DIY периметриндеги зым генератору жана сенсор: 8 кадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2024-01-30 10:40

Зымдарды багыттоо технологиясы тармакта, айрыкча, иштетүү автоматташтырылган кампаларда кеңири колдонулат. Роботтор жерге көмүлгөн зым илмекти ээрчишет. Бул зымда 5Кц менен 40КГцтин ортосундагы салыштырмалуу төмөн интенсивдүүлүк жана жыштыктагы өзгөрмө ток агат. Робот жерге жакын электромагниттик талаанын интенсивдүүлүгүн өлчөөчү танк схемасына негизделген индуктивдүү сенсорлор менен жабдылган (резонанстык жыштыгы генерацияланган толкундун жыштыгына барабар же жакын). Иштетүү чынжыры (күчөтүү, чыпкалар, салыштыруу) роботтун зым ичиндеги абалын аныктоого мүмкүндүк берет. Бул күндөрү периметр/чек зым үй жаныбарларын короолордо кармоо үчүн "көрүнбөгөн тосмолорду" жана роботтордун чөп чабуучу машиналарын түзүүдө колдонулат. LEGO дагы ушул принципти колдонуучуларды эч кандай линия көрбөстөн жолдордо жолго салуу үчүн колдонот.

Бул окуу куралы теорияны, дизайнды жана ишке ашырууну түшүнүүгө жардам берүү үчүн оңой жана интуитивдүү жол менен түшүндүрөт, өзүңүздүн генераторуңузду жана периметри зым үчүн сенсорун жасаңыз. Файлдар (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files жана Arduino Sample Code) жүктөө үчүн да жеткиликтүү. Ошентип, сиз зымдын периметрин аныктоо мүмкүнчүлүгүн сүйүктүү роботуңузга кошуп, иштеп жаткан "зонанын" ичинде сактай аласыз.

1 -кадам: ГЕНЕРАТОР

Теория

Периметрдик зым генераторунун схемасы атактуу NE555 таймерине негизделет. NE555 же көбүнчө 555 деп аталган таймер же мультивибратор режими үчүн колдонулган интегралдык схема. Бул компонент азыркыга чейин колдонуунун оңойлугуна, арзандыгына жана туруктуулугуна байланыштуу колдонулат. Жылына бир миллиард даана өндүрүлөт. Генераторубуз үчүн NE555ти Astable конфигурациясында колдонобуз. Туруктуу конфигурация NE555ти осциллятор катары колдонууга мүмкүндүк берет. Эки резистор жана конденсатор термелүүнүн жыштыгын, ошондой эле кызмат циклин өзгөртүүгө мүмкүндүк берет. Компоненттердин жайгашуусу төмөнкү схемада көрсөтүлгөндөй. NE555 периметр зымынын узундугун иштете турган (орой) төрт бурчтуу толкунду жаратат. Таймер үчүн NE555 маалымат барагына кайрылып, үлгү схемасы, ошондой эле иштөө теориясы (8.3.2 А-туруктуу иштөө) бар. Texas Instruments NE555 ICлеринин жалгыз өндүрүүчүсү эмес, андыктан башка чипти тандасаңыз, анын колдонмосун текшерүүнү унутпаңыз. Биз сизге бул 555 таймердин ширетүүчү комплектин сунуштайбыз, ал сизге 555 таймердин бардык ички компоненттерин тешик аркылуу пакетке салууга мүмкүнчүлүк берет, бул схеманын ишин деталдуу түрдө түшүнүүгө мүмкүндүк берет.

Схемалык жана прототиптөө

NE555 колдонмосунда (8.3.2 А-туруктуу иштөө бөлүмү) берилген схема кыйла толук. Бир нече кошумча компоненттер кошулду жана төмөндө талкууланды. (биринчи сүрөт)

Чыгуучу квадрат толкунунун жыштыгын эсептөө үчүн колдонулган формула

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

Квадрат толкунунун жыштык диапазону 32 кГцтен 44 кГцке чейин болот, бул башка жакын түзмөктөргө тоскоол болбошу керек болгон белгилүү бир жыштык. Бул үчүн биз Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms потенциометрин жана C = 1.2nF тандап алдык. Потенциометр бизге төрт бурчтуу толкундун жыштыгын LC танк схемасынын резонанс жыштыгына ылайыкташтырууга жардам берет, ал кийинчерээк талкууланат. Чыгаруу жыштыгынын теориялык эң төмөнкү жана эң чоң мааниси (1) формуласы боюнча төмөнкүдөй эсептелет: Эң төмөнкү жыштык мааниси: fL = 1,44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) ≈32 698 Гц

Жогорку жыштык мааниси: fH = 1.44 / ((3.3+2*(12+0))*1.2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

4.7KOhms потенциометр эч качан 0 же 4.7ге жетпегендиктен, чыгаруу жыштыгынын диапазону 33.5КГцтен 39КГцке чейин өзгөрөт. Бул жерде генератордун схемасынын толук схемасы келтирилген. (экинчи сүрөт)

Схемада көрүнүп тургандай, бир нече кошумча компоненттер кошулган жана төмөндө талкууланат. Бул жерде толук БОМ:

• R1: 3.3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (Учурдагы чектөөчү резистор): 47 Ом (2W кубаттуулугу менен жылуулукту таркатуу үчүн жетишерлик чоң болушу керек)
• R4: 4.7 KOhm потенциометр
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF да бул ишти аткарат)
• C5: 1uF
• J1: 2.5mm борбору оң баррель туташтыргычы (5-15V DC)
• J2: Бурамалуу терминал (эки позиция)
• IC1: NE555 Precision Timer

Схемага кошулган кошумча бөлүктөргө дубал адаптерине оңой туташуу үчүн баррель уячасы (J1) жана периметр зымына ыңгайлуу туташуу үчүн бурамалуу терминал (12) кирет. Периметр зымы: Көңүл бургула, периметрдин зымы канчалык узун болсо, сигнал ошончолук начарлайт. Биз орнотууну болжол менен 100 '22 калибрлүү көп жип менен сынадык (көмүлгөндөн айырмаланып жерге илинди). Электр менен камсыздоо: 12V дубал адаптери укмуштуудай кеңири таралган жана 500мАдан жогору болгон учурдагы рейтинг жакшы иштеши керек. Сиз ошондой эле корпустун ичинде кармоо үчүн 12В коргошун кислотасын же 11.1V LiPo тандай аласыз, бирок аны аба ырайынан коргогонуңуз жана колдонулбаганда өчүрүп коюңуз. Бул жерде биз генератордун схемасын курууда сизге керек болушу мүмкүн болгон кээ бир тетиктерди сунуштайбыз:

• 2.1мм Barrel Jack терминалга же бул 2.1mm Barrel Jack Adapter - Breadboard Compatible
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Solderless Breadboard
• 65 x 22 Gauge Ассорти Jumper Wires
• DFRobot резистордук комплект
• SparkFun Capacitor Kit
• 12VDC 3A Wall адаптеринин Power Supply

Бул жерде генератордун схемасы нан тактасында кандай болушу керек (үчүнчү сүрөт)

2 -кадам: Жыйынтыктар

Төмөндөгү генератордун схемасынын осциллографынын скриншотунда көрсөтүлгөндөй (Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels Tablet Oscilloscope менен алынган), биз 36.41KHz жыштыгы жана амплитудасы бар (орой) чарчы толкунду көрө алабыз. 11.8V (12V кубат адаптерин колдонуу менен). Жыштык R4 потенциометрин тууралоо менен бир аз өзгөрүшү мүмкүн.

А solderless breadboard сейрек эч качан узак мөөнөттүү чечим болуп саналат жана мыкты тез прототипти түзүү үчүн колдонулат. Ошондуктан, генератордун схемасы 33.5КГц жана 40КГц жыштык диапазону менен төрт бурчтуу толкунду жаратып, керек болгондой иштеп жатканын тастыктагандан кийин, биз ПХБны (24мм34мм) бир гана PTH (Плэйт аркылуу тешик) менен иштеп чыктык.) компоненттери аны кичинекей квадрат толкундуу генератор тактасына айландыруу үчүн. Тешиктен жасалган компоненттер нан табагы менен прототиптештирүү үчүн колдонулгандыктан, ПХБ тешик аркылуу тетиктерди да колдоно алат (үстүнө орнотуунун ордуна) жана кол менен оңой ширетүүгө мүмкүндүк берет. Компоненттердин жайгашуусу так эмес, жана сиз, балким, жакшыртуу үчүн орун таба аласыз. Биз Eagle жана Gerber файлдарын жүктөө үчүн жеткиликтүү кылдык, ошондо сиз өзүңүздүн ПКБны жасай аласыз. Файлдарды ушул макаланын аягындагы "Файлдар" бөлүмүнөн тапса болот. Бул жерде өз тактаңызды иштеп чыгууда кээ бир кеңештер бар: баррель туташтыргычы жана бурама терминалы тактайдын бир тарабында болсун Компоненттерди бири -бирине салыштырмалуу жакын жайгаштырыңыз жана издерди/узундуктарды минималдаштырыңыз Монтаждык тешиктер стандарттык диаметри болуп, оңой жайгашкан тик бурчтукту кайра чыгаруу.

3 -кадам: Зым орнотуу

Ошентип, зымды кантип орнотуу керек? Аны көмгөндүн ордуна, казыктарды ордуна коюу үчүн колдонуу оңой. Сиз зымды ордунда кармоо үчүн каалаган нерсеңизди колдоно аласыз, бирок пластик эң жакшы иштейт. Робот газон чапкычтар үчүн колдонулган 50 казыктан турган таңгак арзан болот. Зым тартканда, генератордун тактайына бурамалуу терминал аркылуу туташуу үчүн эки учу бир жерде болушу керек.

4 -кадам: Аба ырайына каршылык

Система, кыязы, сыртта колдонулуп, сыртта колдонулат. Периметр зымы аба ырайына чыдамдуу жабууну талап кылат жана генератордун схемасы өзү суу өткөрбөй турган корпуста жайгашкан. Сиз генераторду жамгырдан коргоо үчүн бул салкын тиркемени колдоно аласыз. Бардык зымдар бирдей түзүлгөн эмес. Эгерде сиз зымды калтырууну пландап жатсаңыз, анда туура зымга инвестиция салууну унутпаңыз, мисалы, UV / сууга туруштук бербеген Robomow 300 'периметрдик зым коргоосу убакыттын өтүшү менен тез бузулуп, морт болуп калат.

5 -кадам: сенсор

Теория

Эми биз генератордун схемасын куруп, анын ойлогондой иштеп жатканына ынандык, зым аркылуу өтүп жаткан сигналды кантип аныктоо керектигин ойлонууга убакыт келди. Бул үчүн, биз сизди LC Circuit жөнүндө окууга чакырабыз, ошондой эле Tank Circuit же Tuned Circuit деп аталат. LC схемасы индуктор/катушка (L) жана параллель туташкан конденсаторго (C) негизделген электрдик схема. Бул схема чыпкаларда, тюнерлерде жана жыштык миксерлеринде колдонулат. Демек, ал, адатта, эфир үчүн да, кабыл алуу үчүн да зымсыз берүүлөрдө колдонулат. Биз LC схемаларына байланыштуу теориялык деталдарга кирбейбиз, бирок бул макалада колдонулган сенсордук схеманы түшүнүү үчүн эстен чыгарбоо керек болгон нерсе LC схемасынын резонанс жыштыгын эсептөө формуласы болмокчу:

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Бул жерде L - катушканын индуктивдүүлүк мааниси H (Генри) жана С - конденсатордун сыйымдуулугу F (Фарадс). Сенсор үчүн зымга кирген 34 кГц-40 кГц сигналын аныктоо үчүн, биз колдонгон танк схемасы бул диапазондо резонанс жыштыгына ээ болушу керек. Биз формула (2) менен эсептелген 33 932Гц резонанс жыштыгын алуу үчүн L = 1mH жана C = 22nF тандадык. Биздин танк схемасы тарабынан аныкталган сигналдын амплитудасы индуктор зымдан болжол менен 10 см алыстыкта болгондо салыштырмалуу кичине болот (сенсордук схеманы сынап көргөндө максимум 80 мВ), андыктан ага кандайдыр бир күчөтүү керек болот. Бул үчүн, биз популярдуу LM324 Op-Amp күчөткүчүн сигналды 100 ставкадагы которуштуруучу конфигурацияда 2 этаптуу күчөтүүдө колдонуп, 10смден чоңураак аралыкта жакшы окула турган аналогдук сигналды алуу үчүн. сенсордун чыгышы. Бул макалада жалпысынан Op-Amps жөнүндө пайдалуу маалыматтар камтылган. Ошондой эле, сиз LM324 маалымат барагын карай аласыз. Бул жерде LM324 күчөткүчүнүн типтүү схемасы: Оп-Амп инверттенбеген конфигурацияда (төртүнчү сүрөт)

Теңдемени инверттелбеген пайда конфигурациясы үчүн колдонуп, Av = 1+R2/R1. R1ди 10KOhms жана R2ди 1MOhmsге коюу 100 спектрин камсыз кылат, бул каалаган спецификацияда. Роботтун периметрдик зымды ар кандай багытта аныктай алышы үчүн, бир эмес, бир нече сенсордун орнотулгандыгы туура болот. Роботтун сенсорлору канчалык көп болсо, чек ара зымын ошончолук жакшы аныктайт. Бул окуу куралы үчүн жана LM324-бул төрт варианттуу күчөткүч (бул бир LM324 чипинде 4 өзүнчө күчөткүч бар дегенди билдирет), биз тактада эки аныктоочу сенсорду колдонобуз. Бул эки LC схемасын колдонууну билдирет жана ар биринин күчөтүүнүн 2 баскычы болот. Ошондуктан, бир гана LM324 чипи керек.

6 -кадам: Схемалык жана прототиптөө

Биз жогоруда талкуулагандай, сенсордук тактанын схемасы абдан түз. Бул 2 LC микросхемасынан, бир LM324 чипинен жана күчөткүчтөрдүн кирешесин белгилөө үчүн 10KOhms жана 1MOhms резисторлорунан турат.

Бул жерде сиз колдоно турган компоненттердин тизмеси:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm резисторлору
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm резисторлору
• C1, C2: 22nF Конденсаторлор
• IC: LM324N күчөткүч
• JP3 / JP4: 2.54мм 3-пин M / M аталыштары
• Индукторлор 1, 2: 1мН*

* 1mH 420mA учурдагы рейтинги жана Q 25 фактору 252 кГц индукторлор жакшы иштеши керек. Биз бурама терминалдарды коштук, анткени индукторлор роботтун ыңгайлуу жерлерине жайгаштырылышы үчүн индукторлорду (зымдарга туташкан коргошун менен) схемага алып келет. Андан кийин, зымдар (индукторлордун) бурама терминалдарына туташат. Out1 жана Out2 казыктары микроконтроллердин аналогдук кирүү казыктарына түз туташтырылышы мүмкүн. Мисалы, сиз Arduino UNO Board же жакшыраак, BotBoarduino контроллерин ыңгайлуу туташуу үчүн колдоно аласыз, анткени анын аналогдук пиндери 3 казыктан турат (Signal, VCC, GND) жана ал Arduino менен да шайкеш келет. LM324 чипи микроконтроллердин 5В аркылуу иштейт, андыктан сенсордук тактадан аналогдук сигнал (аныкталган толкун) индуктор менен периметр зымынын ортосундагы аралыкка жараша 0В менен 5В ортосунда өзгөрөт. Индуктор периметр зымына канчалык жакын болсо, сенсордук схеманын чыгуу толкунунун амплитудасы ошончолук жогору болот. Бул жерде сенсордук схема нан тактасында кандай болушу керек.

7 -кадам: Жыйынтыктар

Төмөндөгү осциллографтын скриншотторунан көрүнүп тургандай, LC схемасынын чыгышында аныкталган толкун күчөтүлөт жана индуктор периметр зымына 15см болгондо 5Вга каныкат.

Генератордун схемасында болгондой эле, биз эки танк схемасы, күчөткүч жана 2 аналогдук чыгышы бар сенсордук тактасы үчүн тешикчелүү компоненттери бар жакшы компакттуу ПХБны иштеп чыктык. Файлдарды ушул макаланын аягындагы "Файлдар" бөлүмүнөн тапса болот.

8 -кадам: Arduino коду

Зым генератору жана сенсор үчүн колдоно турган Arduino коду абдан жөнөкөй. Сенсордук тактанын чыгышы 0Vдан 5Vга чейин эки аналогдук сигнал болгондуктан (ар бир сенсор/индуктор үчүн бир), AnalogRead Arduino мисалын колдонсо болот. Жөн эле сенсордук тактанын эки чыгуу казыгын эки аналогдук кирүү казыгына туташтырыңыз жана Arduino AnalogRead мисалын өзгөртүү менен тиешелүү пинди окуңуз. Arduino сериялык мониторун колдонуп, сиз индукторго периметр зымына жакындаганда, колдонуп жаткан аналогдук пиндин RAW маанисин 0дөн 1024кө чейин көрүшүңүз керек.

Код analogPinдеги чыңалууну окуйт жана аны көрсөтөт.

int analogPin = A3; // потенциометрдин тазалагычы (орто терминал) аналогдук 3 -пинге туташкан // сырттан жерге жана +5Вга алып барат

int val = 0; // окулган маанини сактоо үчүн өзгөрмө

жараксыз орнотуу () {

Serial.begin (9600); // сериялык орнотуу

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // кирүү пин окуу Serial.println (val); // мүчүлүштүктөрдү оңдоо