Jenereta ya waya ya mzunguko wa DIY na Sensor: Hatua 8

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:51

Teknolojia ya mwongozo wa waya hutumiwa sana katika tasnia, haswa, katika maghala ambayo utunzaji ni wa kiotomatiki. Roboti zinafuata kitanzi cha waya kilichozikwa ardhini. Ubadilishaji wa sasa wa kiwango cha chini na mzunguko kati ya mtiririko wa 5Kz na 40KHz katika waya huu. Roboti ina vifaa vya sensorer vya kuingiza, kawaida hutegemea mzunguko wa tank (na masafa ya sauti sawa au karibu na masafa ya wimbi lililotengenezwa) ambalo hupima ukubwa wa uwanja wa sumakuumeme karibu na ardhi. Mlolongo wa usindikaji (ukuzaji, vichungi, kulinganisha) inafanya uwezekano wa kuamua nafasi ya roboti ndani kwa waya. Siku hizi, waya / mzunguko waya pia hutumiwa kuunda "ua zisizoonekana" kuweka wanyama wa kipenzi ndani ya yadi, na mashine za kukata nyasi za roboti ndani ya maeneo. LEGO pia hutumia kanuni hiyo hiyo kuongoza magari kando ya barabara bila wageni kuona mistari yoyote.

Mafunzo haya yanaelezea kwa njia rahisi na ya busara kukusaidia kuelewa nadharia, muundo, na utekelezaji wa kutengeneza jenereta yako na sensa kwa waya wa mzunguko. Faili (Schematics, Faili za Tai, Gerbers, Faili za 3D na Msimbo wa Mfano wa Arduino) zinapatikana pia kwa kupakuliwa. Kwa njia hii, unaweza kuongeza kipengee cha kugundua mzunguko wa waya kwenye roboti yako uipendayo na kuiweka ndani ya "eneo" la kufanya kazi.

Hatua ya 1: GENERATOR

Nadharia

Mzunguko wa jenereta ya waya wa mzunguko utategemea kipima muda maarufu cha NE555. NE555 au zaidi inayoitwa 555 ni mzunguko uliounganishwa unaotumiwa kwa njia ya timer au multivibrator. Sehemu hii bado inatumika leo kwa sababu ya urahisi wa matumizi, gharama nafuu, na utulivu. Vitengo bilioni moja vinatengenezwa kwa mwaka. Kwa jenereta yetu, tutatumia NE555 katika usanidi wa Astable. Usanidi thabiti unaruhusu kutumia NE555 kama oscillator. Vipinga viwili na capacitor hufanya iwezekanavyo kurekebisha mzunguko wa oscillation pamoja na mzunguko wa ushuru. Mpangilio wa vifaa ni kama inavyoonekana katika skimu chini. NE555 Inazalisha wimbi la mraba (mbaya) ambalo linaweza kukimbia urefu wa waya wa mzunguko. Ikimaanisha jedwali la NE555 la kipima muda, kuna mfano wa mzunguko, na nadharia ya operesheni (operesheni thabiti ya 8.3.2). Vyombo vya Texas sio mtengenezaji pekee wa IC za NE555, kwa hivyo unapaswa kuchagua chip nyingine, hakikisha uangalie mwongozo wake. Tunatoa kitendawili hiki cha 555 Timer Soldering Kit ambacho kitakupa fursa ya kutengeneza vifaa vyote vya ndani vya kipima muda cha 555 kwenye kifurushi cha shimo kukuruhusu kuelewa utendaji wa mzunguko huu kwa undani.

Schematic na Prototyping

Mpangilio uliyotolewa katika mwongozo wa NE555 (8.3.2 sehemu ya operesheni thabiti) umekamilika kabisa. Vipengele vichache vya ziada viliongezwa na kujadiliwa hapa chini. (picha ya kwanza)

Fomula inayotumika kuhesabu masafa ya wimbi la mraba la pato ni

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

Masafa ya wimbi la mraba lililotengenezwa litakuwa kati ya 32Khz na 44KHz ambayo ni masafa maalum ambayo hayapaswi kuingiliana na vifaa vingine vya karibu. Kwa hili, tumechagua Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potentiometer na C = 1.2nF. Potentiometer itatusaidia kutofautisha mzunguko wa pato la wimbi la mraba ili kuendana na masafa ya sauti ya mzunguko wa LC Tank ambayo itajadiliwa baadaye. Thamani ya nadharia ya chini na ya juu zaidi ya masafa ya pato itakuwa kama ifuatavyo mahesabu na fomula (1): Thamani ya chini kabisa: fL = 1.44 / ((3.3 + 2 * (12 + 4.7)) * 1.2 * 10 ^ (- 9) ≈32 698Hz

Thamani ya juu zaidi ya mzunguko: fH = 1.44 / ((3.3 + 2 * (12 + 0)) * 1.2 * 10 ^ (- 9)) 95 43 956Hz

Kwa kuwa potentiometer ya 4.7KOhms haifiki hadi 0 au 4.7, masafa ya pato yatatofautiana kutoka karibu 33.5Khz hadi 39Khz. Hapa kuna mpango kamili wa mzunguko wa jenereta. (picha ya pili)

Kama unavyoona katika mpango, vitu vichache vya ziada viliongezwa na vitajadiliwa hapa chini. Hapa kuna BOM kamili:

• R1: 3.3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (Kizuizi cha sasa kinachopinga): 47 Ohms (inahitaji kuwa kubwa sana kutenganisha joto na kiwango cha nguvu cha 2W inapaswa kuwa ya kutosha)
• R4: 4.7 KOhm potentiometer
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF pia itafanya kazi hiyo)
• C5: 1uF
• J1: 2.5mm kontakt chanya ya pipa chanya (5-15V DC)
• J2: Kituo cha Parafujo (nafasi mbili)
• IC1: NE555 Precision Timer

Sehemu za ziada zilizoongezwa kwa skimu ni pamoja na pipa (J1) kwa unganisho rahisi kwa adapta ya ukuta (12V) na kituo cha screw (12) ili kuunganishwa kwa waya wa mzunguko. Mzunguko wa waya: Kumbuka kuwa kadiri waya wa mzunguko, ndivyo ishara inavyopungua. Tulijaribu usanidi kwa takribani 100 'ya waya 22 za waya nyingi (zilizopigwa chini tofauti na kuzikwa). Ugavi wa Umeme: ADAPTER ya ukuta wa 12V ni kawaida sana, na ukadiriaji wowote wa sasa juu ya 500mA unapaswa kufanya kazi vizuri. Unaweza pia kuchagua asidi inayoongoza ya 12V au 11.1V LiPo ili kuiweka ndani ya kesi hiyo, lakini hakikisha kuiweka hali ya hewa na kuizima wakati haitumiki. Hapa kuna sehemu tunazotoa ambazo unaweza kuhitaji wakati wa kujenga mzunguko wa jenereta:

• Pipa Jack ya 2.1mm kwa terminal au hii Adapter ya Pipa ya 2.1mm - Bodi ya mkate inaambatana
• Sehemu ya 400 ya Ufungaji wa Bodi ya Uwazi isiyo na waya
• 65 x 22 Kupima waya za Jumper zilizopangwa
• Kitanda cha Resistor cha DFRobot
• Kitanda cha Capacitor cha SparkFun
• Ugavi wa Umeme wa 12VDC 3A Wall

Hapa ndivyo mzunguko wa jenereta unapaswa kuonekana kwenye ubao wa mkate (picha ya tatu)

Hatua ya 2: Matokeo

Kama inavyoonyeshwa kwenye skrini ya chini ya oscilloscope ya pato la mzunguko wa jenereta (iliyochukuliwa na Micsig 200 MHz 1 GS / s 4 Channel Ubao wa Oscilloscope), tunaweza kuona wimbi (mbaya) la mraba na masafa ya 36.41KHz na amplitude ya 11.8V (kutumia adapta ya umeme ya 12V). Mzunguko unaweza kutofautiana kidogo kwa kurekebisha potentiometer ya R4.

Bodi ya mkate isiyo na solder huwa suluhisho la muda mrefu na hutumiwa vizuri kuunda mfano wa haraka. Kwa hivyo, baada ya kudhibitisha kuwa mzunguko wa jenereta unafanya kazi kama inavyostahili, ikitoa wimbi la mraba na masafa ya 33.5Khz na 40KHz (inayobadilika kupitia sufuria ya R4), tumeunda PCB (24mmx34mm) tu na PTH (Iliyopakwa-kupitia Shimo) kuifanya kuwa bodi nzuri ndogo ya jenereta ya mraba. Kwa kuwa vifaa vya kupitia-shimo vilitumika kwa kuiga na ubao wa mkate, PCB inaweza pia kutumia vifaa vya shimo pia (badala ya mlima wa uso), na inaruhusu utaftaji rahisi kwa mkono. Uwekaji wa vifaa sio sawa, na unaweza kupata nafasi ya kuboresha. Tumefanya faili za Tai na Gerber zipatikane kwa kupakua ili uweze kutengeneza PCB yako mwenyewe. Faili zinaweza kupatikana katika sehemu ya "Faili" mwishoni mwa nakala hii. Hapa kuna vidokezo wakati wa kubuni bodi yako mwenyewe: Kuwa na kontaktiki ya pipa na kituo cha screw upande huo huo wa bodi Weka vifaa karibu na kila mmoja na punguza athari / urefu Kuwa na mashimo yanayopanda kuwa kipenyo cha kawaida, na iko katika rahisi kuzaa mstatili.

Hatua ya 3: Ufungaji wa waya

Kwa hivyo jinsi ya kufunga waya? Badala ya kuizika, ni rahisi kutumia tu vigingi ili kuiweka mahali pake. Uko huru kutumia chochote unachotaka kuweka waya mahali, lakini plastiki hufanya kazi vizuri. Pakiti ya vigingi 50 vilivyotumiwa kwa mashine za kukata nyasi za roboti huwa za bei rahisi. Unapoweka waya, hakikisha kuwa na ncha mbili zinakutana katika eneo moja ili kuungana na bodi ya jenereta kupitia kituo cha screw.

Hatua ya 4: Upinzani wa hali ya hewa

Kwa kuwa mfumo utaachwa nje utumike nje. Waya ya mzunguko inahitaji mipako inayostahimili hali ya hewa, na mzunguko wa jenereta yenyewe umewekwa katika hali ya kuzuia maji. Unaweza kutumia Kizuizi hiki kizuri kulinda jenereta kutokana na mvua. Sio waya zote zinaundwa sawa. Ikiwa una mpango wa kuacha waya nje, hakikisha kuwekeza kwenye waya sahihi, kwa mfano, hii Robomow 300 'Perimeter Wire Shielding ambayo sio UV / maji sugu itashuka haraka kwa muda na kuwa brittle.

Hatua ya 5: Sensorer

Nadharia

Sasa kwa kuwa tumejenga mzunguko wa jenereta na hakikisha inafanya kazi kama inavyodhaniwa, ni wakati wa kuanza kufikiria juu ya jinsi ya kugundua ishara inayopita kwenye waya. Kwa hili, tunakualika usome juu ya Mzunguko wa LC, pia unaitwa Mzunguko wa Tangi au Mzunguko wa Tuned. Mzunguko wa LC ni mzunguko wa umeme kulingana na Inductor / Coil (L) na capacitor (C) iliyounganishwa kwa usawa. Mzunguko huu hutumiwa katika vichungi, vichungi, na vichanganyaji masafa. Kwa hivyo, hutumiwa kwa kawaida katika usambazaji wa matangazo ya wireless kwa matangazo na mapokezi. Hatutaingia kwenye maelezo ya kinadharia juu ya nyaya za LC, lakini jambo la muhimu kukumbuka kuelewa mzunguko wa sensa uliotumiwa katika nakala hii, itakuwa fomula ya kuhesabu masafa ya sauti ya mzunguko wa LC, ambayo huenda kama:

f0 = 1 / (2 * π * √ (L * C))

Ambapo L ni thamani ya inductance ya coil katika H (Henry) na C ni thamani ya uwezo wa capacitor katika F (Farads). Kwa sensa kugundua ishara ya 34kHz-40Khz inayoingia kwenye waya, mzunguko wa tank tuliotumia unapaswa kuwa na masafa ya resonance katika anuwai hii. Tulichagua L = 1mH na C = 22nF kupata masafa ya resonance ya 33 932Hz iliyohesabiwa kwa kutumia fomula (2). Ukubwa wa ishara iliyogunduliwa na mzunguko wetu wa tanki itakuwa ndogo (kiwango cha juu cha 80mV wakati tulijaribu mzunguko wa sensorer yetu) wakati inductor iko karibu 10cm kutoka kwa waya, kwa hivyo, itahitaji ukuzaji. Ili kufanya hivyo, tumetumia kipaza sauti maarufu cha LM324 Op-Amp kukuza ishara na faida ya 100 katika usanidi usiobadilisha hatua 2 za kukuza ili kuhakikisha kupata ishara nzuri inayoweza kusomwa ya analog kwa umbali zaidi ya 10cm katika pato la sensor. Nakala hii hutoa habari muhimu kuhusu Op-Amps kwa ujumla. Pia, unaweza kuangalia data ya LM324. Hapa kuna muundo wa mzunguko wa kipaza sauti cha LM324: Op-Amp katika usanidi usiobadilisha (picha ya nje)

Kutumia equation kwa usanidi wa faida usiobadilisha, Av = 1 + R2 / R1. Kuweka R1 hadi 10KOhms na R2 hadi 1MOhms itatoa faida ya 100, ambayo iko ndani ya vipimo vinavyohitajika. Ili roboti iweze kugundua waya wa mzunguko katika mwelekeo tofauti, inafaa zaidi kuwa na sensor zaidi ya moja imewekwa juu yake. Sensorer zaidi kwenye roboti, itakuwa bora kugundua waya wa mpaka. Kwa mafunzo haya, na kwa kuwa LM324 ni kipaza sauti cha quad-op (hii inamaanisha kuwa Chip moja ya LM324 ina viboreshaji 4 tofauti), tutatumia sensorer mbili za kugundua kwenye ubao. Hii inamaanisha kutumia nyaya mbili za LC na kila moja itakuwa na hatua 2 za kukuza. Kwa hivyo, Chip moja tu ya LM324 inahitajika.

Hatua ya 6: Schematic na Prototyping

Kama tulivyojadili hapo juu, mpango wa bodi ya sensorer ni sawa mbele. Inaundwa na nyaya 2 za LC, Chip moja ya LM324 na 10KOhms kadhaa na vipinga 1MOhms kuweka faida ya amplifiers.

Hapa kuna orodha ya vifaa ambavyo unaweza kutumia:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm Resistors
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm Resistors
• C1, C2: 22nF Capacitors
• IC: Kiboreshaji cha LM324N
• JP3 / JP4: 2.54mm 3-pin M / M vichwa
• Watangulizi 1, 2: 1mH *

* 1mH Inductors na kiwango cha sasa cha 420mA na sababu ya Q ya 40 252kHz inapaswa kufanya kazi vizuri. Tumeongeza vituo vya screw kama inductor inaongoza kwa skimu ili inductors (na risasi zinazouzwa kwa waya) kuwekwa kwenye maeneo rahisi kwenye roboti. Kisha, waya (za inductors) zitaunganishwa na vituo vya screw. Pini za Out1 na Out2 zinaweza kushikamana moja kwa moja na pini za pembejeo za analog ya microcontroller. Kwa mfano, unaweza kutumia Bodi ya Arduino UNO au, bora, Mdhibiti wa BotBoarduino kwa unganisho rahisi zaidi kwani ina pini za analog zilizogawanywa kwa safu ya pini 3 (Signal, VCC, GND) na pia inaendana na Arduino. Chip ya LM324 itapewa nguvu kupitia 5V ya microcontroller, kwa hivyo, ishara ya analog (wimbi lililogunduliwa) kutoka kwa bodi ya sensa itatofautiana kati ya 0V na 5V kulingana na umbali kati ya inductor na waya wa mzunguko. Inductor iko karibu na waya wa mzunguko, juu ya amplitude ya wimbi la pato la mzunguko wa sensorer. Hapa ndivyo mzunguko wa sensorer unapaswa kuonekana kwenye ubao wa mkate.

Hatua ya 7: Matokeo

Kama tunavyoweza kuona katika viwambo vya skrini ya oscilloscope hapa chini, wimbi lililogunduliwa kwenye pato la mzunguko wa LC hukuzwa na kueneza kwa 5V wakati inductor iko 15cm kwa waya wa mzunguko.

Sawa kama tulivyofanya na mzunguko wa jenereta, tumeunda PCB nzuri yenye kompakt na vifaa vya shimo kwa bodi ya sensorer iliyo na nyaya mbili za tanki, kipaza sauti, na matokeo 2 ya analog. Faili zinaweza kupatikana katika sehemu ya "Faili" mwishoni mwa nakala hii.

Hatua ya 8: Msimbo wa Arduino

Nambari ya Arduino ambayo unaweza kutumia kwa jenereta ya waya ya mzunguko na sensor ni rahisi sana. Kwa kuwa pato la bodi ya sensorer ni ishara mbili za analog tofauti kutoka 0V hadi 5V (moja kwa kila sensor / inductor), mfano wa AnalogRead Arduino unaweza kutumika. Unganisha tu pini mbili za pato la bodi ya sensa kwa pini mbili za pembejeo za analog na usome pini inayofaa kwa kurekebisha Mfano wa AnalogRead ya Arduino. Kutumia mfuatiliaji wa mfululizo wa Arduino, unapaswa kuona thamani ya RAW ya pini ya Analog unayotumia inatofautiana kutoka 0 hadi 1024 unapokaribia inductor kwa waya wa mzunguko.

Nambari inasoma voltage kwenye AnalogPin na inaionesha.

int analogPin = A3; // wiper potentiometer (katikati ya katikati) iliyounganishwa na pini ya analog 3 // nje inaongoza kwa ardhi na + 5V

int val = 0; // kutofautisha kuhifadhi thamani iliyosomwa

usanidi batili () {

Kuanzia Serial (9600); // kuanzisha mfululizo

}

kitanzi batili () {

val = AnalogSoma (AnalogPin); // soma pini ya kuingiza Serial.println (val); // Thamani ya utatuzi