ژنراتور و سنسور سیم محیط DIY: 8 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:54

فناوری هدایت سیم به طور گسترده ای در صنعت استفاده می شود ، به ویژه در انبارهایی که جابجایی به صورت خودکار انجام می شود. روبات ها یک حلقه سیمی را که در زمین دفن شده دنبال می کنند. یک جریان متناوب با شدت و فرکانس نسبتاً کم بین 5Kz و 40KHz در این سیم جریان دارد. این ربات مجهز به سنسورهای القایی است که معمولاً بر اساس مدار مخزن (با فرکانس رزونانس برابر یا نزدیک به فرکانس موج ایجاد شده) است که شدت میدان الکترومغناطیسی نزدیک به زمین را اندازه گیری می کند. یک زنجیره پردازش (تقویت ، فیلترها ، مقایسه) امکان تعیین موقعیت روبات را در داخل سیم فراهم می کند. این روزها ، سیم محیط/مرز برای ایجاد "حصار نامرئی" برای نگهداری حیوانات خانگی در حیاط ، و ماشین چمن زنی روبات در مناطق مختلف استفاده می شود. LEGO همچنین از همین اصل برای هدایت وسایل نقلیه در جاده ها بدون بازدیدکنندگان از خط استفاده می کند.

این آموزش به روشی آسان و بصری توضیح می دهد تا به شما در درک نظریه ، طراحی و پیاده سازی برای ایجاد ژنراتور و سنسور خود برای یک سیم محیطی کمک کند. فایل ها (Schematics ، Eagle Files ، Gerbers ، 3D Files و Arduino Sample Code) نیز برای بارگیری در دسترس هستند. به این ترتیب ، می توانید ویژگی تشخیص محیط سیم را به ربات مورد علاقه خود اضافه کنید و آن را در یک "منطقه" عملیاتی نگه دارید.

مرحله 1: ژنراتور

تئوری

مدار ژنراتور سیم محیط بر اساس تایمر معروف NE555 خواهد بود. NE555 یا بیشتر 555 نامیده می شود یک مدار مجتمع است که برای حالت تایمر یا چند لرزشگیر استفاده می شود. این قطعه به دلیل سهولت استفاده ، هزینه کم و پایداری امروزه هنوز مورد استفاده قرار می گیرد. یک میلیارد دستگاه در سال تولید می شود. برای ژنراتور ما ، از NE555 در پیکربندی Astable استفاده خواهیم کرد. پیکربندی پایدار اجازه می دهد تا از NE555 به عنوان یک نوسان ساز استفاده کنید. دو مقاومت و یک خازن امکان تغییر فرکانس نوسان و همچنین چرخه کار را فراهم می کند. ترتیب اجزاء مطابق شکل زیر نشان داده شده است. NE555 یک موج مربعی (خشن) ایجاد می کند که می تواند طول سیم محیط را اجرا کند. با اشاره به برگه اطلاعات NE555 برای تایمر ، یک مدار نمونه و همچنین نظریه عملکرد (8.3.2 عملکرد پایدار A) وجود دارد. Texas Instruments تنها تولید کننده IC های NE555 نیست ، بنابراین در صورت انتخاب تراشه دیگر ، حتماً دفترچه راهنمای آن را بررسی کنید. ما این کیت لحیم کاری 555 تایمر زیبا را ارائه می دهیم که به شما این امکان را می دهد تا تمام اجزای داخلی تایمر 555 را در یک بسته سوراخ لحیم کنید تا بتوانید عملکرد این مدار را با جزئیات درک کنید.

شماتیک و نمونه سازی

شماتیک ارائه شده در دفترچه راهنمای NE555 (بخش عملکرد 8.3.2 A-stable) نسبتاً کامل است. چند جزء اضافی اضافه شد و در زیر مورد بحث قرار گرفت. (تصویر اول)

فرمول مورد استفاده برای محاسبه فرکانس موج مربع خروجی عبارت است از:

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

محدوده فرکانسی موج مربعی ایجاد شده بین 32 کیلوهرتز و 44 کیلوهرتز خواهد بود که فرکانس خاصی است که نباید با سایر دستگاه های نزدیک تداخل داشته باشد. برای این منظور ، Ra = 3.3KOhms ، Rb = 12KOhms + 4.7KOhms پتانسیومتر و C = 1.2nF را انتخاب کرده ایم. پتانسیومتر به ما کمک می کند تا فرکانس خروجی موج مربعی را برای مطابقت با فرکانس رزونانس مدار LC Tank که بعداً مورد بحث قرار می گیرد ، تغییر دهیم. کمترین و بالاترین مقدار فرکانس خروجی به شرح زیر با فرمول (1) محاسبه می شود: کمترین مقدار فرکانس: fL = 1.44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) 6932 698 هرتز

بالاترین مقدار فرکانس: fH = 1.44 / ((3.3+2*(12+0))*1.2*10^(--9)) ≈ 43 956Hz

از آنجا که پتانسیومتر 4.7 کیلو اهم هرگز به 0 یا 4.7 نمی رسد ، محدوده فرکانس خروجی از حدود 33.5 کیلوهرتز تا 39 کیلوهرتز متغیر خواهد بود. در اینجا شماتیک کامل مدار ژنراتور است. (تصویر دوم)

همانطور که در شماتیک می بینید ، چند جزء اضافی اضافه شد و در زیر مورد بحث قرار می گیرد. در اینجا BOM کامل است:

• R1: 3.3 اهم
• R2: 12 اهم
• R3 (مقاومت محدودکننده فعلی): 47 اهم (برای دفع گرما باید نسبتاً بزرگ باشد و قدرت 2 وات باید کافی باشد)
• R4: پتانسیومتر 4.7 کیلو اهم
• C2 ، C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF نیز کار را انجام می دهد)
• C5: 1uF
• J1: کانکتور لوله مثبت مثبت 2.5 میلیمتری (5-15 ولت DC)
• J2: ترمینال پیچ (دو موقعیت)
• IC1: تایمر دقیق NE555

قطعات اضافی اضافه شده به طرح شامل جک بشکه (J1) برای اتصال آسان به آداپتور دیواری (12V) و ترمینال پیچ (12) برای اتصال راحت به سیم محیط است. سیم محیط: توجه داشته باشید که هرچه سیم محیط بیشتر باشد ، سیگنال بیشتر خراب می شود. ما تنظیمات را با سیم 100 رشته ای 22 رشته ای چند رشته ای انجام دادیم (برخلاف دفن شده به زمین چسبیده است). منبع تغذیه: یک آداپتور دیواری 12 ولت فوق العاده رایج است و هر درجه فعلی بالای 500 میلی آمپر باید به خوبی کار کند. همچنین می توانید یک اسید سرب 12 ولت یا 11.1 ولت LiPo برای نگه داشتن آن در محفظه انتخاب کنید ، اما مطمئن شوید که آن را ضد آب و هوا کرده و در صورت عدم استفاده خاموش کنید. در اینجا برخی از قطعاتی را که برای ساختن مدار ژنراتور به آنها احتیاج دارید ، ارائه می دهیم:

• جک بشکه 2.1 میلی متری به پایانه یا این آداپتور جک بشکه 2.1 میلی متری - سازگار با تخته نان
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Solder Breadboard
• سیم های بلوز 65 22 22 سنج
• کیت مقاومت DFRobot
• کیت خازن SparkFun
• منبع تغذیه آداپتور دیواری 12VDC 3A

در اینجا شکل ژنراتور روی تخته نان باید به نظر برسد (تصویر سوم)

مرحله 2: نتایج

همانطور که در تصویر زیر اسیلوسکوپ از خروجی مدار ژنراتور نشان داده شده است (با اسیلوسکوپ قرص Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels Tablet) ، می توان یک موج مربعی (خشن) با فرکانس 36.41 کیلوهرتز و دامنه 11.8V (با استفاده از آداپتور برق 12V). با تنظیم پتانسیومتر R4 می توان فرکانس را کمی تغییر داد.

تخته نان بدون لحیم به ندرت راه حل طولانی مدت است و بهتر است برای ایجاد یک نمونه اولیه سریع استفاده شود. بنابراین ، پس از تأیید اینکه مدار ژنراتور آنطور که باید کار می کند و یک موج مربعی با محدوده فرکانس 33.5 کیلوهرتز و 40 کیلوهرتز (متغیر از طریق دیگ R4) تولید می کند ، ما یک PCB (24mmx34mm) فقط با PTH (سوراخ ورق شده) طراحی کرده ایم) اجزای آن را به یک تخته ژنراتور موج مربعی کوچک زیبا تبدیل می کند. از آنجا که اجزای حفره ای برای نمونه سازی با یک تخته نان استفاده می شود ، PCB همچنین می تواند از اجزای سوراخ نیز استفاده کند (به جای نصب روی سطح) ، و امکان لحیم کاری آسان با دست را فراهم می کند. قرار دادن اجزاء دقیق نیست و به احتمال زیاد می توانید جایی برای بهبود پیدا کنید. ما فایلهای Eagle و Gerber را برای بارگیری در دسترس قرار داده ایم تا بتوانید PCB خود را بسازید. فایل ها را می توانید در بخش "پرونده ها" در انتهای این مقاله پیدا کنید. در اینجا نکاتی در مورد طراحی برد خود ارائه می شود: اتصال لوله و ترمینال پیچ را در یک طرف برد قرار دهید اجزاء را نسبتاً نزدیک یکدیگر قرار دهید و آثار/طول را به حداقل برسانید آیا سوراخ های نصب قطر استاندارد داشته و به راحتی نصب می شوند مستطیل را تکثیر کنید

مرحله 3: نصب سیم

بنابراین چگونه سیم را نصب کنیم؟ به جای دفن کردن آن ، ساده ترین کار این است که به سادگی از میخ برای ثابت نگه داشتن آن استفاده کنید. شما می توانید از هر چیزی که می خواهید برای نگه داشتن سیم در جای خود استفاده کنید ، اما پلاستیک بهترین کار را می کند. بسته ای از 50 پایه که برای ماشین چمن زنی روبات استفاده می شود ارزان است. هنگام قرار دادن سیم ، مطمئن شوید که هر دو انتها در یک محل قرار دارند تا از طریق ترمینال پیچ به برد ژنراتور متصل شوید.

مرحله 4: مقاومت در برابر آب و هوا

از آنجا که سیستم به احتمال زیاد در خارج از خانه قرار می گیرد تا در خارج از منزل مورد استفاده قرار گیرد. سیم محیط نیاز به یک پوشش مقاوم در برابر آب و هوا دارد و مدار ژنراتور خود در یک قاب ضد آب قرار دارد. می توانید از این محفظه خنک برای محافظت از ژنراتور در برابر باران استفاده کنید. همه سیمها برابر نیستند. اگر قصد دارید سیم را کنار بگذارید ، حتماً روی سیم مناسب سرمایه گذاری کنید ، برای مثال ، این محافظ سیم Robomow 300 'Perimeter Wire Shield که مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش و آب نیست ، به مرور زمان به سرعت تخریب شده و شکننده می شود.

مرحله 5: سنسور

تئوری

اکنون که ما مدار ژنراتور را ایجاد کرده ایم و مطمئن هستیم که آنطور که تصور می شود کار می کند ، وقت آن است که در مورد چگونگی تشخیص سیگنال عبور کننده از سیم فکر کنیم. برای این منظور ، شما را دعوت می کنیم تا در مورد مدار LC ، که به آن Tank Circuit یا Tuned Circuit نیز گفته می شود ، مطالعه کنید. مدار LC یک مدار الکتریکی است که بر اساس یک سلف/سیم پیچ (L) و یک خازن (C) به طور موازی متصل شده است. از این مدار در فیلترها ، تیونرها و میکسرهای فرکانس استفاده می شود. در نتیجه ، معمولاً در انتقال بی سیم برای پخش و دریافت استفاده می شود. ما به جزئیات نظری در مورد مدارهای LC نمی پردازیم ، اما مهمترین نکته ای که باید برای درک مدار سنسور مورد استفاده در این مقاله در نظر داشته باشید ، فرمول محاسبه فرکانس رزونانس یک مدار LC است که به شرح زیر است:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

جایی که L مقدار القایی سیم پیچ در H (هنری) و C مقدار خازن خازن در F (فارادس) است. برای اینکه سنسور سیگنال 34kHz-40Khz را که به سیم وارد می شود تشخیص دهد ، مدار مخزن مورد استفاده ما باید فرکانس رزونانس را در این محدوده داشته باشد. ما L = 1mH و C = 22nF را برای بدست آوردن فرکانس تشدید 33 932Hz با استفاده از فرمول (2) انتخاب کردیم. دامنه سیگنال تشخیص داده شده توسط مدار مخزن ما نسبتاً کوچک خواهد بود (حداکثر 80 میلی ولت در هنگام آزمایش مدار سنسور) هنگامی که سلف در فاصله 10 سانتی متری سیم قرار دارد ، بنابراین ، به مقداری تقویت نیاز دارد. برای انجام این کار ، ما از تقویت کننده محبوب LM324 Op-Amp برای تقویت سیگنال با افزایش 100 در پیکربندی غیر معکوس 2 مرحله ای استفاده کرده ایم تا مطمئن شویم یک سیگنال آنالوگ قابل خواندن در فاصله بیشتر از 10 سانتی متر در خروجی سنسور این مقاله به طور کلی اطلاعات مفیدی در مورد Op-Amps ارائه می دهد. همچنین ، می توانید نگاهی به برگه اطلاعات LM324 بیاندازید. در اینجا یک طرح کلی از یک تقویت کننده LM324 آمده است: Op-Amp در پیکربندی غیر وارونه (تصویر چهارم)

با استفاده از معادله برای پیکربندی افزایش بدون وارونگی ، Av = 1+R2/R1. تنظیم R1 روی 10KOhms و R2 روی 1MOhms باعث افزایش 100 می شود که در مشخصات مورد نظر است. برای اینکه ربات بتواند سیم محیط را در جهت های مختلف تشخیص دهد ، مناسب است که بیش از یک سنسور روی آن نصب شود. هرچه سنسورهای بیشتری بر روی ربات وجود داشته باشد ، سیم مرزی را بهتر تشخیص می دهد. برای این آموزش و از آنجا که LM324 یک تقویت کننده چهارگانه است (این بدان معناست که یک تراشه LM324 دارای 4 تقویت کننده جداگانه است) ، ما از دو سنسور تشخیص روی برد استفاده می کنیم. این بدان معناست که از دو مدار LC استفاده می شود و هر کدام 2 مرحله تقویت خواهند داشت. بنابراین ، فقط یک تراشه LM324 مورد نیاز است.

مرحله 6: شماتیک و نمونه سازی

همانطور که در بالا بحث کردیم ، شماتیک صفحه سنسور بسیار مستقیم است. از 2 مدار LC ، یک تراشه LM324 و چند مقاومت 10KOhms و 1MOhms تشکیل شده است تا میزان تقویت کننده ها را تعیین کند.

در اینجا لیستی از اجزایی است که می توانید استفاده کنید:

• R1 ، R3 ، R5 ، R7: مقاومت 10KOhm
• R2 ، R4 ، R6 ، R8: 1MOhm مقاومت
• C1 ، C2: 22nF خازن ها
• IC: تقویت کننده LM324N
• JP3 / JP4: هدرهای M / M 3 پین 2.54 میلی متری
• سلف 1 ، 2: 1mH*

* سلفهای 1mH با امتیاز فعلی 420mA و ضریب Q 40 252kHz باید به خوبی کار کنند. ما پایانه های پیچ را به عنوان سلف به طرح کلی اضافه کرده ایم تا سلف ها (با سیم های لحیم شده به سیم) در مکان های مناسب روی ربات قرار گیرند. سپس ، سیم ها (سلف ها) به پایانه های پیچ متصل می شوند. پین های Out1 و Out2 را می توان مستقیماً به پین های ورودی آنالوگ میکروکنترلر متصل کرد. به عنوان مثال ، می توانید از Arduino UNO Board یا بهتر است از BotBoarduino Controller برای اتصال راحت تر استفاده کنید زیرا پین های آنالوگ در ردیف 3 پین (Signal، VCC، GND) شکسته شده و همچنین با Arduino سازگار است. تراشه LM324 از طریق ولتاژ 5V میکروکنترلر تغذیه می شود ، بنابراین سیگنال آنالوگ (موج تشخیص داده شده) از برد سنسور بسته به فاصله بین سلف و سیم محیط بین 0 ولت تا 5 ولت متغیر است. هرچه سلف به سیم محیط نزدیکتر باشد ، دامنه موج خروجی مدار سنسور بیشتر است. در اینجا این است که مدار سنسور روی تخته نان باید چگونه باشد.

مرحله 7: نتایج

همانطور که در تصاویر صفحه اسیلوسکوپ مشاهده می کنیم ، موج تشخیص داده شده در خروجی مدار LC تقویت می شود و هنگامی که سلف در فاصله 15 سانتی متری سیم محیط قرار دارد ، در 5 ولت اشباع می شود.

همانطور که در مورد مدار ژنراتور انجام دادیم ، ما یک PCB جمع و جور زیبا با اجزای سوراخ برای صفحه سنسور با دو مدار مخزن ، یک تقویت کننده و 2 خروجی آنالوگ طراحی کرده ایم. فایل ها را می توانید در بخش "پرونده ها" در انتهای این مقاله پیدا کنید.

مرحله 8: کد آردوینو

کد آردوینو که می توانید برای ژنراتور سیم محیط و سنسور خود استفاده کنید بسیار ساده است. از آنجا که خروجی برد سنسور دو سیگنال آنالوگ متغیر از 0 ولت تا 5 ولت است (یکی برای هر سنسور/سلف) ، از مثال AnalogRead Arduino می توان استفاده کرد. کافی است دو پایه خروجی برد سنسور را به دو پایه ورودی آنالوگ متصل کرده و با اصلاح مثال Arduino AnalogRead ، پین مناسب را بخوانید. با استفاده از مانیتور سریال آردوینو ، هنگام نزدیک شدن سلف به سیم محیط ، مقدار RAW پین آنالوگ مورد استفاده شما از 0 تا 1024 متفاوت است.

کد ولتاژ را در analogPin می خواند و آن را نمایش می دهد.

int analogPin = A3؛ // برف پاک کن پتانسیومتر (ترمینال وسط) متصل به پین آنالوگ 3 // در خارج به زمین و +5V منتهی می شود

int val = 0؛ // متغیر برای ذخیره مقدار خوانده شده

void setup () {

Serial.begin (9600)؛ // مجموعه راه اندازی

}

حلقه خالی () {

val = analogRead (analogPin) ؛ // پین ورودی را بخوانید Serial.println (val)؛ // مقدار اشکال زدایی