Generador i sensor de filferro perimetral de bricolatge: 8 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

La tecnologia de guiatge de cables s’utilitza àmpliament a la indústria, particularment en magatzems on la manipulació està automatitzada. Els robots segueixen un bucle de fil enterrat a terra. Un corrent altern d’intensitat i freqüència relativament baixa entre 5 Kz i 40 KHz flueix en aquest cable. El robot està equipat amb sensors inductius, generalment basats en un circuit de tancs (amb una freqüència de ressonància igual o propera a la freqüència de l’ona generada) que mesura la intensitat del camp electromagnètic proper al terra. Una cadena de processament (amplificació, filtres, comparació) permet determinar la posició del robot dins del fil. Actualment, el filferro perimetral / límit també s’utilitza per crear “tanques invisibles” per mantenir les mascotes dins dels patis i les tallagespes robotitzades dins de les zones. LEGO també utilitza el mateix principi per guiar els vehicles per carreteres sense que els visitants vegin cap línia.

Aquest tutorial explica d'una manera fàcil i intuïtiva per ajudar-vos a entendre la teoria, el disseny i la implementació per crear el vostre propi generador i sensor per a un cable perimetral. També es poden descarregar els fitxers (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files i Arduino Sample Code). D'aquesta manera, podeu afegir la funció de detecció de perímetre de fil al vostre robot favorit i mantenir-la dins d'una "zona" operativa.

Pas 1: GENERADOR

Teoria

El circuit generador de cables perimetrals es basarà en el famós temporitzador NE555. NE555 o més comunament anomenat 555 és un circuit integrat utilitzat per al mode temporitzador o multivibrador. Aquest component encara s’utilitza avui dia per la seva facilitat d’ús, baix cost i estabilitat. Es fabriquen mil milions d’unitats a l’any. Per al nostre generador, utilitzarem el NE555 en configuració Astable. La configuració estable permet utilitzar el NE555 com a oscil·lador. Dues resistències i un condensador permeten modificar la freqüència d'oscil·lació i el cicle de treball. La disposició dels components és la que es mostra a l’esquema següent. El NE555 Genera una ona quadrada (rugosa) que pot recórrer la longitud del cable perimetral. En referència al full de dades NE555 per al temporitzador, hi ha un circuit de mostra, així com la teoria del funcionament (8.3.2 funcionament estable A). Texas Instruments no és l’únic fabricant de circuits integrats NE555, de manera que si trieu un altre xip, no oblideu consultar-ne el manual. Oferim aquest bonic kit de soldadura per temporitzador 555 que us donarà l’oportunitat de soldar tots els components interns d’un temporitzador 555 en un paquet de forats passants per permetre comprendre el funcionament d’aquest circuit amb detall.

Esquema i prototipatge

L’esquema que es proporciona al manual NE555 (secció d’operació estable A 8.3.2) és bastant complet. Es van afegir alguns components addicionals i es van discutir a continuació. (primera imatge)

La fórmula que s’utilitza per calcular la freqüència de l’ona quadrada de sortida és

f = 1,44 / ((Ra + 2 * Rb) * C)

El rang de freqüències de l’ona quadrada generada oscil·larà entre els 32 KHz i els 44 KHz, que és una freqüència específica que no hauria d’interferir amb altres dispositius propers. Per a això, hem triat Ra = 3,3KOhms, Rb = 12KOhms + 4,7KOhms Potenciómetre i C = 1,2nF. El potenciòmetre ens ajudarà a variar la freqüència de la sortida d’ona quadrada perquè coincideixi amb la freqüència de ressonància del circuit de tanc LC que es parlarà més endavant. El valor teòric més baix i màxim de la freqüència de sortida serà el següent calculat per la fórmula (1): Valor de freqüència més baix: fL = 1,44 / ((3,3 + 2 * (12 + 4,7)) * 1,2 * 10 ^ (- 9)) ≈32 698Hz

Valor de freqüència més alta: fH = 1,44 / ((3,3 + 2 * (12 + 0)) * 1,2 * 10 ^ (- 9)) ≈ 43 956Hz

Com que el potenciòmetre de 4,7 Kohms no arriba mai a 0 ni a 4,7, el rang de freqüència de sortida variarà d’uns 33,5 Khz a 39 Khz. Aquí teniu l’esquema complet del circuit del generador. (segona imatge)

Com podeu veure a l’esquema, s’han afegit pocs components addicionals i es parlarà a continuació. Aquí teniu la llista completa:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (resistència de limitació de corrent): 47 ohms (ha de ser prou gran per dissipar la calor amb una potència nominal de 2W hauria de ser suficient)
• R4: potenciòmetre de 4,7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1,2nF (1000pF també farà la feina)
• C5: 1uF
• J1: connector de barril positiu central de 2,5 mm (5-15V CC)
• J2: Terminal de cargol (dues posicions)
• IC1: NE555 Temporitzador de precisió

Les parts addicionals afegides a l’esquema inclouen un jack de canó (J1) per facilitar la connexió a un adaptador de paret (12V) i un terminal de cargol (12) per connectar-lo convenientment al cable perimetral. Cable perimetral: tingueu en compte que com més llarg sigui el cable perimetral, més es degradarà el senyal. Hem provat la configuració amb aproximadament 100 'de filferro multi-caden de calibre 22 (enganxat a terra en lloc de soterrat). Font d'alimentació: un adaptador de paret de 12 V és increïblement comú i qualsevol qualificació actual superior a 500 mA hauria de funcionar bé. També podeu triar un àcid de plom de 12V o LiPo de 11,1V per mantenir-lo dins de la caixa, però assegureu-vos de protegir-lo de la intempèrie i apagar-lo quan no s’utilitzi. A continuació, us oferim algunes parts que podríeu necessitar per construir el circuit del generador:

• Presa de barril de 2,1 mm a la terminal o aquest adaptador de presa de barril de 2,1 mm: compatible amb taulers de pa
• Tauler de pa transparent sense soldadura, enclavament de 400 punts de connexió
• Filferros de pont variats de calibre 65 x 22
• Kit de resistències DFRobot
• Kit de condensadors SparkFun
• Alimentació de l’adaptador de paret de 12VDC 3A

Això és el que hauria de ser el circuit del generador en una taula de treball (tercera imatge)

Pas 2: Resultats

Com es mostra a la captura de pantalla següent de l’oscil·loscopi de la sortida del circuit del generador (pres amb l’oscil·loscopi de la tauleta de 4 canals Micsig 200 MHz 1 GS / s 4 canals), podem veure una ona quadrada (aspra) amb una freqüència de 36,41 KHz i una amplitud de 11,8 V (mitjançant un adaptador de corrent de 12 V). La freqüència es pot variar lleugerament ajustant el potenciòmetre R4.

Un panell sense soldar poques vegades és una solució a llarg termini i s’utilitza millor per crear un prototip ràpid. Per tant, després de confirmar que el circuit del generador funciona com hauria de generar una ona quadrada amb un rang de freqüències de 33,5 Khz i 40 KHz (variable a través del pot R4), hem dissenyat un PCB (24 mm x 34 mm) només amb PTH (forat xapat)) components per convertir-la en una bonica placa generadora d’ones quadrades. Atès que els components de forats passants es feien servir per prototipar amb una placa, el PCB també podria utilitzar components de forats passants (en lloc de muntar-los a la superfície) i permet soldar fàcilment a mà. La col·locació dels components no és exacta i és probable que pugueu millorar. Hem fet que els fitxers Eagle i Gerber estiguin disponibles per descarregar perquè pugueu crear el vostre propi PCB. Els fitxers es poden trobar a la secció "Fitxers" al final d'aquest article. Aquí teniu alguns consells per dissenyar la vostra pròpia placa: teniu el connector de canó i el terminal de cargol al mateix costat de la placa Col·loqueu els components relativament a prop l’un de l’altre i minimitzeu les traces / longituds Teniu els forats de muntatge d’un diàmetre estàndard i situats de forma fàcil. reproduir rectangle.

Pas 3: Instal·lació del cable

Llavors, com instal·lar el cable? En lloc d’enterrar-lo, és més fàcil fer servir clavilles per mantenir-la al seu lloc. Podeu utilitzar tot el que vulgueu per mantenir el cable fixat, però el plàstic funciona millor. Un paquet de 50 clavilles que s’utilitzen per a tallagespes de robots tendeix a ser econòmic. Quan col·loqueu el cable, assegureu-vos que els dos extrems es troben al mateix lloc per connectar-se a la placa del generador a través del terminal de cargol.

Pas 4: Resistència a la intempèrie

Atès que el sistema probablement es deixarà fora per utilitzar-lo a l’exterior. El cable perimetral necessita un recobriment resistent a la intempèrie i el circuit del generador es troba en una caixa impermeable. Podeu utilitzar aquest recinte fresc per protegir el generador de la pluja. No tots els cables es creen iguals. Si teniu previst deixar el cable fora de casa, assegureu-vos d’invertir en el cable correcte, per exemple, aquest blindatge de filferro perimetral de 300 'Robomow que no sigui resistent als raigs UV / aigua es degradarà ràpidament amb el pas del temps i es tornarà fràgil.

Pas 5: sensor

Teoria

Ara que hem creat el circuit del generador i ens assegurem que funcioni com suposava, és hora de començar a pensar com detectar el senyal que passa pel cable. Per a això, us convidem a llegir sobre el circuit LC, també anomenat Tank Circuit o Tuned Circuit. Un circuit LC és un circuit elèctric basat en un inductor / bobina (L) i un condensador (C) connectats en paral·lel. Aquest circuit s’utilitza en filtres, sintonitzadors i mescladors de freqüència. En conseqüència, s'utilitza habitualment en transmissions de transmissió sense fils tant per a transmissió com per a recepció. No entrarem en els detalls teòrics sobre els circuits LC, però el més important a tenir en compte per entendre el circuit del sensor utilitzat en aquest article seria la fórmula per calcular la freqüència de ressonància d’un circuit LC, que és com:

f0 = 1 / (2 * π * √ (L * C))

On L és el valor d’inductància de la bobina en H (Henry) i C és el valor de la capacitat del condensador en F (Farads). Perquè el sensor detecti el senyal de 34kHz-40Khz que entra al cable, el circuit de dipòsit que hem utilitzat hauria de tenir la freqüència de ressonància en aquest rang. Vam triar L = 1mH i C = 22nF per obtenir una freqüència de ressonància de 33 932Hz calculada mitjançant la fórmula (2). L’amplitud del senyal detectat pel circuit del nostre tanc serà relativament petita (un màxim de 80 mV quan provem el circuit del sensor) quan l’inductor es troba a uns 10 cm del cable, per tant, necessitarà una mica d’amplificació. Per fer-ho, hem utilitzat el popular amplificador Op-Amp LM324 per amplificar el senyal amb un guany de 100 en una configuració sense inversió d'amplificació de 2 etapes per assegurar-nos d'obtenir un bon senyal analògic llegible a una distància superior a 10 cm a la sortida del sensor. En aquest article es proporciona informació útil sobre els amplificadors operatius en general. A més, podeu consultar el full de dades del LM324. Aquí teniu un esquema de circuits típic d’un amplificador LM324: Op-Amp en configuració sense inversió (imatge següent)

Utilitzant l’equació per a una configuració de guany sense inversió, Av = 1 + R2 / R1. Establir R1 a 10KOhms i R2 a 1MOhms proporcionarà un guany de 100, que està dins de l’especificació desitjada. Per tal que el robot pugui detectar el cable perimetral en diferents orientacions, és més adequat tenir instal·lat més d’un sensor. Com més sensors hi hagi al robot, millor detectarà el fil conductor. Per a aquest tutorial, i com que el LM324 és un amplificador quad-op (això significa que un xip LM324 té 4 amplificadors separats), farem servir dos sensors de detecció a la placa. Això significa utilitzar dos circuits LC i cadascun tindrà 2 etapes d'amplificació. Per tant, només cal un xip LM324.

Pas 6: Esquema i prototipatge

Com hem comentat anteriorment, l’esquema de la placa de sensors és força senzill. Es compon de 2 circuits LC, un xip LM324 i un parell de resistències de 10KOhms i 1MOhms per configurar els guanys dels amplificadors.

Aquí teniu una llista dels components que podeu utilitzar:

• R1, R3, R5, R7: resistències de 10KOhm
• R2, R4, R6, R8: resistències de 1MOhm
• Condensadors C1, C2: 22nF
• IC: amplificador LM324N
• JP3 / JP4: capçaleres M / M de 2,54 mm de 3 pins
• Inductors 1, 2: 1mH *

* Els inductors de 1 mH amb una potència actual de 420 mA i un factor Q de 40 252 kHz haurien de funcionar bé. Hem afegit terminals de cargol com a conductors inductors a l’esquema per tal que els inductors (amb cables soldats a cables) es col·loquin en llocs adequats del robot. A continuació, els cables (dels inductors) es connectaran als terminals de cargol. Els pins Out1 i Out2 es podrien connectar directament als pins d’entrada analògics d’un microcontrolador. Per exemple, podeu utilitzar una placa Arduino UNO o, millor, un controlador BotBoarduino per a una connexió més còmoda, ja que té pins analògics dividits en una fila de 3 pins (Signal, VCC, GND) i també és compatible amb Arduino. El xip LM324 s’alimentarà a través de 5V del microcontrolador, per tant, el senyal analògic (ona detectada) de la placa del sensor variarà entre 0V i 5V en funció de la distància entre l’inductor i el cable perimetral. Com més proper estigui l’inductor al cable perimetral, més gran serà l’amplitud de l’ona de sortida del circuit del sensor. Aquí teniu l’aspecte que hauria de tenir el circuit del sensor en una taula de proves.

Pas 7: Resultats

Com podem veure a les captures de pantalla de l’oscil·loscopi a continuació, l’ona detectada a la sortida del circuit LC s’amplifica i satura a 5 V quan l’inductor es troba a 15 cm del cable perimetral.

Igual que amb el circuit del generador, hem dissenyat un bonic PCB compacte amb components de forat passant per a la placa del sensor amb dos circuits de dipòsit, un amplificador i 2 sortides analògiques. Els fitxers es poden trobar a la secció "Fitxers" al final d'aquest article.

Pas 8: Codi Arduino

El codi Arduino que podeu utilitzar per al vostre generador de filferro perimetral i el sensor és molt senzill. Com que la sortida de la placa del sensor és de dos senyals analògics que varien de 0V a 5V (un per a cada sensor / inductor), es pot utilitzar l'exemple d'Arduino d'AnalogRead. Simplement connecteu els dos pins de sortida de la placa del sensor a dos pins d'entrada analògics i llegiu el pin adequat modificant l'exemple d'Arduino AnalogRead. Amb el monitor sèrie Arduino, hauríeu de veure que el valor RAW del pin analògic que esteu utilitzant varia de 0 a 1024 a mesura que us acosteu a l’inductor al cable perimetral.

El codi llegeix el voltatge a analogPin i el mostra.

int analogPin = A3; // eixugaparabrises (terminal mig) connectat al pin analògic 3 // condueix a terra i + 5V

int val = 0; // variable per emmagatzemar el valor llegit

configuració nul·la () {

Serial.begin (9600); // sèrie de configuració

}

bucle buit () {

val = analogRead (analogPin); // llegiu el pin d'entrada Serial.println (val); // valor de depuració