DIY պարագծային մետաղալարերի գեներատոր և տվիչ `8 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:47

Հաղորդալարերի ուղղորդման տեխնոլոգիան լայնորեն կիրառվում է արդյունաբերության մեջ, մասնավորապես `պահեստներում, որտեղ բեռնաթափումն ավտոմատացված է: Ռոբոտները գնում են գետնի մեջ թաղված մետաղալարով: Այս լարով հոսում է համեմատաբար ցածր ինտենսիվության և հաճախականության 5Kz- ից 40KHz- ի միջև փոփոխական հոսանք: Ռոբոտը հագեցած է ինդուկտիվ սենսորներով, որոնք սովորաբար հիմնված են տանկի սխեմայի վրա (ռեզոնանսային հաճախականությամբ հավասար կամ մոտ առաջացած ալիքի հաճախականությանը), որը չափում է գետնին մոտ էլեկտրամագնիսական դաշտի ինտենսիվությունը: Մշակման շղթան (ուժեղացում, զտիչներ, համեմատություն) հնարավորություն է տալիս որոշել ռոբոտի դիրքը մետաղալարի ներսում: Այս օրերին պարագծային/սահմանային մետաղալարն օգտագործվում է նաև «անտեսանելի ցանկապատեր» ստեղծելու համար ՝ ընտանի կենդանիներին բակերում պահելու համար, իսկ ռոբոտ -խոտհնձիչներ ՝ գոտիներում: LEGO- ն նաև օգտագործում է նույն սկզբունքը ՝ տրանսպորտային միջոցներն ուղղորդելու ճանապարհներով ՝ առանց այցելուների որևէ տող տեսնելու:

Այս ձեռնարկը բացատրում է հեշտ և ինտուիտիվ կերպով, որը կօգնի ձեզ հասկանալ տեսությունը, դիզայնը և իրականացումը `ձեր սեփական գեներատորը և սենսորը պարագծային մետաղալարերի համար պատրաստելու համար: Ֆայլերը (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files և Arduino Sample Code) նույնպես հասանելի են ներբեռնման համար: Այս կերպ, դուք կարող եք ավելացնել մետաղալարերի պարագծի հայտնաբերման հնարավորությունը ձեր նախընտրած ռոբոտին և պահել այն գործող «գոտում»:

Քայլ 1. Գեներատոր

Տեսություն

Պարագծային մետաղալարերի գեներատորի սխեման հիմնված կլինի հայտնի NE555 ժմչփի վրա: NE555 կամ ավելի հաճախ 555 կոչվող ինտեգրալ միացում է, որն օգտագործվում է ժմչփի կամ բազմատեսակ ռեժիմի համար: Այս բաղադրիչը դեռևս օգտագործվում է այսօր ՝ օգտագործման հարմարավետության, ցածր գնի և կայունության պատճառով: Տարեկան արտադրվում է մեկ միլիարդ միավոր: Մեր գեներատորի համար մենք կօգտագործենք NE555- ը Astable կոնֆիգուրացիայում: Կայուն կազմաձևը թույլ է տալիս օգտագործել NE555- ը որպես տատանում: Երկու դիմադրիչ և կոնդենսատորը հնարավորություն են տալիս փոփոխել տատանումների հաճախականությունը, ինչպես նաև աշխատանքային ցիկլը: Բաղադրիչների դասավորությունը ներկայացված է ստորև ներկայացված սխեմատիկայում: NE555- ը առաջացնում է (կոպիտ) քառակուսի ալիք, որը կարող է անցնել պարագծային լարերի երկարությունը: Reամաչափի համար նախատեսված NE555 տվյալների թերթին հղում կատարելով ՝ կա օրինակելի միացում, ինչպես նաև շահագործման տեսություն (8.3.2 A- կայուն գործողություն): Texas Instruments- ը NE555 IC- ների միակ արտադրողը չէ, այնպես որ, եթե այլ չիպ եք ընտրում, անպայման ստուգեք դրա ձեռնարկը: Մենք առաջարկում ենք այս գեղեցիկ 555 ժամաչափի զոդման հավաքածուն, որը ձեզ հնարավորություն կտա 555 ժմչփի բոլոր ներքին բաղադրիչները միացնել անցքերի փաթեթում `թույլ տալով ձեզ մանրամասն հասկանալ այս սխեմայի աշխատանքը:

Սխեմատիկ և նախատիպային ձևավորում

NE555 ձեռնարկում (8.3.2 A- կայուն շահագործման բաժնում) ներկայացված սխեմատիկ պատկերը բավականին ամբողջական է: Մի քանի լրացուցիչ բաղադրիչ ավելացվեցին և քննարկվեցին ստորև: (առաջին պատկերը)

Ելքային քառակուսի ալիքի հաճախականությունը հաշվարկելու համար օգտագործվող բանաձևն է

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

Ստեղծված քառակուսի ալիքի հաճախականությունների տիրույթը կլինի 32 ԿՀց -ից մինչև 44 ԿՀց, ինչը հատուկ հաճախականություն է, որը չպետք է միջամտի այլ սերտ սարքերի հետ: Դրա համար մենք ընտրել ենք Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms պոտենցիոմետր և C = 1.2nF: Պոտենցիոմետրը կօգնի մեզ փոփոխել քառակուսի ալիքի ելքի հաճախականությունը `համապատասխանելու LC տանկային սխեմայի ռեզոնանսային հաճախականությանը, որը հետագայում կքննարկվի: Ելքային հաճախականության տեսականորեն ամենացածր և ամենաբարձր արժեքը հետևյալն է `հաշվարկված բանաձևով (1). Հաճախականության ամենացածր արժեքը` fL = 1.44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) ≈32 698 Հց

Ամենաբարձր հաճախականության արժեքը `fH = 1.44 / ((3.3+2*(12+0))*1.2*10^(-9)) ≈ 43 956 Հց

Քանի որ 4.7KOhms պոտենցիոմետրը երբեք չի հասնում 0 -ի կամ 4.7 -ի, ելքային հաճախականությունների միջակայքը կտատանվի 33.5Khz- ից մինչև 39Khz- ի սահմաններում: Ահա գեներատորի սխեմայի ամբողջական սխեման: (երկրորդ պատկերը)

Ինչպես տեսնում եք սխեմատիկայում, մի քանի լրացուցիչ բաղադրիչներ ավելացվեցին և կքննարկվեն ստորև: Ահա ամբողջական BOM- ը.

• R1: 3.3 Կմ
• R2: 12 KOhms
• R3 (Ընթացիկ սահմանափակող ռեզիստոր). 47 Օմ (բավականաչափ մեծ պետք է լինի, որպեսզի 2W հզորության հզորությամբ ջերմությունը ցրվի)
• R4: 4.7 ԿՕմ պոտենցիոմետր
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF- ը նույնպես կանի աշխատանքը)
• C5: 1uF
• J1: 2.5 մմ կենտրոնական բարելի միակցիչ (5-15V DC)
• J2. Պտուտակային տերմինալ (երկու դիրք)
• IC1: NE555 ճշգրիտ ժմչփ

Սխեմատիկային ավելացված լրացուցիչ մասերը ներառում են տակառ (J1) պատի ադապտորին (12V) հեշտությամբ միացնելու և պտուտակային տերմինալ (12) ՝ պարագծային մետաղալարին հարմար միացնելու համար: Պարագծային մետաղալար. Նկատի ունեցեք, որ որքան երկար է պարագծային մետաղալարը, այնքան ավելի է վատթարանում ազդանշանը: Մենք փորձարկեցինք տեղադրումը մոտ 100 '22 չափիչ բազմաշերտ մետաղալարով (ամրացված է գետնին, ի տարբերություն թաղվածի): Էներգամատակարարում. 12 Վ պատի ադապտեր անհավանականորեն տարածված է, և 500 մԱ -ից բարձր ցանկացած ընթացիկ գնահատական պետք է լավ աշխատի: Կարող եք նաև ընտրել 12V կապարի թթու կամ 11.1V LiPo ՝ այն պատյանում պահելու համար, բայց համոզվեք, որ այն կանխում եք եղանակից և անջատում այն, երբ այն չի օգտագործվում: Ահա որոշ մասեր, որոնք մենք առաջարկում ենք, որոնք կարող են անհրաժեշտ լինել գեներատորի միացում կառուցելիս.

• 2.1 մմ տակառ Jack դեպի տերմինալ կամ այս 2.1mm Barrel Jack Adapter - Breadboard Compatible
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Solderless Breadboard
• 65 x 22 չափիչ ցատկող լարերի տեսականի
• DFRobot Resistor Kit
• SparkFun կոնդենսատորի հավաքածու
• 12VDC 3A Պատի ադապտեր Էներգամատակարարում

Ահա, թե ինչպիսին պետք է լինի գեներատորի սխեման հացահատիկի վրա (երրորդ պատկեր)

Քայլ 2: Արդյունքներ

Ինչպես երևում է գեներատորային սխեմայի ելքի ստորև ներկայացված օսլիլոսկոպի սքրինշոթում (վերցված է Micsig 200 ՄՀց 1 ԳՍ/վ 4 ալիքներով պլանշետային օսլիոսկոպով), մենք կարող ենք տեսնել (կոպիտ) քառակուսի ալիք ՝ 36,41 ԿՀց հաճախականությամբ և ամպլիտուդով 11.8V (օգտագործելով 12V հոսանքի ադապտեր): Հաճախականությունը կարող է փոքր -ինչ փոփոխվել `կարգավորելով R4 պոտենցիոմետրը:

Առանց զոդման տախտակը հազվադեպ է լինում երկարաժամկետ լուծում և լավագույնս օգտագործվում է արագ նախատիպ ստեղծելու համար: Հետևաբար, հաստատելուց հետո, որ գեներատորի սխեման աշխատում է այնպես, ինչպես պետք է ՝ առաջացնելով 33,5 ԿՀց և 40 ԿՀց հաճախականությունների տիրույթով քառակուսի ալիք (փոփոխական R4 կաթսայի միջոցով), մենք նախագծել ենք PCB (24 մմ x 34 մմ) միայն PTH- ով (սալիկապատ անցք)) բաղադրիչներ `այն գեղեցիկ փոքր քառակուսի ալիքների գեներատոր տախտակ դարձնելու համար: Քանի որ միջանցքային բաղադրիչներն օգտագործվում էին տախտակով նախատիպավորման համար, PCB- ն կարող էր նաև օգտագործել անցքերի բաղադրիչներ (մակերեսային ամրացման փոխարեն) և թույլ է տալիս հեշտությամբ զոդել ձեռքով: Բաղադրիչների տեղադրումը ճշգրիտ չէ, և, ամենայն հավանականությամբ, կարող եք կատարելագործման տեղ գտնել: Մենք դարձրել ենք Eagle և Gerber ֆայլերը ներբեռնման համար, որպեսզի դուք կարողանաք պատրաստել ձեր սեփական PCB- ն: Ֆայլերը կարելի է գտնել սույն հոդվածի վերջում գտնվող «Ֆայլեր» բաժնում: Ահա մի քանի խորհուրդ ՝ ձեր սեփական տախտակը նախագծելիս. Տախտակի միևնույն կողմում պահեք միակցիչը և պտուտակային տերմինալը: Տեղադրեք բաղադրիչները համեմատաբար միմյանց մոտ և նվազագույնի հասցրեք հետքերը/երկարությունները: վերարտադրել ուղղանկյունը:

Քայլ 3: Լարերի տեղադրում

Այսպիսով, ինչպես տեղադրել մետաղալարերը: Այն թաղելու փոխարեն, ամենահեշտն է պարզապես ամրակներ օգտագործել այն տեղում պահելու համար: Դուք ազատ եք օգտագործել այն, ինչ ցանկանում եք, որպեսզի մետաղալարն իր տեղում լինի, բայց պլաստիկն ամենալավն է աշխատում: Ռոբոտ -խոտհնձիչ սարքերի համար օգտագործվող 50 մեխից պատրաստված փաթեթը էժան է: Մետաղալարը դնելիս համոզվեք, որ երկու ծայրերն էլ միևնույն տեղում են հանդիպում `պտուտակային տերմինալի միջոցով գեներատորի տախտակին միանալու համար:

Քայլ 4: Եղանակի դիմադրություն

Քանի որ համակարգը, ամենայն հավանականությամբ, դրսում կմնա բացօթյա օգտագործման համար: Պարագծային մետաղալարին անհրաժեշտ է եղանակին դիմացկուն ծածկույթ, իսկ գեներատորի սխեման ինքնին գտնվում է անջրանցիկ պատյանում: Դուք կարող եք օգտագործել այս զով պարիսպը `գեներատորը անձրևից պաշտպանելու համար: Ոչ բոլոր մետաղալարերն են ստեղծված հավասար: Եթե պլանավորում եք թողնել մետաղալարը, համոզվեք, որ ներդրումներ կատարեք ճիշտ մետաղալարի մեջ, օրինակ ՝ այս Robomow 300 'Perimeter Wire Shielding- ը, որը ուլտրամանուշակագույն / ջրի դիմացկուն չէ, ժամանակի ընթացքում արագորեն կքայքայվի և կդառնա փխրուն:

Քայլ 5: Սենսոր

Տեսություն

Այժմ, երբ մենք կառուցել ենք գեներատորի սխեման և համոզվել, որ այն գործում է այնպես, ինչպես ենթադրում էր, ժամանակն է սկսել մտածել, թե ինչպես կարելի է հայտնաբերել մետաղալարով անցնող ազդանշանը: Դրա համար մենք հրավիրում ենք ձեզ կարդալ LC սխեմայի մասին, որը նաև կոչվում է Tank Circuit կամ Tuned Circuit: LC միացումն էլեկտրական միացում է, որը հիմնված է ինդուկտորի/կծիկի (L) և զուգահեռաբար միացված կոնդենսատորի վրա: Այս սխեման օգտագործվում է ֆիլտրերի, կարգավորիչների և հաճախականության խառնիչների մեջ: Հետևաբար, այն սովորաբար օգտագործվում է անլար հեռարձակման մեջ ինչպես հեռարձակման, այնպես էլ ընդունման համար: Մենք չենք մտնի LC սխեմաների վերաբերյալ տեսական մանրամասների մեջ, բայց ամենակարևորը, որ պետք է հաշվի առնել ՝ սույն հոդվածում օգտագործվող սենսորային սխեման հասկանալու համար, LC սխեմայի ռեզոնանսային հաճախականության հաշվարկման բանաձևն է, որը հետևյալն է.

f0 = 1/(2*π*√ (L*C))

Որտեղ L- ը կծիկի H (Հենրի) ինդուկտիվության արժեքն է, իսկ C- ը F (Farads) կոնդենսատորի հզորության արժեքը: Որպեսզի սենսորը կարողանա հայտնաբերել 34kHz-40Khz ազդանշանը, որը անցնում է մետաղալարով, մեր օգտագործած տանկային սխեման պետք է ունենա ռեզոնանսային հաճախականություն այս տիրույթում: Մենք ընտրեցինք L = 1mH և C = 22nF ՝ 33 932Hz ռեզոնանսային հաճախականություն ստանալու համար, որը հաշվարկվում է բանաձևով (2): Մեր տանկի սխեմայի կողմից հայտնաբերված ազդանշանի ամպլիտուդը կլինի համեմատաբար փոքր (առավելագույնը 80 մՎ, երբ մենք ստուգեցինք մեր սենսորային սխեման), երբ ինդուկտորը մետաղալարից մոտ 10 սմ հեռավորության վրա է, հետևաբար, այն որոշակի ուժեղացման կարիք կունենա: Դա անելու համար մենք օգտագործել ենք հանրաճանաչ LM324 Op-Amp ուժեղացուցիչը ՝ չշրջվող կազմաձևում 100-ով ազդանշանը ուժեղացնելու համար ՝ 2 փուլով ուժեղացում ՝ համոզվելու համար, որ 10 սմ-ից ավելի հեռավորության վրա կստանաք գեղեցիկ ընթերցվող անալոգային ազդանշան: սենսորի ելքը: Այս հոդվածը օգտակար տեղեկություններ է տալիս ընդհանրապես Op-Amps- ի մասին: Բացի այդ, կարող եք դիտել LM324- ի տվյալների թերթիկը: Ահա LM324 ուժեղացուցիչի տիպիկ սխեմայի սխեմա.

Օգտագործելով հավասարումը ոչ հետադարձ շահույթի կոնֆիգուրացիայի համար, Av = 1+R2/R1: R1- ը 10KOhms- ի և R2- ի 1MOhms- ի սահմանումը կապահովի 100 շահույթ, ինչը ցանկալի ճշգրտման սահմաններում է: Որպեսզի ռոբոտը կարողանա տարբեր ուղղություններով հայտնաբերել պարագծային մետաղալարը, ավելի նպատակահարմար է դրա վրա տեղադրել մեկից ավելի սենսորներ: Որքան ավելի շատ սենսորներ լինեն ռոբոտի վրա, այնքան ավելի լավ կբացահայտի սահմանային մետաղալարը: Այս ձեռնարկի համար, և քանի որ LM324- ը քառակի ուժեղացուցիչ է (սա նշանակում է, որ մեկ LM324 չիպը ունի 4 առանձին ուժեղացուցիչ), մենք տախտակի վրա կօգտագործենք երկու հայտնաբերող տվիչ: Սա նշանակում է օգտագործել երկու LC սխեմաներ և յուրաքանչյուրը կունենա ուժեղացման 2 փուլ: Հետեւաբար, անհրաժեշտ է ընդամենը մեկ LM324 չիպ:

Քայլ 6: Սխեմատիկ և նախատիպավորում

Ինչպես վերը քննարկեցինք, սենսորային տախտակի սխեման բավականին պարզ է: Այն բաղկացած է 2 LC սխեմաներից, մեկ LM324 չիպից և մի քանի 10KOhms և 1MOhms ռեզիստորներից `ուժեղացուցիչների շահույթը սահմանելու համար:

Ահա այն բաղադրիչների ցանկը, որոնք կարող եք օգտագործել.

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm դիմադրիչներ
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm դիմադրիչներ
• C1, C2: 22nF կոնդենսատորներ
• IC: LM324N ուժեղացուցիչ
• JP3 / JP4: 2.54 մմ 3-պին M / M վերնագրեր
• Ինդուկտորներ 1, 2: 1 մՀ*

* 1mH ինդուկտորներ, որոնց ընթացիկ գնահատականը 420 մԱ է և Q գործակից ՝ 40 252 կՀց, պետք է լավ աշխատեն: Մենք ավելացրել ենք պտուտակավոր տերմինալներ, քանի որ ինդուկտորը տանում է դեպի սխեմա, որպեսզի ինդուկտորները (լարերին զոդված) տեղադրվեն ռոբոտի հարմար վայրերում: Այնուհետեւ, լարերը (ինդուկտորների) միացված կլինեն պտուտակային տերմինալներին: Out1 և Out2 կապումներն ուղղակիորեն կարող են միացված լինել միկրոկոնտրլերի անալոգային մուտքային կապումներին: Օրինակ, ավելի հարմար կապի համար կարող եք օգտագործել Arduino UNO Board- ը կամ, ավելի լավ, BotBoarduino Controller- ը, քանի որ այն ունի անալոգային կապիչներ, որոնք ճեղքվել են 3 կապից (Signal, VCC, GND) շարքում և համատեղելի է նաև Arduino- ի հետ: LM324 չիպը սնուցվելու է միկրոկառավարիչի 5 Վ -ով, հետևաբար, սենսորային տախտակից անալոգային ազդանշանը (հայտնաբերված ալիքը) կտատանվի 0 Վ -ից մինչև 5 Վ -ի միջև ՝ կախված ինդուկտորի և պարագծային լարերի միջև եղած հեռավորությունից: Որքան մոտ է ինդուկտորը պարագծային լարին, այնքան բարձր է սենսորային շղթայի ելքային ալիքի ամպլիտուդը: Ահա, թե ինչպիսին պետք է լինի սենսորային սխեման հացահատիկի վրա:

Քայլ 7: Արդյունքներ

Ինչպես տեսնում ենք ստորև տատանումների սքրինշոթերում, LC շղթայի ելքի վրա հայտնաբերված ալիքն ուժեղանում և հագեցած է 5 Վ լարման դեպքում, երբ ինդուկտորը պարագծային մետաղալարից գտնվում է 15 սմ հեռավորության վրա:

Նույնը, ինչ մենք արեցինք գեներատորի սխեմայի դեպքում, մենք նախագծեցինք գեղեցիկ կոմպակտ PCB սենսորային տախտակի համար երկու տանկային սխեմաներով, ուժեղացուցիչով և 2 անալոգային ելքով: Ֆայլերը կարելի է գտնել սույն հոդվածի վերջում գտնվող «Ֆայլեր» բաժնում:

Քայլ 8: Arduino կոդ

Arduino կոդը, որը կարող եք օգտագործել ձեր պարագծային մետաղալարերի գեներատորի և սենսորի համար, շատ պարզ է: Քանի որ սենսորային տախտակի ելքը երկու անալոգային ազդանշան է `0V- ից մինչև 5V (մեկը յուրաքանչյուր սենսորի/ինդուկտորի համար), կարող է օգտագործվել AnalogRead Arduino- ի օրինակը: Պարզապես միացրեք սենսորային տախտակի երկու ելքային կապում երկու անալոգային մուտքային կապում և կարդացեք համապատասխան քորոցը ՝ փոփոխելով Arduino AnalogRead Օրինակ- ը: Arduino- ի սերիական մոնիտորի միջոցով դուք պետք է տեսնեք, որ անալոգային քորոցի RAW արժեքը տատանվում է 0 -ից մինչև 1024 -ի, երբ մոտենում եք ինդուկտորին դեպի պարագծային մետաղալար:

Կոդը կարդում է analogPin- ի լարումը և ցուցադրում այն:

int analogPin = A3; // պոտենցիոմետր մաքրիչ (միջին տերմինալ), որը միացված է անալոգային կապին 3 // դրսից տանում է դեպի գետնին և +5V

int val = 0; // փոփոխական ՝ ընթերցված արժեքը պահելու համար

void setup () {

Serial.begin (9600); // կարգաբերման սերիա

}

դատարկ շրջան () {

val = analogRead (analogPin); // կարդալ մուտքագրման քորոց Serial.println (val); // կարգաբերման արժեք