DIY perimeterdraadgenerator en sensor - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

Draadgeleidingstechnologie wordt veel gebruikt in de industrie, met name in magazijnen waar de verwerking geautomatiseerd is. De robots volgen een draadlus die in de grond is begraven. In deze draad vloeit een wisselstroom van relatief lage intensiteit en frequentie tussen 5Kz en 40KHz. De robot is uitgerust met inductieve sensoren, meestal gebaseerd op een tankcircuit (met een resonantiefrequentie gelijk aan of dichtbij de frequentie van de gegenereerde golf) die de intensiteit van het elektromagnetische veld dicht bij de grond meet. Een verwerkingsketen (versterking, filters, vergelijking) maakt het mogelijk om de positie van de robot binnen de draad te bepalen. Tegenwoordig wordt begrenzingsdraad ook gebruikt om "onzichtbare omheiningen" te maken om huisdieren binnen tuinen te houden, en robotmaaiers binnen zones. LEGO gebruikt hetzelfde principe ook om voertuigen langs wegen te leiden zonder dat bezoekers lijnen zien.

Deze tutorial legt op een gemakkelijke en intuïtieve manier uit om je te helpen de theorie, het ontwerp en de implementatie te begrijpen om je eigen generator en sensor voor een perimeterdraad te maken. De bestanden (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files en Arduino Sample Code) zijn ook beschikbaar om te downloaden. Op deze manier kunt u de draadomtrekdetectiefunctie toevoegen aan uw favoriete robot en deze binnen een operationele "zone" houden.

Stap 1: GENERATOR

Theorie

Het generatorcircuit van de perimeterdraad zal gebaseerd zijn op de beroemde NE555-timer. NE555 of beter bekend als 555 is een geïntegreerd circuit dat wordt gebruikt voor timer- of multivibratormodus. Dit onderdeel wordt nog steeds gebruikt vanwege het gebruiksgemak, de lage kosten en de stabiliteit. Er worden jaarlijks een miljard eenheden geproduceerd. Voor onze generator gebruiken we de NE555 in Astable-configuratie. De stabiele configuratie maakt het mogelijk om de NE555 als oscillator te gebruiken. Twee weerstanden en een condensator maken het mogelijk om zowel de oscillatiefrequentie als de duty-cycle te wijzigen. De opstelling van de componenten is zoals weergegeven in het onderstaande schema. De NE555 genereert een (ruwe) blokgolf die over de lengte van de perimeterdraad kan lopen. Verwijzend naar het NE555-gegevensblad voor de timer, is er een voorbeeldschakeling, evenals de werkingstheorie (8.3.2 A-stabiele werking). Texas Instruments is niet de enige fabrikant van NE555 IC's, dus mocht u een andere chip kiezen, raadpleeg dan zeker de handleiding. We bieden deze mooie 555 Timer-soldeerset aan die u de mogelijkheid geeft om alle interne componenten van een 555-timer in een doorgaand gat te solderen, zodat u de werking van dit circuit in detail kunt begrijpen.

Schema en prototypen

Het schema in de NE555-handleiding (8.3.2 A-stabiele bedieningssectie) is redelijk compleet. Een paar extra componenten zijn toegevoegd en hieronder besproken. (eerste afbeelding)

De formule die wordt gebruikt om de frequentie van de uitgangsblokgolf te berekenen, is:

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

Het frequentiebereik van de gegenereerde blokgolf ligt tussen 32Khz en 44KHz, wat een specifieke frequentie is die andere nabije apparaten niet mag storen. Hiervoor hebben we gekozen voor Ra = 3,3 KOhms, Rb = 12 KOhms + 4,7 KOhms Potentiometer en C = 1,2 nF. De potentiometer helpt ons de frequentie van de blokgolfuitgang te variëren om overeen te komen met de resonantiefrequentie van het LC Tank-circuit dat later zal worden besproken. De theoretische laagste en hoogste waarde van de uitgangsfrequentie wordt als volgt berekend met de formule (1): Laagste frequentiewaarde: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) (32 698Hz)

Hoogste frequentiewaarde: fH = 1,44 / ((3,3+2*(12+0))*1,2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

Aangezien de potentiometer van 4,7 KOhms nooit op 0 of 4,7 komt, zal het uitgangsfrequentiebereik variëren van ongeveer 33,5 kHz tot 39 kHz. Hier is het volledige schema van het generatorcircuit. (tweede afbeelding)

Zoals u in het schema kunt zien, zijn er enkele extra componenten toegevoegd en deze zullen hieronder worden besproken. Hier is de volledige stuklijst:

• R1: 3,3 KOhm
• R2: 12 KOhm
• R3 (stroombegrenzingsweerstand): 47 Ohm (moet vrij groot zijn om warmte af te voeren met een vermogen van 2 W zou voldoende moeten zijn)
• R4: 4,7 KOhm-potentiometer
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF zal ook het werk doen)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm positieve cilinderconnector in het midden (5-15V DC)
• J2: Schroefklem (twee standen)
• IC1: NE555 Precisietimer

Extra onderdelen die aan het schema zijn toegevoegd, zijn onder meer een cilinderaansluiting (J1) voor eenvoudige aansluiting op een muuradapter (12V) en een schroefklem (12) om gemakkelijk aan te sluiten op de perimeterdraad. Perimeterdraad: Houd er rekening mee dat hoe langer de perimeterdraad is, hoe meer het signaal verslechtert. We hebben de opstelling getest met ongeveer 100 'van 22 gauge meeraderige draad (vastgepend in de grond in plaats van begraven). Voeding: Een 12V-wandadapter is ongelooflijk gebruikelijk en elke stroomsterkte boven 500mA zou goed moeten werken. Je kunt ook een 12V loodzuur of 11.1V LiPo kiezen om het in de behuizing te bewaren, maar zorg ervoor dat het weerbestendig is en schakel het uit wanneer het niet in gebruik is. Hier enkele onderdelen die we aanbieden die u mogelijk nodig heeft bij het bouwen van het generatorcircuit:

• 2.1mm Barrel Jack naar terminal of deze 2.1mm Barrel Jack Adapter - Breadboard Compatible
• 400 bindpunt in elkaar grijpende transparante soldeerloze breadboard
• 65 x 22 gauge geassorteerde jumperdraden
• DFRobot-weerstandsset
• SparkFun-condensatorkit
• 12VDC 3A wandadapter voeding

Hier is hoe het generatorcircuit eruit zou moeten zien op een breadboard (derde afbeelding)

Stap 2: Resultaten

Zoals te zien is in de onderstaande oscilloscoop-screenshot van de output van het generatorcircuit (gemaakt met de Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels Tablet Oscilloscope), kunnen we een (ruwe) blokgolf zien met een frequentie van 36,41 KHz en een amplitude van 11,8V (met een 12V-voedingsadapter). De frequentie kan enigszins worden gevarieerd door de R4-potentiometer aan te passen.

Een soldeerloze breadboard is zelden een langetermijnoplossing en kan het beste worden gebruikt om een snel prototype te maken. Daarom hebben we, na te hebben bevestigd dat het generatorcircuit naar behoren werkt, een blokgolf met een frequentiebereik van 33,5 kHz en 40 kHz (variabel via de R4-potmeter) genereert, een PCB (24 mm x 34 mm) ontworpen met alleen PTH (platated-through hole) componenten om er een mooi klein blokgolfgeneratorbord van te maken. Omdat componenten met doorlopende gaten werden gebruikt voor prototyping met een breadboard, kon de PCB ook componenten met doorgaande gaten gebruiken (in plaats van opbouwmontage), en kon hij gemakkelijk met de hand worden gesoldeerd. De plaatsing van de componenten is niet exact en er is waarschijnlijk ruimte voor verbetering. We hebben de Eagle- en Gerber-bestanden beschikbaar gemaakt om te downloaden, zodat u uw eigen PCB kunt maken. Bestanden zijn te vinden in de sectie "Bestanden" aan het einde van dit artikel. Hier zijn enkele tips bij het ontwerpen van uw eigen bord: Zorg ervoor dat de cilinderconnector en de schroefaansluiting aan dezelfde kant van het bord zitten Plaats de componenten relatief dicht bij elkaar en minimaliseer sporen/lengtes Zorg ervoor dat de montagegaten een standaarddiameter hebben en in een gemakkelijk te rechthoek reproduceren.

Stap 3: Draadinstallatie

Dus hoe de draad te installeren? In plaats van het te begraven, is het het gemakkelijkst om gewoon haringen te gebruiken om het op zijn plaats te houden. Je bent vrij om te gebruiken wat je maar wilt om de draad op zijn plaats te houden, maar plastic werkt het beste. Een pakket van 50 haringen voor robotmaaiers is meestal niet duur. Zorg er bij het leggen van de draad voor dat beide uiteinden op dezelfde locatie samenkomen om via de schroefklem op de generatorkaart te worden aangesloten.

Stap 4: Weerbestendigheid

Aangezien het systeem hoogstwaarschijnlijk buiten zal worden gelaten om buitenshuis te worden gebruikt. De perimeterdraad heeft een weerbestendige coating nodig en het generatorcircuit zelf is gehuisvest in een waterdichte behuizing. U kunt deze coole behuizing gebruiken om de generator te beschermen tegen regen. Niet alle draad is gelijk gemaakt. Als u van plan bent de draad weg te laten, investeer dan in de juiste draad, bijvoorbeeld deze Robomow 300' perimeterdraadafscherming die niet UV-/waterbestendig is, zal na verloop van tijd snel verslechteren en broos worden.

Stap 5: Sensor

Theorie

Nu we het generatorcircuit hebben gebouwd en ervoor hebben gezorgd dat het werkt zoals het hoort, is het tijd om na te denken over hoe het signaal dat door de draad gaat, kan worden gedetecteerd. Hiervoor nodigen wij u uit om te lezen over het LC Circuit, ook wel Tank Circuit of Tuned Circuit genoemd. Een LC-circuit is een elektrisch circuit op basis van een inductor/spoel (L) en een condensator (C) die parallel zijn geschakeld. Deze schakeling wordt gebruikt in filters, tuners en frequentiemixers. Daarom wordt het vaak gebruikt in draadloze uitzendingen voor zowel uitzending als ontvangst. We zullen niet ingaan op de theoretische details met betrekking tot LC-circuits, maar het belangrijkste om in gedachten te houden om het sensorcircuit dat in dit artikel wordt gebruikt te begrijpen, is de formule voor het berekenen van de resonantiefrequentie van een LC-circuit, die als volgt gaat:

f0 = 1/(2*π*√(L*C))

Waarbij L de inductantiewaarde van de spoel in H (Henry) is en C de capaciteitswaarde van de condensator in F (Farads). Om ervoor te zorgen dat de sensor het 34 kHz-40 kHz-signaal detecteert dat in de draad loopt, moet het tankcircuit dat we hebben gebruikt de resonantiefrequentie in dit bereik hebben. We kozen L = 1 mH en C = 22 nF om een resonantiefrequentie van 33 932 Hz te verkrijgen, berekend met formule (2). De amplitude van het signaal dat door ons tankcircuit wordt gedetecteerd, zal relatief klein zijn (maximaal 80 mV toen we ons sensorcircuit testten) wanneer de inductor zich op ongeveer 10 cm van de draad bevindt, daarom zal deze enige versterking nodig hebben. Om dit te doen, hebben we de populaire LM324 Op-Amp-versterker gebruikt om het signaal te versterken met een versterking van 100 in een niet-inverterende configuratie 2-traps versterking om een mooi leesbaar analoog signaal te verkrijgen op een grotere afstand dan 10 cm in de uitgang van de sensor. Dit artikel geeft nuttige informatie over Op-Amps in het algemeen. U kunt ook de datasheet van de LM324 bekijken. Hier is een typisch schakelschema van een LM324-versterker: Op-Amp in niet-inverterende configuratie (voorste afbeelding)

Met behulp van de vergelijking voor een niet-inverterende versterkingsconfiguratie, Av = 1+R2/R1. Het instellen van R1 op 10KOhms en R2 op 1MOhms levert een versterking van 100 op, wat binnen de gewenste specificatie valt. Om ervoor te zorgen dat de robot de perimeterdraad in verschillende oriëntaties kan detecteren, is het beter om er meer dan één sensor op te installeren. Hoe meer sensoren op de robot, hoe beter deze de begrenzingsdraad zal detecteren. Voor deze tutorial, en aangezien de LM324 een quad-op-versterker is (dit betekent dat één LM324-chip 4 afzonderlijke versterkers heeft), zullen we twee detectiesensoren op het bord gebruiken. Dit betekent dat er twee LC-circuits worden gebruikt die elk 2 versterkingsfasen hebben. Daarom is slechts één LM324-chip nodig.

Stap 6: Schema en prototypen

Zoals we hierboven hebben besproken, is het schema voor het sensorbord vrij eenvoudig. Het is samengesteld uit 2 LC-circuits, een LM324-chip en een paar 10KOhms en 1MOhms-weerstanden om de versterkingen van de versterkers in te stellen.

Hier is een lijst van de componenten die u kunt gebruiken:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm Weerstanden
• R2, R4, R6, R8: weerstanden van 1 MOhm
• C1, C2: 22nF condensatoren
• IC: LM324N versterker
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3-pins M/M-headers
• Inductoren 1, 2: 1mH*

* Inductoren van 1 mH met een stroomsterkte van 420 mA en een Q-factor van 40 252 kHz zouden goed moeten werken. We hebben schroefklemmen als inductordraden aan het schema toegevoegd, zodat de inductoren (met aan draden gesoldeerde draden) op handige locaties op de robot kunnen worden geplaatst. Vervolgens worden de draden (van de inductoren) aangesloten op de schroefklemmen. Out1- en Out2-pinnen kunnen rechtstreeks worden aangesloten op de analoge ingangspinnen van een microcontroller. U kunt bijvoorbeeld een Arduino UNO-bord of, beter nog, een BotBoarduino-controller gebruiken voor een gemakkelijkere verbinding, omdat het analoge pinnen heeft die zijn onderverdeeld in een rij van 3 pinnen (Signal, VCC, GND) en het is ook Arduino-compatibel. De LM324-chip wordt gevoed via de 5V van de microcontroller, daarom zal het analoge signaal (gedetecteerde golf) van het sensorbord variëren tussen 0V en 5V, afhankelijk van de afstand tussen de inductor en de perimeterdraad. Hoe dichter de spoel zich bij de perimeterdraad bevindt, hoe hoger de amplitude van de uitgangsgolf van het sensorcircuit. Hier is hoe het sensorcircuit eruit zou moeten zien op een breadboard.

Stap 7: Resultaten

Zoals we kunnen zien in de onderstaande schermafbeeldingen van de oscilloscoop, wordt de gedetecteerde golf aan de uitgang van het LC-circuit versterkt en verzadigt bij 5V wanneer de spoel zich op 15 cm van de perimeterdraad bevindt.

Net als bij het generatorcircuit hebben we een mooie compacte print ontworpen met doorlopende componenten voor het sensorbord met twee tankcircuits, een versterker en 2 analoge uitgangen. Bestanden zijn te vinden in de sectie "Bestanden" aan het einde van dit artikel.

Stap 8: Arduino-code

De Arduino-code die je zou kunnen gebruiken voor je perimeterdraadgenerator en de sensor is heel eenvoudig. Aangezien de output van het sensorbord twee analoge signalen is variërend van 0V tot 5V (één voor elke sensor/inductor), kan het AnalogRead Arduino-voorbeeld worden gebruikt. Sluit gewoon de twee uitgangspinnen van het sensorbord aan op twee analoge ingangspinnen en lees de juiste pin door het Arduino AnalogRead-voorbeeld te wijzigen. Als u de seriële monitor van Arduino gebruikt, zou u een RAW-waarde van de analoge pin die u gebruikt, moeten zien variëren van 0 tot 1024 wanneer u de inductor naar de perimeterdraad nadert.

De code leest de spanning op analogPin en geeft deze weer.

int analogePin = A3; // potentiometerwisser (middelste klem) aangesloten op analoge pin 3 // buitenkabel naar aarde en +5V

int-waarde = 0; // variabele om de gelezen waarde op te slaan

ongeldige setup() {

Serieel.begin(9600); // serieel instellen

}

lege lus() {

val = analoog lezen (analoge pin); // lees de invoerpin Serial.println (val); // debug waarde