზისტორი): 47 Ohms (უნდა იყოს საკმაოდ დიდი იმისათვის, რომ სითბო 2W სიმძლავრით იყოს საკმარისი)
• R4: 4.7 KOhm პოტენციმეტრი
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF ასევე შეასრულებს საქმეს)
• C5: 1uF
• J1: 2.5 მმ ცენტრალური დადებითი ლულის კონექტორი (5-15V DC)
• J2: ხრახნიანი ტერმინალი (ორი პოზიცია)
• IC1: NE555 ზუსტი ტაიმერი

სქემას დამატებული დამატებითი ნაწილები მოიცავს ლულის ჯეკს (J1) კედლის ადაპტერთან (12V) ადვილად შესაერთებლად და ხრახნიან ტერმინალს (12) პერიმეტრის მავთულთან მოხერხებულად დასაკავშირებლად. პერიმეტრის მავთული: გაითვალისწინეთ, რომ რაც უფრო გრძელია პერიმეტრის მავთული, მით უფრო მცირდება სიგნალი. ჩვენ შევამოწმეთ კონფიგურაცია დაახლოებით 100 '22 ლიანდაგიანი მრავალსართულიანი მავთულით (მიწაში იყო ჩაფლული განსხვავებით დაკრძალვისგან). ელექტრომომარაგება: 12V კედლის ადაპტერი წარმოუდგენლად გავრცელებულია და 500mA- ზე ზემოთ არსებული ნებისმიერი რეიტინგი კარგად უნდა მუშაობდეს. თქვენ ასევე შეგიძლიათ აირჩიოთ 12V ტყვიის მჟავა ან 11.1V LiPo, რომ შეინახოთ იგი კორპუსში, მაგრამ დარწმუნდით, რომ ის იცავს ამინდს და გამორთავს, როდესაც არ გამოიყენება. აქ ჩვენ გთავაზობთ რამდენიმე ნაწილს, რომელიც შეიძლება დაგჭირდეთ გენერატორის მიკროსქემის აგებისას:

• 2.1 მმ ლულის ჯეკი ტერმინალამდე ან ეს 2.1 მმ ლულის ჯეკის ადაპტერი - თავსებადია პურის დაფაზე
• 400 Tie Point Interlocking გამჭვირვალე Solderless Breadboard
• 65 x 22 Gauge ასორტიმენტი Jumper მავთულები
• DFRobot რეზისტენტული ნაკრები
• SparkFun კონდენსატორის ნაკრები
• 12VDC 3A კედლის ადაპტერი კვების წყარო

აი, როგორი უნდა იყოს გენერატორის წრე პურის დაფაზე (მესამე სურათი)

ნაბიჯი 2: შედეგები

როგორც ქვემოთ ნაჩვენებია გენერატორის მიკროსქემის გამომავალი ოსცილოსკოპის ეკრანის ანაბეჭდი (გადაღებულია Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 არხის ტაბლეტის ოსცილოსკოპით), ჩვენ შეგვიძლია დავინახოთ (უხეში) კვადრატული ტალღა 36,41 კჰც სიხშირით და ამპლიტუდით 11.8V (12V დენის ადაპტერის გამოყენებით). სიხშირე შეიძლება ოდნავ შეიცვალოს R4 პოტენომეტრის რეგულირებით.

Solderless breadboard იშვიათად არის გრძელვადიანი გადაწყვეტა და საუკეთესოდ გამოიყენება სწრაფი პროტოტიპის შესაქმნელად. ამრიგად, მას შემდეგ რაც დადასტურდა, რომ გენერატორის წრე მუშაობს ისე, როგორც უნდა წარმოქმნას კვადრატული ტალღა სიხშირის დიაპაზონი 33.5Khz და 40KHz (ცვლადი R4 ქოთანში), ჩვენ შევქმენით PCB (24 მმ x34 მმ) მხოლოდ PTH– ით (დაფარული ხვრელი)) კომპონენტები, რათა გახადოს ლამაზი პატარა კვადრატული ტალღის გენერატორის დაფა. ვინაიდან ხვრელიანი კომპონენტები გამოიყენებოდა პურის დაფის პროტოტიპირებისთვის, PCB- ს ასევე შეეძლო გამოეყენებინა ხვრელიანი კომპონენტები (ზედაპირზე დამონტაჟების ნაცვლად) და ხელით ადვილად შედუღების საშუალებას იძლევა. კომპონენტების განთავსება არ არის ზუსტი და თქვენ ალბათ იპოვით გაუმჯობესების ადგილს. ჩვენ არწივისა და გერბერის ფაილები ჩამოსატვირთად გვაქვს ხელმისაწვდომი, ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ შექმნათ თქვენი საკუთარი PCB. ფაილების ნახვა შეგიძლიათ ამ სტატიის ბოლოს "ფაილების" განყოფილებაში. აქ არის რამოდენიმე რჩევა საკუთარი დაფის დიზაინის შექმნისას: გქონდეთ ლულის კონექტორი და ხრახნიანი ტერმინალი დაფის იმავე მხარეს მოათავსეთ კომპონენტები ერთმანეთთან შედარებით ახლოს და შეამცირეთ კვალი/სიგრძეები სამონტაჟო ხვრელები იყოს სტანდარტული დიამეტრით და ადვილად განლაგებული მართკუთხედის რეპროდუცირება.

ნაბიჯი 3: მავთულის დაყენება

ასე რომ, როგორ დააყენოთ მავთული? ვიდრე დამარხავთ, ყველაზე ადვილია უბრალოდ გამოიყენოთ სამაგრები მის შესანარჩუნებლად. თქვენ თავისუფლად შეგიძლიათ გამოიყენოთ ის, რაც გსურთ, რომ შეინარჩუნოთ მავთული ადგილზე, მაგრამ პლასტიკური საუკეთესოდ მუშაობს. რობოტის სათიბებისთვის გამოყენებული 50 კეფის პაკეტი იაფია. მავთულის გაყვანისას, დარწმუნდით, რომ ორივე ბოლო ერთსა და იმავე ადგილას უნდა იყოს დაკავშირებული გენერატორის დაფაზე ხრახნიანი ტერმინალის მეშვეობით.

ნაბიჯი 4: ამინდის წინააღმდეგობა

ვინაიდან სისტემა დიდი ალბათობით დარჩება გარეთ, რომ გამოიყენოს გარეთ. პერიმეტრის მავთულს სჭირდება ამინდისადმი მდგრადი საფარი, ხოლო თავად გენერატორის სქემა მოთავსებულია წყალგაუმტარ კორპუსში. თქვენ შეგიძლიათ გამოიყენოთ ეს მაგარი დანართი გენერატორის წვიმისგან დასაცავად. ყველა მავთული არ არის შექმნილი თანაბრად. თუ თქვენ აპირებთ მავთულის დატოვებას, დარწმუნდით, რომ ჩადეთ ინვესტიცია სწორ მავთულში, მაგალითად, ეს Robomow 300 'პერიმეტრის მავთულის დამცავი, რომელიც არ არის ულტრაიისფერი / წყლის მდგრადი, დროთა განმავლობაში სწრაფად დეგრადირდება და გახდება მყიფე.

ნაბიჯი 5: სენსორი

თეორია

ახლა, როდესაც ჩვენ შევქმენით გენერატორის წრე და დავრწმუნდით, რომ ის მუშაობს ისე, როგორც ვარაუდობდა, დროა დავიწყოთ ფიქრი იმაზე, თუ როგორ ამოვიცნოთ სიგნალი მავთულის გავლით. ამისათვის ჩვენ გეპატიჟებით წაიკითხოთ LC მიკროსქემის შესახებ, რომელსაც ასევე უწოდებენ სატანკო მიკროსქემს ან მორგებულ წრეს. LC წრე არის ელექტრული წრე, რომელიც დაფუძნებულია ინდუქტორზე/კოჭაზე (L) და კონდენსატორზე (C) პარალელურად. ეს წრე გამოიყენება ფილტრებში, ტიუნერებში და სიხშირის მიქსერებში. შესაბამისად, ის ჩვეულებრივ გამოიყენება უკაბელო მაუწყებლობის გადაცემებში როგორც მაუწყებლობისთვის, ასევე მიღებისთვის. ჩვენ არ შევალთ თეორიულ დეტალებში LC სქემებთან დაკავშირებით, მაგრამ ყველაზე მნიშვნელოვანი, რაც უნდა გავითვალისწინოთ ამ სტატიაში გამოყენებული სენსორული სქემის გასაგებად, იქნება LC წრედის რეზონანსული სიხშირის გამოთვლის ფორმულა, რომელიც ასე გამოიყურება:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

სადაც L არის კოჭის ინდუქციურობის მნიშვნელობა H- ში (ჰენრი) და C არის კონდენსატორის ტევადობის მნიშვნელობა F- ში (ფარადები). სენსორმა რომ დაადგინოს 34kHz-40Khz სიგნალი, რომელიც გადადის მავთულხლართზე, ჩვენს მიერ გამოსაყენებელ სატანკო წრეს უნდა ჰქონდეს რეზონანსული სიხშირე ამ დიაპაზონში. ჩვენ ავირჩიეთ L = 1mH და C = 22nF, რათა მივიღოთ რეზონანსული სიხშირე 33 932Hz, გამოთვლილი ფორმულის გამოყენებით (2). ჩვენი სატანკო მიკროსქემის მიერ გამოვლენილი სიგნალის ამპლიტუდა იქნება შედარებით მცირე (მაქსიმუმ 80 მვ, როდესაც ჩვენ შევამოწმეთ ჩვენი სენსორული წრე), როდესაც ინდუქტორი მავთულიდან 10 სმ -ზეა დაშორებული, ამიტომ მას გარკვეული გაძლიერება დასჭირდება. ამისათვის ჩვენ გამოვიყენეთ პოპულარული LM324 Op-Amp გამაძლიერებელი, რომ გავაძლიეროთ სიგნალი 100-ით არაინვერსიულ კონფიგურაციაში 2 სტადიის გამაძლიერებლად, რათა დავრწმუნდეთ, რომ ვიღებთ სასიამოვნო წაკითხულ ანალოგურ სიგნალს 10 სმ-ზე მეტ მანძილზე. სენსორის გამომავალი. ეს სტატია გთავაზობთ სასარგებლო ინფორმაციას ზოგადად Op-Amps– ის შესახებ. ასევე, შეგიძლიათ გადახედოთ LM324– ის მონაცემთა ცხრილს. აქ არის LM324 გამაძლიერებლის ტიპიური სქემატური სქემა: Op-Amp არაინვერსიული კონფიგურაციით (მეოთხე სურათი)

განტოლების გამოყენება არაინვერსიული მოგების კონფიგურაციისთვის, Av = 1+R2/R1. R1– დან 10KOhms– მდე და R2– დან 1MOhms– მდე მიიღებთ მოგებას 100 – ით, რაც სასურველი სპეციფიკაციის ფარგლებშია. იმისათვის, რომ რობოტმა შეძლოს პერიმეტრის მავთულის ამოცნობა სხვადასხვა ორიენტაციაში, უფრო მიზანშეწონილია მასზე ერთზე მეტი სენსორის დაყენება. რაც უფრო მეტი სენსორია რობოტზე, მით უკეთესად აღმოაჩენს სასაზღვრო მავთულს. ამ სახელმძღვანელოსთვის და რადგან LM324 არის quad-op გამაძლიერებელი (ეს იმას ნიშნავს, რომ ერთ LM324 ჩიპს აქვს 4 ცალკეული გამაძლიერებელი), ჩვენ გამოვიყენებთ დაფის ორ გამოვლენის სენსორს. ეს ნიშნავს ორი LC სქემის გამოყენებას და თითოეულს ექნება გაძლიერების 2 ეტაპი. აქედან გამომდინარე, საჭიროა მხოლოდ ერთი LM324 ჩიპი.

ნაბიჯი 6: სქემატური და პროტოტიპირება

როგორც ზემოთ განვიხილეთ, სენსორული დაფის სქემა საკმაოდ სწორია. იგი შედგება 2 LC სქემისგან, ერთი LM324 ჩიპისა და რამოდენიმე 10KOhms და 1MOhms რეზისტენტებისაგან გამაძლიერებლების სარგებლის დასადგენად.

აქ მოცემულია კომპონენტების სია, რომელთა გამოყენება შეგიძლიათ:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm რეზისტორები
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm რეზისტორები
• C1, C2: 22nF კონდენსატორები
• IC: LM324N გამაძლიერებელი
• JP3 / JP4: 2.54 მმ 3 პინიანი M / M სათაურები
• ინდუქტორები 1, 2: 1mH*

* 1mH ინდუქტორები, რომელთა ამჟამინდელი შეფასებაა 420mA და Q ფაქტორი 40 252kHz უნდა მუშაობდეს კარგად. ჩვენ დავამატეთ ხრახნიანი ტერმინალები, როგორც ინდუქტორი მივყავართ სქემატურს, რათა ინდუქტორები (მავთულხლართებზე მიმაგრებული) განთავსდეს რობოტის მოსახერხებელ ადგილას. შემდეგ, მავთულები (ინდუქტორების) შეუერთდება ხრახნიან ტერმინალებს. Out1 და Out2 ქინძისთავები შეიძლება პირდაპირ იყოს დაკავშირებული მიკროკონტროლის ანალოგიურ შესასვლელთან. მაგალითად, თქვენ შეგიძლიათ გამოიყენოთ Arduino UNO Board ან, უკეთესი, BotBoarduino Controller უფრო მოსახერხებელი კავშირისთვის, რადგან მას აქვს ანალოგური ქინძისთავები 3 ქინძისთავის რიგში (სიგნალი, VCC, GND) და ასევე Arduino თავსებადია. LM324 ჩიპი იკვებება მიკროკონტროლერის 5V– ით, შესაბამისად, სენსორული დაფის ანალოგური სიგნალი (გამოვლენილი ტალღა) იცვლება 0V– დან 5V– მდე, ეს დამოკიდებულია ინდუქტორსა და პერიმეტრის მავთულს შორის მანძილზე. რაც უფრო ახლოს არის ინდუქტორი პერიმეტრის მავთულთან, მით უფრო მაღალია სენსორის წრედის ამპლიტუდა გამომავალი ტალღა. აი, როგორი უნდა იყოს სენსორული წრე პურის დაფაზე.

ნაბიჯი 7: შედეგები

როგორც ვხედავთ ქვემოთ ოსცილოსკოპის ეკრანის სურათებში, LC მიკროსქემის გამოსასვლელში გამოვლენილი ტალღა გაძლიერებულია და იკვებება 5 ვ -ზე, როდესაც ინდუქტორი პერიმეტრის მავთულამდე 15 სმ -ია.

ისევე როგორც გენერატორის წრეზე, ჩვენ შევქმენით ლამაზი კომპაქტური PCB სენსორული დაფისთვის გამავალი კომპონენტებით, ორი სატანკო სქემით, გამაძლიერებელით და 2 ანალოგური ამონაწერით. ფაილების ნახვა შეგიძლიათ ამ სტატიის ბოლოს "ფაილების" განყოფილებაში.

ნაბიჯი 8: Arduino კოდი

Arduino კოდი, რომელიც შეგიძლიათ გამოიყენოთ თქვენი პერიმეტრის მავთულის გენერატორისთვის და სენსორისთვის, ძალიან მარტივია. ვინაიდან სენსორული დაფის გამომავალი არის ორი ანალოგური სიგნალი, რომელიც განსხვავდება 0V– დან 5V– მდე (თითო თითოეული სენსორის/ინდუქტორისთვის), ანალოგური წაკითხვის Arduino მაგალითის გამოყენება შესაძლებელია. უბრალოდ დააკავშირეთ სენსორული დაფის ორი გამომავალი პინი ორ ანალოგიურ შესასვლელ ქინძისთავთან და წაიკითხეთ შესაბამისი პინი Arduino AnalogRead მაგალითის შეცვლით. Arduino– ს სერიული მონიტორის გამოყენებით, თქვენ უნდა ნახოთ ანალოგური პინის RAW მნიშვნელობა, რომელსაც თქვენ იყენებთ, იცვლება 0 – დან 1024 – მდე, როდესაც ინდუქტორს უახლოვდებით პერიმეტრის მავთულს.

კოდი კითხულობს ძაბვას analogPin– ზე და აჩვენებს მას.

int analogPin = A3; // პოტენომეტრის საწმენდი (შუა ტერმინალი), რომელიც დაკავშირებულია ანალოგიურ პინ 3 -თან // გარედან მიწასთან და +5 ვ

int val = 0; // ცვლადი წაკითხული მნიშვნელობის შესანახად

void setup () {

სერიული.დაწყება (9600); // დაყენების სერია

}

ბათილი მარყუჟი () {

val = analogRead (analogPin); // წაიკითხეთ შეყვანის pin Serial.println (val); // გამართვის მნიშვნელობა