DIY Perimeter Wire Generator at Sensor: 8 Hakbang

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:12

Ang teknolohiya ng patnubay sa wire ay malawakang ginagamit sa industriya, partikular, sa mga warehouse kung saan awtomatiko ang paghawak. Ang mga robot ay sumusunod sa isang wire loop na inilibing sa lupa. Ang isang alternating kasalukuyang ng medyo mababa ang intensity at dalas sa pagitan ng 5Kz at 40KHz dumadaloy sa wire na ito. Ang robot ay nilagyan ng mga inductive sensor, karaniwang batay sa isang tank circuit (na may dalas ng resonance na katumbas o malapit sa dalas ng nabuong alon) na sumusukat sa tindi ng electromagnetic field na malapit sa lupa. Ang isang kadena sa pagproseso (amplification, filters, paghahambing) ay ginagawang posible upang matukoy ang posisyon ng robot sa loob ng kawad. Sa mga araw na ito, ginagamit din ang perimeter / border ng wire upang lumikha ng "hindi nakikitang mga bakod" upang mapanatili ang mga alagang hayop sa loob ng mga yarda, at mga robot lawn mower sa loob ng mga zone. Gumagamit din ang LEGO ng parehong prinsipyo upang gabayan ang mga sasakyan sa mga kalsada nang hindi nakikita ng mga bisita ang anumang mga linya.

Ang tutorial na ito ay nagpapaliwanag sa isang madali at madaling maunawaan na paraan upang matulungan kang maunawaan ang teorya, disenyo, at pagpapatupad upang makagawa ng iyong sariling generator at sensor para sa isang perimeter wire. Ang mga file (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files at Arduino Sample Code) ay magagamit din para ma-download. Sa ganitong paraan, maaari mong idagdag ang tampok na pagtuklas ng wire perimeter sa iyong paboritong robot at panatilihin ito sa loob ng isang "zone" na tumatakbo.

Hakbang 1: GENERATOR

Teorya

Ang perimeter wire generator circuit ay ibabatay sa sikat na timer ng NE555. Ang NE555 o mas karaniwang tinatawag na 555 ay isang integrated circuit na ginagamit para sa timer o multivibrator mode. Ang sangkap na ito ay ginagamit pa rin ngayon dahil sa kadalian ng paggamit, mababang gastos, at katatagan. Isang bilyong yunit ang ginawa sa bawat taon. Para sa aming generator, gagamitin namin ang NE555 sa Astable na pagsasaayos. Pinapayagan ng matatag na pagsasaayos ang paggamit ng NE555 bilang isang oscillator. Ginawang posible ng dalawang resistors at isang capacitor na baguhin ang dalas ng oscillation pati na rin ang cycle ng tungkulin. Ang pag-aayos ng mga bahagi ay tulad ng ipinakita sa eskematiko sa ibaba. Bumubuo ang NE555 ng isang (magaspang) parisukat na alon na maaaring magpatakbo ng haba ng perimeter wire. Sumangguni sa datosheet ng NE555 para sa timer, mayroong isang sample circuit, pati na rin ang teorya ng operasyon (8.3.2 A-stable na operasyon). Ang Texas Instruments ay hindi lamang tagagawa ng NE555 ICs, kaya't dapat kang pumili ng isa pang maliit na tilad, siguraduhing suriin ang manu-manong ito. Inaalok namin ang magandang 555 Timer Soldering Kit na magbibigay sa iyo ng pagkakataon na maghinang ng lahat ng mga panloob na bahagi ng isang 555 timer sa isang through hole hole upang payagan kang maunawaan nang detalyado ang pagpapatakbo ng circuit na ito.

Schematic at Prototyping

Ang eskematiko na ibinigay sa manu-manong NE555 (8.3.2 A-stable na seksyon ng operasyon) ay medyo kumpleto. Ilang karagdagang mga sangkap ang naidagdag at tinalakay sa ibaba. (unang imahe)

Ang pormulang ginamit upang makalkula ang dalas ng output square wave ay

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

Ang saklaw ng dalas ng nabuong square wave ay nasa pagitan ng 32Khz at 44KHz na isang tukoy na dalas na hindi dapat makagambala sa iba pang mga malapit na aparato. Para dito, pinili namin ang Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potentiometer at C = 1.2nF. Tutulungan kami ng potentiometer na ibahin ang dalas ng output ng square wave upang tumugma sa dalas ng resonance ng LC Tank circuit na tatalakayin sa paglaon. Ang teoretikal na pinakamababa at pinakamataas na halaga ng dalas ng output ay ang mga sumusunod na kinakalkula ng formula (1): Pinakamababang halaga ng dalas: fL = 1.44 / ((3.3 + 2 * (12 + 4.7)) * 1.2 * 10 ^ (- 9)) ≈32 698Hz

Pinakamataas na halaga ng dalas: fH = 1.44 / ((3.3 + 2 * (12 + 0)) * 1.2 * 10 ^ (- 9)) ≈ 43 956Hz

Dahil na ang 4.7KOhms potentiometer ay hindi kailanman makakakuha ng 0 o 4.7, ang saklaw ng dalas ng output ay mag-iiba mula sa paligid ng 33.5Khz hanggang 39Khz. Narito ang kumpletong eskematiko ng generator circuit. (pangalawang imahe)

Tulad ng nakikita mo sa eskematiko, ilang mga karagdagang bahagi ang naidagdag at tatalakayin sa ibaba. Narito ang kumpletong BOM:

• R1: 3.3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (Kasalukuyang nililimitahan ang risistor): 47 Ohms (kailangang medyo malaki upang matanggal ang init na may 2W na rating ng kuryente ay dapat sapat)
• R4: 4.7 KOhm potentiometer
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF din ang gagawa ng trabaho)
• C5: 1uF
• J1: 2.5mm center positibong konektor ng bariles (5-15V DC)
• J2: Screw terminal (dalawang posisyon)
• IC1: NE555 Precision Timer

Ang mga karagdagang bahagi na idinagdag sa eskematiko ay may kasamang Isang bareng jack (J1) para sa madaling koneksyon sa isang wall adapter (12V) at isang terminal ng tornilyo (12) upang maginhawang kumonekta sa perimeter wire. Perimeter Wire: Tandaan na kung mas mahaba ang perimeter wire, mas maraming mga degrade ng signal. Sinubukan namin ang pag-setup na may halos 100 'ng 22 gauge multi-strand wire (naipit sa lupa na taliwas sa inilibing). Power Supply: Ang isang 12V wall adapter ay hindi kapani-paniwalang karaniwan, at ang anumang kasalukuyang rating sa itaas 500mA ay dapat na gumana nang maayos. Maaari ka ring pumili ng 12V lead acid o 11.1V LiPo upang mapanatili ito sa loob ng kaso, ngunit tiyaking i-weatherproof ito at patayin ito kapag hindi ginagamit. Narito ang ilang mga bahagi na inaalok namin na maaaring kailanganin mo kapag nagtatayo ng generator circuit:

• 2.1mm Barrel Jack sa terminal o ito 2.1mm Barrel Jack Adapter - Tugma sa Breadboard
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Solderless Breadboard
• 65 x 22 Gauge Assortadong Jumper Wires
• DFRobot Resistor Kit
• SparkFun Capacitor Kit
• 12VDC 3A Wall Adapter Power Supply

Narito kung ano ang dapat magmukhang circuit circuit sa isang breadboard (pangatlong imahe)

Hakbang 2: Mga Resulta

Tulad ng ipinakita sa screenshot sa oscilloscope sa ibaba ng output ng generator ng circuit (kinuha sa Micsig 200 MHz 1 GS / s 4 Channels Tablet Oscilloscope), maaari nating makita ang isang (magaspang) square wave na may dalas na 36.41KHz at isang amplitude ng 11.8V (gamit ang isang 12V power adapter). Ang dalas ay maaaring iba-iba nang bahagya sa pamamagitan ng pagsasaayos ng R4 potentiometer.

Ang isang solderless breadboard ay bihirang kailanman isang pangmatagalang solusyon at pinakamahusay na ginagamit upang lumikha ng isang mabilis na prototype. Samakatuwid, pagkatapos na kumpirmahin na ang generator circuit ay gumagana tulad ng nararapat, na bumubuo ng isang square wave na may saklaw na dalas na 33.5Khz at 40KHz (variable sa pamamagitan ng R4 pot), dinisenyo namin ang isang PCB (24mmx34mm) lamang sa PTH (Plated-through Hole) mga bahagi upang gawin itong isang magandang maliit na square wave generator board. Dahil ang mga through-hole na bahagi ay ginamit para sa prototyping gamit ang isang breadboard, ang PCB ay maaari ding gumamit ng mga through-hole na mga bahagi (sa halip na ang mount mount), at pinapayagan ang madaling pag-solder sa pamamagitan ng kamay. Ang pagkakalagay ng mga bahagi ay hindi eksakto, at malamang na makahanap ka ng lugar para sa pagpapabuti. Ginawa naming magagamit ang mga file ng Eagle at Gerber para sa pag-download upang makagawa ka ng iyong sariling PCB. Ang mga file ay matatagpuan sa seksyong "Mga File" sa pagtatapos ng artikulong ito. Narito ang ilang mga tip kapag nagdidisenyo ng iyong sariling board: Gawin ang konektor ng bariles at terminal ng tornilyo sa parehong bahagi ng pisara Ilagay ang mga sangkap na medyo malapit sa bawat isa at i-minimize ang mga bakas / haba. Magkaroon ng mga butas na nakakabit na isang karaniwang diameter, at matatagpuan sa isang madaling magparami ng rektanggulo.

Hakbang 3: Pag-install ng Wire

Kaya kung paano i-install ang kawad? Sa halip na ilibing ito, pinakamadaling gamitin lamang ang mga peg upang mapanatili itong nasa lugar. Malaya kang gumamit ng anumang nais mong mapanatili ang kawad sa lugar, ngunit pinakamahusay na gumagana ang plastik. Ang isang pack ng 50 pegs na ginamit para sa robot lawn mowers ay may gawi na mura. Kapag inilalagay ang kawad, tiyaking magkatugma ang parehong dulo sa parehong lokasyon upang kumonekta sa generator board sa pamamagitan ng terminal ng tornilyo.

Hakbang 4: Paglaban sa Panahon

Dahil ang system ay malamang na maiiwan sa labas upang magamit sa labas. Ang perimeter wire ay nangangailangan ng isang lumalaban sa panahon na patong, at ang generator circuit mismo na nakalagay sa isang hindi tinatagusan ng tubig na kaso. Maaari mong gamitin ang cool na Enclosure na ito upang maprotektahan ang generator mula sa ulan. Hindi lahat ng kawad ay nilikha pantay. Kung balak mong iwanan ang kawad, siguraduhing mamuhunan sa tamang kawad, halimbawa, ang Robomow 300 'Perimeter Wire Shielding na hindi lumalaban sa UV / water ay mabilis na masisira sa paglipas ng panahon at magiging malutong.

Hakbang 5: Sensor

Teorya

Ngayon na binuo namin ang generator circuit at tiyaking tumatakbo ito tulad ng inaasahan, oras na upang magsimulang mag-isip tungkol sa kung paano makitang ang signal na dumaan sa kawad. Para rito, inaanyayahan ka naming basahin ang tungkol sa LC Circuit, na tinatawag ding Tank Circuit o Tuned Circuit. Ang isang LC circuit ay isang de-koryenteng circuit batay sa isang Inductor / Coil (L) at isang capacitor (C) na nakakonekta sa parallel. Ginagamit ang circuit na ito sa mga filter, tuner, at frequency mixer. Dahil dito, karaniwang ginagamit ito sa mga wireless broadcast transmissions para sa parehong pag-broadcast at pagtanggap. Hindi namin pupunta sa mga detalye ng teoretikal tungkol sa mga circuit ng LC, ngunit ang pinakamahalagang bagay na dapat tandaan upang maunawaan ang sensor circuit na ginamit sa artikulong ito, ang magiging formula para sa pagkalkula ng dalas ng resonance ng isang LC circuit, na katulad ng:

f0 = 1 / (2 * π * √ (L * C))

Kung saan ang L ay ang halaga ng inductance ng coil sa H (Henry) at C ay ang halaga ng capacitance ng capacitor sa F (Farads). Upang matukoy ng sensor ang signal ng 34kHz-40Khz na tumatakbo sa kawad, ang tank circuit na ginamit namin ay dapat magkaroon ng frequency ng resonance sa saklaw na ito. Pinili namin ang L = 1mH at C = 22nF upang makakuha ng dalas ng resonance na 33 932Hz na kinakalkula gamit ang formula (2). Ang amplitude ng signal na nakita ng aming tank circuit ay medyo maliit (isang maximum na 80mV kapag sinubukan namin ang aming circuit circuit) kapag ang inductor ay nasa 10cm mula sa kawad, samakatuwid, kakailanganin nito ng ilang amplification. Upang magawa ito, ginamit namin ang tanyag na LM324 Op-Amp amplifier upang palakasin ang signal na may nakuha na 100 sa isang di-inverting na pagsasaayos ng 2 yugto na pag-amplify upang matiyak na makakuha ng isang magandang mabasa na analog signal sa mas malaking distansya kaysa sa 10cm sa output ng sensor. Nagbibigay ang artikulong ito ng kapaki-pakinabang na impormasyon tungkol sa Op-Amps sa pangkalahatan. Gayundin, maaari kang tumingin sa datasheet ng LM324. Narito ang isang tipikal na iskema ng circuit ng isang LM324 amplifier: Op-Amp sa hindi pag-inververt na pagsasaayos (pabalik na imahe)

Gamit ang equation para sa isang hindi pagsasaalang-alang na pagkakaroon ng pagsasaayos, Av = 1 + R2 / R1. Ang pagtatakda ng R1 hanggang 10KOhms at R2 sa 1MOhms ay magbibigay ng isang nakuha na 100, na nasa loob ng nais na detalye. Upang matukoy ng robot ang perimeter wire sa iba't ibang mga oryentasyon, mas angkop na magkaroon ng higit sa isang sensor na naka-install dito. Ang mas maraming mga sensor sa robot, mas mahusay na ito ay tuklasin ang wire ng hangganan. Para sa tutorial na ito, at dahil ang LM324 ay isang quad-op amplifier (nangangahulugan ito na ang isang LM324 chip ay may 4 na magkakahiwalay na amplifier), gagamit kami ng dalawang sensor ng pagtuklas sa board. Nangangahulugan ito ng paggamit ng dalawang LC circuit at ang bawat isa ay magkakaroon ng 2 yugto ng amplification. Samakatuwid, isang LM324 chip lamang ang kinakailangan.

Hakbang 6: Schematic at Prototyping

Tulad ng tinalakay sa itaas, ang eskematiko para sa sensor board ay medyo tuwid. Ito ay binubuo ng 2 LC circuit, isang LM324 chip at isang pares ng 10KOhms at 1MOhms resistors upang maitakda ang mga nakuha ng mga amplifier.

Narito ang isang listahan ng mga bahagi na maaari mong gamitin:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm Resistors
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm Resistors
• C1, C2: 22nF Mga Capacitor
• IC: LM324N amplifier
• JP3 / JP4: 2.54mm 3-pin M / M na mga header
• Mga Inductor 1, 2: 1mH *

* 1mH Inductors na may kasalukuyang rating na 420mA at isang Q factor na 40 252kHz ay dapat na gumana nang maayos. Nagdagdag kami ng mga terminal ng tornilyo dahil ang inductor ay humahantong sa eskematiko upang ang mga inductor (na may mga lead na solder sa mga wire) ay mailagay sa mga maginhawang lokasyon sa robot. Pagkatapos, ang mga wire (ng mga inductors) ay makakonekta sa mga terminal ng tornilyo. Ang mga Out1 at Out2 na pin ay maaaring direktang konektado sa mga analog input pin ng isang microcontroller. Halimbawa, maaari kang gumamit ng isang Arduino UNO Board o, mas mabuti, isang BotBoarduino Controller para sa isang mas maginhawang koneksyon dahil mayroon itong mga analog na pin na nasira sa isang hilera ng 3 mga pin (Signal, VCC, GND) at ito rin ay tumutugma sa Arduino. Ang LM324 chip ay papatakbo sa pamamagitan ng 5V ng microcontroller, samakatuwid, ang analog signal (napansin na alon) mula sa sensor board ay magkakaiba sa pagitan ng 0V at 5V depende sa distansya sa pagitan ng inductor at ng perimeter wire. Ang mas malapit na inductor ay sa perimeter wire, mas mataas ang amplitude ng sensor circuit output wave. Narito kung ano ang dapat magmukhang sensor circuit sa isang breadboard.

Hakbang 7: Mga Resulta

Tulad ng nakikita natin sa mga screenshot ng oscilloscope sa ibaba, ang napansin na alon sa output ng LC circuit ay pinalakas at nababad sa 5V kapag ang inductor ay nasa 15cm sa perimeter wire.

Katulad ng ginawa namin sa generator circuit, nag-disenyo kami ng magandang compact PCB na may mga through-hole na bahagi para sa sensor board na may dalawang circuit ng tank, isang amplifier, at 2 analog output. Ang mga file ay matatagpuan sa seksyong "Mga File" sa pagtatapos ng artikulong ito.

Hakbang 8: Arduino Code

Ang Arduino code na maaari mong gamitin para sa iyong perimeter wire generator at ang sensor ay napaka-simple. Tulad ng output ng sensor board ay dalawang analog signal na nag-iiba mula 0V hanggang 5V (isa para sa bawat sensor / inductor), maaaring magamit ang halimbawa ng AnalogRead Arduino. Ikonekta lamang ang dalawang mga output pin ng sensor board sa dalawang analog input pin at basahin ang naaangkop na pin sa pamamagitan ng pagbabago ng Halimbawa ng Arduino AnalogRead. Gamit ang serial monitor ng Arduino, dapat mong makita ang isang RAW na halaga ng ginagamit mong analog pin na nag-iiba mula 0 hanggang 1024 habang papalapit ka sa inductor sa perimeter wire.

Binabasa ng code ang boltahe sa analogPin at ipinapakita ito.

int analogPin = A3; // potentiometer wiper (gitnang terminal) na konektado sa analog pin 3 // sa labas ay humahantong sa lupa at + 5V

int val = 0; // variable upang maiimbak ang binasang halaga

walang bisa ang pag-setup () {

Serial.begin (9600); // setup serial

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // basahin ang input pin Serial.println (val); // halaga ng pag-debug