Bộ tạo và cảm biến dây chu vi tự làm: 8 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Công nghệ dẫn hướng dây được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp, đặc biệt, trong các nhà kho, nơi việc xử lý được tự động hóa. Các robot đi theo một vòng dây được chôn trong đất. Dòng điện xoay chiều có cường độ và tần số tương đối thấp từ 5Kz đến 40KHz chạy trong dây này. Robot được trang bị các cảm biến cảm ứng, thường dựa trên một mạch bể (có tần số cộng hưởng bằng hoặc gần với tần số của sóng tạo ra) để đo cường độ của trường điện từ gần mặt đất. Một chuỗi xử lý (khuếch đại, bộ lọc, so sánh) giúp xác định vị trí của robot bên trong dây. Ngày nay, dây chu vi / ranh giới cũng được sử dụng để tạo "hàng rào vô hình" để giữ vật nuôi trong sân và máy cắt cỏ robot trong khu vực. LEGO cũng sử dụng nguyên tắc tương tự để hướng dẫn các phương tiện di chuyển dọc theo các con đường mà du khách không nhìn thấy bất kỳ vạch kẻ nào.

Hướng dẫn này giải thích một cách dễ dàng và trực quan để giúp bạn hiểu lý thuyết, thiết kế và cách thực hiện để tạo máy phát điện và cảm biến của riêng bạn cho dây chu vi. Các tệp (Sơ đồ, tệp Eagle, Gerbers, tệp 3D và mã mẫu Arduino) cũng có sẵn để tải xuống. Bằng cách này, bạn có thể thêm tính năng phát hiện chu vi dây vào robot yêu thích của mình và giữ nó trong "vùng" hoạt động.

Bước 1: MÁY PHÁT ĐIỆN

Học thuyết

Mạch tạo dây chu vi sẽ dựa trên bộ đếm thời gian NE555 nổi tiếng. NE555 hoặc thường được gọi là 555 là một mạch tích hợp được sử dụng cho chế độ hẹn giờ hoặc đa bộ điều khiển. Thành phần này vẫn được sử dụng cho đến ngày nay vì tính dễ sử dụng, giá thành rẻ và ổn định. Một tỷ chiếc được sản xuất mỗi năm. Đối với bộ tạo của chúng tôi, chúng tôi sẽ sử dụng NE555 ở cấu hình Astable. Cấu hình ổn định cho phép sử dụng NE555 làm bộ dao động. Hai điện trở và một tụ điện giúp nó có thể thay đổi tần số dao động cũng như chu kỳ làm việc. Sự sắp xếp của các thành phần như được hiển thị trong sơ đồ dưới đây. NE555 Tạo ra một sóng vuông (thô) có thể chạy theo chiều dài của chu vi dây. Tham khảo biểu dữ liệu NE555 cho bộ đếm thời gian, có một mạch mẫu, cũng như lý thuyết hoạt động (hoạt động ổn định A-8.3.2). Texas Instruments không phải là nhà sản xuất IC NE555 duy nhất, vì vậy nếu bạn chọn một chip khác, hãy nhớ xem hướng dẫn sử dụng của nó. Chúng tôi cung cấp Bộ hàn hẹn giờ 555 đẹp mắt này sẽ cho bạn cơ hội hàn tất cả các thành phần bên trong của bộ định thời 555 trong một gói xuyên lỗ để cho phép bạn hiểu chi tiết hoạt động của mạch này.

Sơ đồ và tạo mẫu

Sơ đồ được cung cấp trong sổ tay NE555 (phần hoạt động ổn định A-8.3.2) khá đầy đủ. Một số thành phần bổ sung đã được thêm vào và thảo luận bên dưới. (hình ảnh đầu tiên)

Công thức được sử dụng để tính tần số của sóng vuông đầu ra là

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

Dải tần số của sóng vuông được tạo ra sẽ nằm trong khoảng từ 32Khz đến 44KHz, đây là tần số cụ thể không gây nhiễu cho các thiết bị gần khác. Đối với điều này, chúng tôi đã chọn Ra = 3,3KOhms, Rb = 12KOhms + 4,7KOhms Potentiometer và C = 1,2nF. Chiết áp sẽ giúp chúng ta thay đổi tần số của đầu ra sóng vuông để phù hợp với tần số cộng hưởng của mạch LC Tank sẽ được đề cập ở phần sau. Giá trị thấp nhất và cao nhất theo lý thuyết của tần số đầu ra sẽ như sau được tính theo công thức (1): Giá trị tần số thấp nhất: fL = 1,44 / ((3,3 + 2 * (12 + 4,7)) * 1,2 * 10 ^ (- 9)) ≈32 698Hz

Giá trị tần số cao nhất: fH = 1.44 / ((3.3 + 2 * (12 + 0)) * 1.2 * 10 ^ (- 9)) ≈ 43 956Hz

Vì chiết áp 4,7KOhms không bao giờ về 0 hoặc 4,7, dải tần số đầu ra sẽ thay đổi từ khoảng 33,5Khz đến 39Khz. Đây là sơ đồ hoàn chỉnh của mạch máy phát điện. (hình ảnh thứ hai)

Như bạn có thể thấy trong giản đồ, một số thành phần bổ sung đã được thêm vào và sẽ được thảo luận bên dưới. Đây là BOM hoàn chỉnh:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (Điện trở giới hạn dòng điện): 47 Ohms (cần phải khá lớn để tản nhiệt với mức công suất 2W là đủ)
• Chiết áp R4: 4,7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1,2nF (1000pF cũng sẽ thực hiện công việc)
• C5: 1uF
• J1: Đầu nối thùng dương trung tâm 2,5mm (5-15V DC)
• J2: Đầu nối trục vít (hai vị trí)
• IC1: Bộ hẹn giờ chính xác NE555

Các bộ phận bổ sung được thêm vào sơ đồ bao gồm Giắc cắm thùng (J1) để dễ dàng kết nối với bộ chuyển đổi trên tường (12V) và đầu nối vít (12) để kết nối thuận tiện với dây chu vi. Dây chu vi: Lưu ý rằng dây chu vi càng dài, tín hiệu càng suy giảm. Chúng tôi đã thử nghiệm thiết lập với khoảng 100 'của dây nhiều sợi 22 khổ (được cắm vào đất chứ không phải chôn). Nguồn điện: Bộ chuyển đổi âm tường 12V cực kỳ phổ biến và bất kỳ định mức dòng điện nào trên 500mA sẽ hoạt động tốt. Bạn cũng có thể chọn axit chì 12V hoặc 11,1V LiPo để giữ nó trong hộp, nhưng hãy đảm bảo chống chọi với thời tiết và tắt nó khi không sử dụng. Dưới đây là một số bộ phận mà chúng tôi cung cấp mà bạn có thể cần khi xây dựng mạch máy phát điện:

• Giắc cắm thùng 2.1mm đến thiết bị đầu cuối hoặc Bộ điều hợp giắc cắm thùng 2.1mm này - Tương thích với bảng mạch
• 400 Tie Point lồng vào nhau Breadboard trong suốt không hàn
• Dây nhảy các loại 65 x 22 Gauge
• Bộ điện trở DFRobot
• Bộ tụ điện SparkFun
• Nguồn điện bộ chuyển đổi tường 12VDC 3A

Đây là mạch của máy phát điện sẽ trông như thế nào trên bảng mạch (hình ảnh thứ ba)

Bước 2: Kết quả

Như được hiển thị trong ảnh chụp màn hình máy hiện sóng dưới đây về đầu ra của mạch máy phát (được chụp bằng Máy hiện sóng máy tính bảng Micsig 200 MHz 1 GS / s 4 kênh), chúng ta có thể thấy một sóng vuông (thô) với tần số 36,41KHz và biên độ 11,8V (sử dụng bộ đổi nguồn 12V). Tần số có thể được thay đổi một chút bằng cách điều chỉnh chiết áp R4.

Một breadboard không hàn hiếm khi là một giải pháp lâu dài và được sử dụng tốt nhất để tạo ra một nguyên mẫu nhanh. Vì vậy, sau khi xác nhận rằng mạch máy phát đang hoạt động bình thường, tạo ra sóng vuông với dải tần 33.5Khz và 40KHz (biến qua nồi R4), chúng tôi đã thiết kế một PCB (24mmx34mm) chỉ với PTH (Plated-through Hole) các thành phần để làm cho nó trở thành một bo mạch tạo sóng vuông nhỏ xinh. Vì các thành phần xuyên lỗ được sử dụng để tạo mẫu với bảng mạch, nên PCB cũng có thể sử dụng các thành phần xuyên lỗ (thay vì giá đỡ bề mặt) và cho phép hàn dễ dàng bằng tay. Vị trí của các thành phần không chính xác và bạn có thể tìm thấy chỗ để cải thiện. Chúng tôi đã cung cấp các tệp Eagle và Gerber để tải xuống để bạn có thể tạo PCB của riêng mình. Các tệp có thể được tìm thấy trong phần "Tệp" ở cuối bài viết này. Dưới đây là một số mẹo khi thiết kế bo mạch của riêng bạn: Đặt đầu nối thùng và đầu nối vít ở cùng một phía của bo mạch Đặt các thành phần tương đối gần nhau và giảm thiểu dấu vết / chiều dài Các lỗ lắp đặt có đường kính tiêu chuẩn và nằm ở vị trí dễ tái tạo hình chữ nhật.

Bước 3: Lắp đặt dây

Vậy cách lắp đặt dây như thế nào? Thay vì chôn nó, đơn giản nhất là sử dụng các chốt để giữ nó ở đúng vị trí. Bạn có thể tự do sử dụng bất cứ thứ gì bạn muốn để giữ cho dây cố định, nhưng nhựa sẽ hoạt động tốt nhất. Một gói 50 chốt được sử dụng cho máy cắt cỏ robot có xu hướng không đắt. Khi đặt dây, hãy đảm bảo cả hai đầu gặp nhau ở cùng một vị trí để kết nối với bảng máy phát điện thông qua đầu nối vít.

Bước 4: Chống chịu thời tiết

Vì hệ thống rất có thể sẽ được để bên ngoài để sử dụng ngoài trời. Dây chu vi cần một lớp phủ chống chịu thời tiết và bản thân mạch máy phát điện được đặt trong một hộp chống thấm nước. Bạn có thể sử dụng Vỏ mát này để bảo vệ máy phát điện khỏi mưa. Không phải tất cả các dây được tạo ra bằng nhau. Nếu bạn định để dây ra ngoài, hãy đảm bảo đầu tư vào dây chính xác, ví dụ như Tấm chắn dây Robomow 300 'không có khả năng chống tia cực tím / nước này sẽ nhanh chóng xuống cấp theo thời gian và trở nên giòn.

Bước 5: Cảm biến

Học thuyết

Bây giờ chúng ta đã xây dựng xong mạch máy phát điện và đảm bảo rằng nó đang hoạt động đúng như mong muốn, đã đến lúc bắt đầu suy nghĩ về cách phát hiện tín hiệu đi qua dây dẫn. Về điều này, chúng tôi mời bạn đọc về Mạch LC, còn được gọi là Mạch xe tăng hoặc Mạch điều chỉnh. Mạch LC là mạch điện dựa trên cuộn cảm / cuộn dây (L) và tụ điện (C) mắc song song. Mạch này được sử dụng trong các bộ lọc, bộ chỉnh và bộ trộn tần số. Do đó, nó thường được sử dụng trong việc truyền phát sóng không dây cho cả việc phát và nhận. Chúng ta sẽ không đi sâu vào chi tiết lý thuyết liên quan đến mạch LC, nhưng điều quan trọng nhất cần ghi nhớ để hiểu mạch cảm biến được sử dụng trong bài viết này, sẽ là công thức tính tần số cộng hưởng của mạch LC, như sau:

f0 = 1 / (2 * π * √ (L * C))

Trong đó L là giá trị độ tự cảm của cuộn dây tính bằng H (Henry) và C là giá trị điện dung của tụ điện tính bằng F (Farads). Để cảm biến phát hiện tín hiệu 34kHz-40Khz chạy vào dây dẫn, mạch bể chúng tôi sử dụng nên có tần số cộng hưởng trong phạm vi này. Chúng tôi chọn L = 1mH và C = 22nF để thu được tần số cộng hưởng là 33 932Hz được tính theo công thức (2). Biên độ của tín hiệu được phát hiện bởi mạch bể của chúng tôi sẽ tương đối nhỏ (tối đa là 80mV khi chúng tôi kiểm tra mạch cảm biến của chúng tôi) khi cuộn cảm cách dây khoảng 10cm, do đó, nó sẽ cần một số khuếch đại. Để làm như vậy, chúng tôi đã sử dụng bộ khuếch đại Op-Amp LM324 phổ biến để khuếch đại tín hiệu với độ lợi 100 trong cấu hình khuếch đại 2 giai đoạn không đảo ngược để đảm bảo thu được tín hiệu tương tự dễ đọc ở khoảng cách lớn hơn 10cm trong đầu ra của cảm biến. Bài viết này cung cấp thông tin hữu ích về Op-Amps nói chung. Ngoài ra, bạn có thể xem biểu dữ liệu của LM324. Đây là sơ đồ mạch điển hình của bộ khuếch đại LM324: Op-Amp ở cấu hình không đảo (hình ảnh thứ tư)

Sử dụng phương trình cho cấu hình khuếch đại không đảo ngược, Av = 1 + R2 / R1. Đặt R1 thành 10KOhms và R2 thành 1MOhms sẽ cung cấp mức tăng 100, nằm trong thông số kỹ thuật mong muốn. Để robot có thể phát hiện dây chu vi theo các hướng khác nhau, thích hợp hơn là có nhiều hơn một cảm biến được lắp đặt trên đó. Càng nhiều cảm biến trên robot, nó sẽ phát hiện dây ranh giới càng tốt. Đối với hướng dẫn này, và vì LM324 là bộ khuếch đại quad-op (điều này có nghĩa là một chip LM324 có 4 bộ khuếch đại riêng biệt), chúng tôi sẽ sử dụng hai cảm biến phát hiện trên bảng. Điều này có nghĩa là sử dụng hai mạch LC và mỗi mạch sẽ có 2 giai đoạn khuếch đại. Do đó, chỉ cần một chip LM324.

Bước 6: Sơ đồ và tạo mẫu

Như chúng ta đã thảo luận ở trên, sơ đồ cho bảng cảm biến khá đơn giản. Nó bao gồm 2 mạch LC, một chip LM324 và một vài điện trở 10KOhms và 1MOhms để thiết lập mức tăng của bộ khuếch đại.

Dưới đây là danh sách các thành phần mà bạn có thể sử dụng:

• Điện trở R1, R3, R5, R7: 10KOhm
• Điện trở R2, R4, R6, R8: 1MOhm
• Tụ điện C1, C2: 22nF
• IC: Bộ khuếch đại LM324N
• JP3 / JP4: Tiêu đề M / M 3 chân 2,54mm
• Cuộn cảm 1, 2: 1mH *

* 1mH Cuộn cảm có định mức dòng điện là 420mA và hệ số Q là 40 252kHz nên hoạt động tốt. Chúng tôi đã thêm các đầu cuối vít làm cuộn cảm dẫn vào sơ đồ để các cuộn cảm (với các đầu nối được hàn vào dây dẫn) được đặt ở các vị trí thuận tiện trên rô bốt. Sau đó, các dây (của cuộn cảm) sẽ được kết nối với các đầu cuối vít. Các chân Out1 và Out2 có thể được kết nối trực tiếp với các chân đầu vào tương tự của vi điều khiển. Ví dụ: bạn có thể sử dụng Bảng Arduino UNO hoặc tốt hơn là Bộ điều khiển BotBoarduino để kết nối thuận tiện hơn vì nó có các chân tương tự được chia thành một hàng 3 chân (Tín hiệu, VCC, GND) và nó cũng tương thích với Arduino. Chip LM324 sẽ được cấp nguồn thông qua 5V của vi điều khiển, do đó, tín hiệu tương tự (sóng phát hiện) từ bảng cảm biến sẽ thay đổi trong khoảng 0V và 5V tùy thuộc vào khoảng cách giữa cuộn cảm và chu vi dây. Cuộn cảm càng gần chu vi dây, biên độ của sóng đầu ra mạch cảm biến càng cao. Đây là mạch cảm biến sẽ trông như thế nào trên bảng mạch.

Bước 7: Kết quả

Như chúng ta có thể thấy trong ảnh chụp màn hình của máy hiện sóng bên dưới, sóng phát hiện được ở đầu ra của mạch LC được khuếch đại và bão hòa ở 5V khi cuộn cảm cách dây chu vi 15cm.

Tương tự như chúng ta đã làm với mạch máy phát điện, chúng tôi đã thiết kế một PCB nhỏ gọn đẹp mắt với các thành phần xuyên lỗ cho bảng cảm biến với hai mạch bình chứa, một bộ khuếch đại và 2 đầu ra tương tự. Các tệp có thể được tìm thấy trong phần "Tệp" ở cuối bài viết này.

Bước 8: Mã Arduino

Mã Arduino mà bạn có thể sử dụng cho bộ tạo dây chu vi và cảm biến của mình rất đơn giản. Vì đầu ra của bảng cảm biến là hai tín hiệu tương tự thay đổi từ 0V đến 5V (một tín hiệu cho mỗi cảm biến / cuộn cảm), nên có thể sử dụng ví dụ AnalogRead Arduino. Chỉ cần kết nối hai chân đầu ra của bảng cảm biến với hai chân đầu vào tương tự và đọc chân thích hợp bằng cách sửa đổi Ví dụ về Arduino AnalogRead. Sử dụng màn hình nối tiếp Arduino, bạn sẽ thấy giá trị RAW của chân analog bạn đang sử dụng thay đổi từ 0 đến 1024 khi bạn tiếp cận cuộn cảm với dây chu vi.

Mã đọc điện áp trên analogPin và hiển thị nó.

int analogPin = A3; // cần gạt nước chiết áp (đầu nối giữa) kết nối với chân analog 3 // bên ngoài dẫn xuống đất và + 5V

int val = 0; // biến để lưu trữ giá trị read

void setup () {

Serial.begin (9600); // thiết lập nối tiếp

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // đọc chân đầu vào Serial.println (val); // giá trị gỡ lỗi