Penjana dan Sensor Kawat Perimeter DIY: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Teknologi panduan wayar digunakan secara meluas dalam industri, terutama di gudang di mana pengendaliannya automatik. Robot mengikuti gelung wayar yang terkubur di dalam tanah. Arus bergantian dengan intensiti dan frekuensi yang rendah antara 5Kz dan 40KHz mengalir dalam wayar ini. Robot ini dilengkapi dengan sensor induktif, biasanya berdasarkan litar tangki (dengan frekuensi resonans sama atau hampir dengan frekuensi gelombang yang dihasilkan) yang mengukur intensiti medan elektromagnetik yang dekat dengan tanah. Rantai pemprosesan (penguatan, penapis, perbandingan) memungkinkan untuk menentukan kedudukan robot di dalam wayar. Hari-hari ini, wayar perimeter / batas juga digunakan untuk membuat "pagar yang tidak terlihat" untuk menjaga hewan peliharaan di dalam halaman, dan mesin pemotong rumput robot di dalam zon. LEGO juga menggunakan prinsip yang sama untuk memandu kenderaan di sepanjang jalan tanpa pengunjung melihat garis.

Tutorial ini menerangkan dengan cara yang mudah dan intuitif untuk membantu anda memahami teori, reka bentuk, dan pelaksanaan untuk membuat penjana dan sensor anda sendiri untuk wayar perimeter. Fail (Skema, Fail Eagle, Gerbers, Fail 3D dan Arduino Sample Code) juga boleh dimuat turun. Dengan cara ini, anda boleh menambahkan ciri pengesanan perimeter wayar ke robot kegemaran anda dan menyimpannya dalam "zon" operasi.

Langkah 1: GENERATOR

Teori

Litar penjana wayar perimeter akan berdasarkan pada pemasa NE555 yang terkenal. NE555 atau lebih biasa disebut 555 adalah litar bersepadu yang digunakan untuk mod pemasa atau multivibrator. Komponen ini masih digunakan hari ini kerana kemudahan penggunaan, kos rendah, dan kestabilan. Satu bilion unit dihasilkan setiap tahun. Untuk penjana kami, kami akan menggunakan NE555 dalam konfigurasi Astable. Konfigurasi stabil membolehkan menggunakan NE555 sebagai pengayun. Dua perintang dan kapasitor memungkinkan untuk mengubah frekuensi ayunan serta kitaran tugas. Susunan komponen adalah seperti yang ditunjukkan dalam skema di bawah ini. NE555 Menghasilkan gelombang persegi (kasar) yang dapat menjalankan panjang wayar perimeter. Merujuk pada lembar data NE555 untuk pemasa, terdapat litar sampel, serta teori operasi (operasi 8.3.2 A-stable). Texas Instruments bukan satu-satunya pengeluar NE555 IC, jadi sekiranya anda memilih cip lain, pastikan untuk memeriksa manualnya. Kami menawarkan Kit Pematerian Pemasa 555 yang bagus ini yang akan memberi anda peluang untuk menyolder semua komponen dalaman pemasa 555 dalam pakej lubang melalui untuk membolehkan anda memahami operasi litar ini secara terperinci.

Skematik dan Prototaip

Skema yang disediakan dalam manual NE555 (bahagian operasi A.3 stabil A) cukup lengkap. Beberapa komponen tambahan ditambahkan dan dibincangkan di bawah. (gambar pertama)

Rumus yang digunakan untuk mengira frekuensi gelombang kuasa dua keluaran adalah

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

Julat frekuensi gelombang persegi yang dihasilkan adalah antara 32Khz dan 44KHz yang merupakan frekuensi tertentu yang tidak boleh mengganggu peranti lain yang dekat. Untuk ini, kami telah memilih Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potentiometer dan C = 1.2nF. Potensiometer akan membantu kita mengubah frekuensi output gelombang persegi agar sesuai dengan frekuensi resonans litar TC Tank yang akan dibincangkan di kemudian hari. Nilai teoritis terendah dan tertinggi dari frekuensi output adalah seperti berikut yang dikira oleh formula (1): Nilai frekuensi terendah: fL = 1.44 / ((3.3 + 2 * (12 + 4.7)) * 1.2 * 10 ^ (- 9) ≈32 698Hz

Nilai frekuensi tertinggi: fH = 1.44 / ((3.3 + 2 * (12 + 0)) * 1.2 * 10 ^ (- 9)) ≈ 43 956Hz

Oleh kerana potensiometer 4.7KOhms tidak pernah mencapai 0 atau 4.7, julat frekuensi output akan berbeza dari sekitar 33.5Khz hingga 39Khz. Berikut adalah skema lengkap litar penjana. (gambar kedua)

Seperti yang anda lihat dalam skema, beberapa komponen tambahan ditambahkan dan akan dibincangkan di bawah. Inilah BOM yang lengkap:

• R1: 3.3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (Perintang penghad semasa): 47 Ohm (perlu cukup besar untuk menghilangkan haba dengan penarafan kuasa 2W semestinya cukup)
• R4: Potensiometer 4.7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF juga akan melakukan tugas)
• C5: 1uF
• J1: Penyambung tong positif pusat 2.5mm (5-15V DC)
• J2: Terminal skru (dua kedudukan)
• IC1: Pemasa Ketepatan NE555

Bahagian tambahan yang ditambahkan ke skema merangkumi jack laras A (J1) untuk penyambungan mudah ke penyesuai dinding (12V) dan terminal skru (12) untuk disambungkan ke wayar perimeter dengan mudah. Perimeter Wire: Perhatikan bahawa semakin lama wayar perimeter, semakin banyak sinyal menurun. Kami menguji penyediaannya dengan kira-kira 100 '22 wayar multi-helai (dipasang ke dalam tanah berbanding dengan yang terkubur). Bekalan Kuasa: Penyesuai dinding 12V sangat biasa, dan mana-mana penilaian semasa melebihi 500mA harus berfungsi dengan baik. Anda juga boleh memilih asid plumbum 12V atau 11.1V LiPo untuk menyimpannya di dalam casing, tetapi pastikan kalis cuaca dan mematikannya apabila tidak digunakan. Berikut adalah beberapa bahagian yang kami tawarkan yang mungkin anda perlukan semasa membina litar penjana:

• Jack Barrel 2.1mm ke terminal atau Adapter Jack Barrel 2.1mm ini - Breadboard Sesuai
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Solderless Breadboard
• Wayar Pelompat Berbagai Macam Tolok 65 x 22
• Kit Perintang DFRobot
• Kit Kapasitor SparkFun
• Bekalan Kuasa 12VDC 3A Wall Adapter

Inilah rupa litar penjana di papan roti (gambar ketiga)

Langkah 2: Hasil

Seperti yang ditunjukkan dalam tangkapan skrin osiloskop output litar penjana (diambil dengan Micig 200 MHz 1 GS / s 4 Saluran Tablet Osiloskop), kita dapat melihat gelombang persegi (kasar) dengan frekuensi 36.41KHz dan amplitud 11.8V (menggunakan penyesuai kuasa 12V). Frekuensi dapat sedikit berubah dengan menyesuaikan potensiometer R4.

Papan roti tanpa solder jarang menjadi penyelesaian jangka panjang dan paling baik digunakan untuk membuat prototaip cepat. Oleh itu, setelah mengesahkan bahawa litar penjana berfungsi sebagaimana mestinya, menghasilkan gelombang persegi dengan julat frekuensi 33.5Khz dan 40KHz (berubah-ubah melalui periuk R4), kami telah merancang PCB (24mmx34mm) hanya dengan PTH (Lubang Plated-through) komponen untuk menjadikannya papan penjana gelombang persegi kecil yang bagus. Oleh kerana komponen lubang melalui digunakan untuk membuat prototaip dengan papan roti, PCB juga dapat menggunakan komponen lubang melalui (bukan pelekap permukaan), dan memungkinkan pematerian dengan mudah. Penempatan komponen tidak tepat, dan anda mungkin dapat mencari ruang untuk diperbaiki. Kami telah menyediakan fail Eagle dan Gerber untuk dimuat turun sehingga anda dapat membuat PCB anda sendiri. Fail boleh didapati di bahagian "Fail" di akhir artikel ini. Berikut adalah beberapa petua semasa merancang papan anda sendiri: Mempunyai penyambung tong dan terminal skru di sisi papan yang sama Letakkan komponen yang relatif berdekatan antara satu sama lain dan kurangkan jejak / panjang. Pastikan lubang pelekap menjadi diameter standard, dan terletak di tempat yang mudah menghasilkan semula segi empat tepat.

Langkah 3: Pemasangan Kawat

Jadi bagaimana memasang wayar? Daripada menguburkannya, paling mudah hanya menggunakan pasak untuk menyimpannya di tempat. Anda bebas menggunakan apa sahaja yang anda mahu untuk menyimpan wayar di tempatnya, tetapi plastik berfungsi dengan baik. Sebungkus 50 pasak yang digunakan untuk mesin pemotong rumput robot cenderung murah. Semasa meletakkan wayar, pastikan kedua ujungnya bertemu di lokasi yang sama untuk menyambung ke papan penjana melalui terminal skru.

Langkah 4: Ketahanan Cuaca

Oleh kerana sistem ini kemungkinan besar akan ditinggalkan di luar untuk digunakan di luar rumah. Kawat perimeter memerlukan lapisan tahan cuaca, dan litar penjana itu sendiri diletakkan di dalam bekas kalis air. Anda boleh menggunakan Enclosure sejuk ini untuk melindungi generator dari hujan. Tidak semua wayar dibuat sama. Sekiranya anda merancang untuk meninggalkan wayar, pastikan untuk melabur dalam wayar yang betul, misalnya, Perisai Kawat Perimeter 300 Robomow ini yang tidak tahan UV / air akan merosot dengan cepat dari masa ke masa dan menjadi rapuh.

Langkah 5: Sensor

Teori

Sekarang kita telah membina litar generator dan memastikan bahawa ia beroperasi sebagaimana mestinya, inilah masanya untuk mula memikirkan bagaimana untuk mengesan isyarat yang melalui wayar. Untuk ini, kami menjemput anda untuk membaca mengenai LC Circuit, juga disebut Tank Circuit atau Tuned Circuit. Litar LC adalah litar elektrik berdasarkan Induktor / Gegelung (L) dan kapasitor (C) yang disambungkan secara selari. Litar ini digunakan dalam penapis, penala, dan pengadun frekuensi. Oleh itu, ia biasanya digunakan dalam penghantaran siaran tanpa wayar untuk siaran dan penerimaan. Kami tidak akan membahas perincian teoritis mengenai litar LC, tetapi yang paling penting untuk diingat untuk memahami litar sensor yang digunakan dalam artikel ini, adalah formula untuk mengira frekuensi resonans litar LC, seperti:

f0 = 1 / (2 * π * √ (L * C))

Di mana L adalah nilai induktansi gegelung di H (Henry) dan C adalah nilai kapasitansi kapasitor di F (Farads). Agar sensor dapat mengesan isyarat 34kHz-40Khz yang masuk ke wayar, litar tangki yang kami gunakan harus mempunyai frekuensi resonans dalam julat ini. Kami memilih L = 1mH dan C = 22nF untuk mendapatkan frekuensi resonans 33 932Hz yang dikira menggunakan formula (2). Amplitud isyarat yang dikesan oleh litar tangki kami akan relatif kecil (maksimum 80mV ketika kami menguji litar sensor kami) apabila induktor berada pada jarak sekitar 10cm dari wayar, oleh itu, ia memerlukan sedikit penguatan. Untuk melakukannya, kami telah menggunakan penguat Op-Amp LM324 yang popular untuk menguatkan isyarat dengan keuntungan 100 dalam penguatan 2 peringkat konfigurasi yang tidak terbalik untuk memastikan memperoleh isyarat analog yang dapat dibaca pada jarak yang lebih besar daripada 10cm di output sensor. Artikel ini memberikan maklumat berguna mengenai Op-Amps secara umum. Anda juga boleh melihat lembaran data LM324. Berikut adalah skema litar khas penguat LM324: Op-Amp dalam konfigurasi bukan pembalik (gambar ke depan)

Dengan menggunakan persamaan untuk konfigurasi keuntungan bukan pembalik, Av = 1 + R2 / R1. Menetapkan R1 hingga 10KOhms dan R2 hingga 1MOhms akan memberikan keuntungan 100, yang berada dalam spesifikasi yang diinginkan. Agar robot dapat mengesan wayar perimeter dalam orientasi yang berbeza, lebih tepat memasang lebih dari satu sensor di atasnya. Semakin banyak sensor pada robot, semakin baik ia dapat mengesan wayar sempadan. Untuk tutorial ini, dan kerana LM324 adalah penguat quad-op (ini bermaksud bahawa satu cip LM324 mempunyai 4 penguat yang berasingan), kami akan menggunakan dua sensor pengesan di papan. Ini bermaksud menggunakan dua litar LC dan masing-masing akan mempunyai 2 tahap penguatan. Oleh itu, hanya satu cip LM324 diperlukan.

Langkah 6: Skematik dan Prototaip

Seperti yang telah kita bincangkan di atas, skema untuk papan sensor cukup lurus ke hadapan. Ia terdiri daripada 2 litar LC, satu cip LM324 dan beberapa perintang 10KOhms dan 1MOhms untuk mengatur keuntungan penguat.

Berikut adalah senarai komponen yang boleh anda gunakan:

• Perintang R1, R3, R5, R7: 10KOhm
• R2, R4, R6, R8: Perintang 1MOhm
• Kapasitor C1, C2: 22nF
• Penguat IC: LM324N
• JP3 / JP4: Header M / M 3-pin 2.54mm
• Induktor 1, 2: 1mH *

* Induktor 1mH dengan penilaian semasa 420mA dan faktor Q 40 252kHz harus berfungsi dengan baik. Kami telah menambah terminal skru kerana induktor mengarah ke skema agar induktor (dengan plumbum disolder ke wayar) diletakkan di lokasi yang mudah di robot. Kemudian, wayar (dari induktor) akan disambungkan ke terminal skru. Pin Out1 dan Out2 dapat dihubungkan secara langsung ke pin input analog mikrokontroler. Sebagai contoh, anda boleh menggunakan Arduino UNO Board atau, lebih baik, BotBoarduino Controller untuk sambungan yang lebih mudah kerana ia mempunyai pin analog yang dipecah menjadi 3 pin (Signal, VCC, GND) dan juga sesuai dengan Arduino. Cip LM324 akan digerakkan melalui mikrokontroler 5V, oleh itu, isyarat analog (gelombang yang dikesan) dari papan sensor akan berbeza antara 0V dan 5V bergantung pada jarak antara induktor dan wayar perimeter. Semakin dekat induktor dengan wayar perimeter, semakin tinggi amplitud gelombang output litar sensor. Inilah rupa litar sensor di papan roti.

Langkah 7: Hasil

Seperti yang dapat kita lihat dalam tangkapan skrin osiloskop di bawah, gelombang yang dikesan pada output litar LC diperkuat dan tepu pada 5V ketika induktor berada pada 15cm ke wayar perimeter.

Sama seperti yang kami lakukan dengan rangkaian penjana, kami telah merancang PCB kompak yang bagus dengan komponen lubang melalui untuk panel sensor dengan dua litar tangki, penguat, dan 2 output analog. Fail boleh didapati di bahagian "Fail" di akhir artikel ini.

Langkah 8: Kod Arduino

Kod Arduino yang boleh anda gunakan untuk penjana wayar perimeter dan sensornya sangat mudah. Oleh kerana output papan sensor adalah dua isyarat analog yang bervariasi dari 0V hingga 5V (satu untuk setiap sensor / induktor), contoh AnalogRead Arduino dapat digunakan. Cukup sambungkan dua pin output dari papan sensor ke dua pin input analog dan baca pin yang sesuai dengan mengubah Contoh Arduino AnalogRead. Dengan menggunakan monitor bersiri Arduino, anda akan melihat nilai RAW dari pin analog yang anda gunakan berbeza dari 0 hingga 1024 semasa anda mendekati induktor ke wayar perimeter.

Kod membaca voltan pada analogPin dan memaparkannya.

int analogPin = A3; // pengelap potensiometer (terminal tengah) yang disambungkan ke pin analog 3 // bahagian luar menuju ke tanah dan + 5V

int val = 0; // pemboleh ubah untuk menyimpan nilai yang dibaca

batal persediaan () {

Serial.begin (9600); // siri persediaan

}

gelung kosong () {

val = analogRead (analogPin); // baca pin input Serial.println (val); // nilai debug