DIY Çevre Tel Jeneratörü ve Sensörü: 8 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Tel kılavuz teknolojisi, endüstride, özellikle elleçlemenin otomatikleştirildiği depolarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Robotlar, toprağa gömülü bir tel halkayı takip ediyor. Bu kabloda 5Kz ve 40KHz arasında nispeten düşük yoğunlukta ve frekansta bir alternatif akım akar. Robot, genellikle zemine yakın elektromanyetik alanın yoğunluğunu ölçen bir tank devresine (üretilen dalganın frekansına eşit veya yakın bir rezonans frekansına sahip) dayalı endüktif sensörlerle donatılmıştır. Bir işleme zinciri (amplifikasyon, filtreler, karşılaştırma), robotun tel içindeki konumunu belirlemeyi mümkün kılar. Bu günlerde, çevre/sınır teli, evcil hayvanları bahçelerde tutmak için “görünmez çitler” oluşturmak ve robot çim biçme makinelerini bölgeler içinde tutmak için de kullanılıyor. LEGO, ziyaretçilerin herhangi bir çizgi görmeden yollarda araçları yönlendirmek için de aynı prensibi kullanır.

Bu öğretici, bir çevre kablosu için kendi jeneratörünüzü ve sensörünüzü yapmak için teori, tasarım ve uygulamayı anlamanıza yardımcı olacak kolay ve sezgisel bir şekilde açıklanmaktadır. Dosyalar (Şematikler, Eagle Dosyaları, Gerbers, 3D Dosyaları ve Arduino Örnek Kodu) da indirilebilir. Bu şekilde, tel çevre algılama özelliğini favori robotunuza ekleyebilir ve onu çalışan bir "bölge" içinde tutabilirsiniz.

1. Adım: JENERATÖR

teori

Çevre teli üreteci devresi, ünlü NE555 zamanlayıcısını temel alacaktır. NE555 veya daha yaygın olarak 555 olarak adlandırılan, zamanlayıcı veya multivibratör modu için kullanılan entegre bir devredir. Bu bileşen, kullanım kolaylığı, düşük maliyeti ve kararlılığı nedeniyle bugün hala kullanılmaktadır. Yılda bir milyar adet üretiliyor. Jeneratörümüz için NE555'i Kararsız konfigürasyonda kullanacağız. Kararlı konfigürasyon, NE555'in bir osilatör olarak kullanılmasına izin verir. İki direnç ve bir kapasitör, salınım frekansını ve görev döngüsünü değiştirmeyi mümkün kılar. Bileşenlerin düzeni aşağıdaki şemada gösterildiği gibidir. NE555, çevre telinin uzunluğunu çalıştırabilen (kaba) bir kare dalga oluşturur. Zamanlayıcı için NE555 veri sayfasına atıfta bulunulursa, bir örnek devrenin yanı sıra çalışma teorisi (8.3.2 A-kararlı çalışma) vardır. Texas Instruments, NE555 IC'lerin tek üreticisi değildir, bu nedenle başka bir çip seçmeniz gerekiyorsa, kılavuzunu kontrol ettiğinizden emin olun. Bu devrenin çalışmasını ayrıntılı olarak anlamanızı sağlamak için size bir 555 zamanlayıcının tüm dahili bileşenlerini bir açık delik paketinde lehimleme fırsatı verecek bu güzel 555 Zamanlayıcı Lehimleme Kitini sunuyoruz.

Şematik ve Prototipleme

NE555 kılavuzunda (8.3.2 A-kararlı çalışma bölümü) sağlanan şema oldukça eksiksizdir. Birkaç ek bileşen eklendi ve aşağıda tartışıldı. (ilk resim)

Çıkış kare dalgasının frekansını hesaplamak için kullanılan formül

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

Üretilen kare dalganın frekans aralığı, diğer yakın cihazlara müdahale etmemesi gereken belirli bir frekans olan 32Khz ile 44KHz arasında olacaktır. Bunun için Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potansiyometre ve C = 1.2nF seçtik. Potansiyometre, daha sonra tartışılacak olan LC Tank devresinin rezonans frekansına uyması için kare dalga çıkışının frekansını değiştirmemize yardımcı olacaktır. Çıkış frekansının teorik en düşük ve en yüksek değeri aşağıdaki formül (1) ile hesaplanacaktır: En düşük frekans değeri: fL = 1.44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) ≈32 698Hz

En yüksek frekans değeri: fH = 1.44 / ((3.3+2*(12+0))*1.2*10^(-9) ≈ 43 956Hz

4.7KOhms potansiyometre asla 0 veya 4.7'ye ulaşmadığından, çıkış frekansı aralığı yaklaşık 33.5Khz ila 39Khz arasında değişecektir. İşte jeneratör devresinin tam şeması. (ikinci resim)

Şematikte görebileceğiniz gibi, birkaç ek bileşen eklendi ve aşağıda tartışılacaktır. İşte tam BOM:

• R1: 3.3 KOhm
• R2: 12 Kohm
• R3 (Akım sınırlama direnci): 47 Ohm (2W güç derecesi ile ısıyı dağıtmak için oldukça büyük olması gerekir)
• R4: 4.7 KOhm potansiyometre
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF de işi yapacaktır)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm merkez pozitif namlu konektörü (5-15V DC)
• J2: Vidalı terminal (iki konumlu)
• IC1: NE555 Hassas Zamanlayıcı

Şemaya eklenen ek parçalar, bir duvar adaptörüne (12V) kolay bağlantı için bir varil jakı (J1) ve çevre kablosuna uygun şekilde bağlanmak için bir vidalı terminal (12) içerir. Çevre Teli: Çevre teli ne kadar uzun olursa sinyalin o kadar fazla bozulacağını unutmayın. Kurulumu kabaca 100' 22 gauge çok telli kabloyla test ettik (gömülü yerine zemine sabitlendi). Güç Kaynağı: Bir 12V duvar adaptörü inanılmaz derecede yaygındır ve 500mA'nın üzerindeki herhangi bir akım derecesi iyi çalışmalıdır. Kasa içinde tutmak için 12V kurşun asit veya 11,1V LiPo da seçebilirsiniz, ancak hava koşullarına dayanıklı olduğundan ve kullanılmadığı zaman kapattığınızdan emin olun. Jeneratör devresini kurarken ihtiyaç duyabileceğiniz bazı parçaları burada sunuyoruz:

• 2,1 mm Fıçı Jakı terminali veya bu 2,1 mm Fıçı Jakı Adaptörü - Breadboard Uyumlu
• 400 Bağlantı Noktalı Kilitli Şeffaf Lehimsiz Breadboard
• 65 x 22 Gauge Muhtelif Jumper Telleri
• DFRobot Direnç Kiti
• SparkFun Kapasitör Kiti
• 12VDC 3A Duvar Adaptörü Güç Kaynağı

Jeneratör devresi devre tahtasında böyle görünmelidir (üçüncü resim)

2. Adım: Sonuçlar

Jeneratör devresinin çıkışının aşağıdaki osiloskop ekran görüntüsünde gösterildiği gibi (Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Kanallı Tablet Osiloskop ile çekilmiş), 36.41KHz frekanslı ve amplitüdlü (kaba) bir kare dalga görebiliriz. 11.8V (12V güç adaptörü kullanarak). R4 potansiyometresi ayarlanarak frekans biraz değiştirilebilir.

Lehimsiz bir devre tahtası nadiren uzun vadeli bir çözümdür ve en iyi şekilde hızlı bir prototip oluşturmak için kullanılır. Bu nedenle, jeneratör devresinin olması gerektiği gibi çalıştığını onayladıktan sonra, 33.5Khz ve 40KHz (R4 pot üzerinden değişken) frekans aralığında kare dalga üreterek, sadece PTH (Plated-through Hole) ile bir PCB (24mmx34mm) tasarladık.) bileşenleri güzel bir küçük kare dalga üreteci kartı yapmak için. Bir devre tahtası ile prototip oluşturmak için delikten geçen bileşenler kullanıldığından, PCB ayrıca (yüzeye montaj yerine) delikten geçen bileşenleri de kullanabilir ve elle kolay lehimlemeye izin verir. Bileşenlerin yerleşimi kesin değildir ve muhtemelen iyileştirme için yer bulabilirsiniz. Kendi PCB'nizi yapabilmeniz için Eagle ve Gerber dosyalarını indirmeye hazır hale getirdik. Dosyalar, bu makalenin sonundaki "Dosyalar" bölümünde bulunabilir. İşte kendi kartınızı tasarlarken bazı ipuçları: Kovan konektörü ve vidalı terminali kartın aynı tarafında bulundurun Bileşenleri nispeten birbirine yakın yerleştirin ve izleri/uzunlukları en aza indirin Montaj delikleri standart bir çapta olsun ve dikdörtgeni çoğaltın.

Adım 3: Tel Kurulumu

Peki tel nasıl kurulur? Gömmek yerine, yerinde tutmak için mandal kullanmak en kolay yoldur. Kabloyu yerinde tutmak için istediğinizi kullanmakta özgürsünüz, ancak plastik en iyi sonucu verir. Robot çim biçme makineleri için kullanılan 50 mandallık bir paket ucuz olma eğilimindedir. Kabloyu döşerken, vidalı terminal aracılığıyla jeneratör kartına bağlanmak için her iki ucun aynı yerde birleştiğinden emin olun.

Adım 4: Hava Direnci

Çünkü sistem büyük ihtimalle dışarıda kullanılmak üzere dışarıda bırakılacaktır. Çevre telinin hava koşullarına dayanıklı bir kaplamaya ihtiyacı vardır ve jeneratör devresinin kendisi su geçirmez bir kasaya yerleştirilmiştir. Jeneratörü yağmurdan korumak için bu serin Muhafazayı kullanabilirsiniz. Tüm tel eşit yaratılmamıştır. Kabloyu dışarıda bırakmayı planlıyorsanız, doğru kabloya yatırım yaptığınızdan emin olun; örneğin, UV / suya dayanıklı olmayan bu Robomow 300' Çevre Tel Koruyucu zamanla hızla bozulur ve kırılgan hale gelir.

Adım 5: Sensör

teori

Jeneratör devresini kurduğumuza ve varsayıldığı gibi çalıştığından emin olduğumuza göre, kablodan geçen sinyali nasıl algılayacağımızı düşünmeye başlamanın zamanı geldi. Bunun için sizi Tank Devresi veya Ayarlı Devre olarak da adlandırılan LC Devresi hakkında okumaya davet ediyoruz. Bir LC devresi, paralel olarak bağlanmış bir İndüktör/Bobin (L) ve bir kapasitör (C) üzerine kurulu bir elektrik devresidir. Bu devre filtrelerde, tunerlerde ve frekans karıştırıcılarında kullanılır. Sonuç olarak, hem yayın hem de alım için kablosuz yayın iletimlerinde yaygın olarak kullanılır. LC devreleriyle ilgili teorik ayrıntılara girmeyeceğiz, ancak bu makalede kullanılan sensör devresini anlamak için akılda tutulması gereken en önemli şey, bir LC devresinin rezonans frekansını hesaplama formülü olacaktır.

f0 = 1/(2*π*√(L*C))

Burada L, bobinin H'deki (Henry) endüktans değeri ve C, kapasitörün F'deki (Farads) kapasitans değeridir. Sensörün tele gelen 34kHz-40Khz sinyalini algılaması için kullandığımız tank devresinin rezonans frekansının bu aralıkta olması gerekir. Formül (2) kullanılarak hesaplanan 33 932Hz'lik bir rezonans frekansı elde etmek için L = 1mH ve C = 22nF'yi seçtik. Tank devremiz tarafından algılanan sinyalin genliği, indüktör kablodan yaklaşık 10 cm uzaktayken nispeten küçük olacaktır (sensör devremizi test ettiğimizde maksimum 80mV), bu nedenle biraz amplifikasyona ihtiyacı olacaktır. Bunu yapmak için, sinyali ters çevirmeyen bir konfigürasyonda 100'lük bir kazançla yükseltmek için popüler LM324 Op-Amp amplifikatörünü kullandık. sensörün çıkışı. Bu makale, genel olarak Op-Amp'ler hakkında faydalı bilgiler sağlar. Ayrıca, LM324'ün veri sayfasına bir göz atabilirsiniz. İşte bir LM324 amplifikatörünün tipik bir devre şeması: Tersine çevrilmeyen konfigürasyonda Op-Amp (önceki resim)

Ters çevirmeyen kazanç konfigürasyonu için denklemi kullanarak, Av = 1+R2/R1. R1'i 10KOhms'a ve R2'yi 1MOhms'a ayarlamak, istenen spesifikasyon dahilinde olan 100'lük bir kazanç sağlayacaktır. Robotun çevre telini farklı yönlerde algılayabilmesi için üzerine birden fazla sensör takılması daha uygundur. Robotta ne kadar çok sensör varsa, sınır telini o kadar iyi algılar. Bu öğretici için ve LM324 dörtlü bir amplifikatör olduğundan (bu, bir LM324 yongasının 4 ayrı amplifikatöre sahip olduğu anlamına gelir), kartta iki algılama sensörü kullanacağız. Bu, iki LC devresi kullanmak anlamına gelir ve her biri 2 aşamalı amplifikasyona sahip olacaktır. Bu nedenle, yalnızca bir LM324 yongası gereklidir.

Adım 6: Şematik ve Prototipleme

Yukarıda tartıştığımız gibi, sensör kartının şeması oldukça basittir. Amplifikatörlerin kazançlarını ayarlamak için 2 LC devresi, bir LM324 yongası ve bir çift 10KOhms ve 1MOhms direncinden oluşur.

İşte kullanabileceğiniz bileşenlerin bir listesi:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm Dirençler
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm Dirençler
• C1, C2: 22nF Kondansatörler
• IC: LM324N amplifikatör
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3 pimli M/M başlıkları
• İndüktörler 1, 2: 1mH*

* 420mA akım derecesine ve 40 252kHz Q faktörüne sahip 1mH İndüktörler iyi çalışmalıdır. İndüktörlerin (uçları tellere lehimlenmiş) robot üzerinde uygun yerlere yerleştirilmesi için şemaya indüktör uçları olarak vidalı terminaller ekledik. Daha sonra teller (indüktörlerin) vidalı terminallere bağlanacaktır. Out1 ve Out2 pinleri, bir mikrodenetleyicinin analog giriş pinlerine doğrudan bağlanabilir. Örneğin, daha uygun bir bağlantı için bir Arduino UNO Kartı veya daha iyisi bir BotBoarduino Denetleyicisi kullanabilirsiniz, çünkü analog pinleri 3 pinli bir sıraya bölünmüştür (Sinyal, VCC, GND) ve aynı zamanda Arduino uyumludur. LM324 çipi, mikrodenetleyicinin 5V'sinden güç alacaktır, bu nedenle, sensör kartından gelen analog sinyal (tespit edilen dalga), indüktör ve çevre teli arasındaki mesafeye bağlı olarak 0V ile 5V arasında değişecektir. İndüktör çevre kablosuna ne kadar yakınsa, sensör devresi çıkış dalgasının genliği de o kadar yüksek olur. Sensör devresinin bir devre tahtasında nasıl görünmesi gerektiği aşağıda açıklanmıştır.

7. Adım: Sonuçlar

Aşağıdaki osiloskopun ekran görüntülerinde görebileceğimiz gibi, LC devresinin çıkışında algılanan dalga, indüktör çevre teline 15cm olduğunda yükseltilir ve 5V'da doygun hale gelir.

Jeneratör devresinde yaptığımız gibi, iki tank devresi, bir amplifikatör ve 2 analog çıkışlı sensör kartı için delikten geçen bileşenlere sahip güzel bir kompakt PCB tasarladık. Dosyalar, bu makalenin sonundaki "Dosyalar" bölümünde bulunabilir.

Adım 8: Arduino Kodu

Çevre kablo jeneratörünüz ve sensör için kullanabileceğiniz Arduino kodu çok basittir. Sensör kartının çıkışı 0V ile 5V arasında değişen iki analog sinyal olduğundan (her sensör/indüktör için bir tane), AnalogRead Arduino örneği kullanılabilir. Sensör kartının iki çıkış pinini iki analog giriş pinine bağlayın ve Arduino AnalogRead Örneği'ni değiştirerek uygun pini okuyun. Arduino seri monitörünü kullanarak, indüktöre çevre kablosuna yaklaştıkça kullandığınız analog pinin RAW değerinin 0 ile 1024 arasında değiştiğini görmelisiniz.

Kod, analogPin üzerindeki voltajı okur ve görüntüler.

int analogPin = A3; // potansiyometre sileceği (orta terminal) analog pin 3'e bağlı // dış uçlar toprak ve +5V

int değer = 0; // okunan değeri saklayacak değişken

geçersiz kurulum() {

Seri.başla(9600); // seri kurulum

}

boşluk döngüsü () {

val = analogRead(analogPin); // Serial.println(val) giriş pinini oku; // hata ayıklama değeri