DIY Begrenzungsdraht Generator und Sensor - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Die Drahtführungstechnologie ist in der Industrie weit verbreitet, insbesondere in Lagerhäusern, in denen die Handhabung automatisiert ist. Die Roboter folgen einer im Boden vergrabenen Drahtschleife. In diesem Draht fließt ein Wechselstrom relativ geringer Intensität und Frequenz zwischen 5 kHz und 40 kHz. Der Roboter ist mit induktiven Sensoren ausgestattet, die normalerweise auf einem Schwingkreis basieren (mit einer Resonanzfrequenz gleich oder nahe der Frequenz der erzeugten Welle), die die Intensität des elektromagnetischen Felds in Bodennähe misst. Eine Verarbeitungskette (Verstärkung, Filter, Vergleich) ermöglicht es, die Position des Roboters innerhalb des Drahtes zu bestimmen. Heutzutage wird Perimeter-/Begrenzungsdraht auch verwendet, um „unsichtbare Zäune“zu erstellen, um Haustiere innerhalb von Höfen und Roboter-Rasenmäher innerhalb von Zonen zu halten. LEGO nutzt das gleiche Prinzip auch, um Fahrzeuge über Straßen zu führen, ohne dass Besucher Linien sehen.

Dieses Tutorial erklärt auf einfache und intuitive Weise, um Ihnen zu helfen, die Theorie, das Design und die Implementierung zu verstehen, um Ihren eigenen Generator und Sensor für einen Begrenzungsdraht zu bauen. Die Dateien (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files und Arduino Sample Code) stehen auch zum Download bereit. Auf diese Weise können Sie Ihrem Lieblingsroboter die Drahtumfangserkennungsfunktion hinzufügen und ihn innerhalb einer Betriebszone halten.

Schritt 1: GENERATOR

Theorie

Der Stromkreis des Begrenzungsdrahtgenerators basiert auf dem berühmten NE555-Timer. NE555 oder häufiger als 555 bezeichnet ist eine integrierte Schaltung, die für den Timer- oder Multivibrator-Modus verwendet wird. Diese Komponente wird noch heute wegen ihrer Benutzerfreundlichkeit, geringen Kosten und Stabilität verwendet. Pro Jahr werden eine Milliarde Einheiten hergestellt. Für unseren Generator verwenden wir den NE555 in der Astable-Konfiguration. Die stabile Konfiguration ermöglicht die Verwendung des NE555 als Oszillator. Zwei Widerstände und ein Kondensator ermöglichen die Veränderung der Schwingungsfrequenz sowie des Tastverhältnisses. Die Anordnung der Komponenten ist im Schema unten dargestellt. Der NE555 erzeugt eine (raue) Rechteckwelle, die über die Länge des Begrenzungsdrahts laufen kann. Unter Bezugnahme auf das NE555-Datenblatt für den Timer gibt es eine Beispielschaltung sowie die Betriebstheorie (8.3.2 A-stabiler Betrieb). Texas Instruments ist nicht der einzige Hersteller von NE555-ICs. Sollten Sie sich also für einen anderen Chip entscheiden, lesen Sie unbedingt dessen Handbuch. Wir bieten dieses schöne 555 Timer Soldering Kit an, das Ihnen die Möglichkeit gibt, alle internen Komponenten eines 555 Timers in einem Durchgangslochpaket zu löten, damit Sie die Funktionsweise dieser Schaltung im Detail verstehen können.

Schaltplan und Prototyping

Der Schaltplan im NE555-Handbuch (8.3.2 Abschnitt A-stabiler Betrieb) ist ziemlich vollständig. Einige zusätzliche Komponenten wurden hinzugefügt und unten diskutiert. (erstes Bild)

Die Formel zur Berechnung der Frequenz der Ausgangsrechteckwelle lautet

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

Der Frequenzbereich der erzeugten Rechteckwelle liegt zwischen 32 kHz und 44 kHz, was eine spezifische Frequenz ist, die andere Geräte in der Nähe nicht stören sollte. Dafür haben wir Ra = 3,3KOhm, Rb = 12KOhm + 4,7KOhm Potentiometer und C = 1,2nF gewählt. Das Potentiometer hilft uns, die Frequenz des Rechteckwellenausgangs so zu variieren, dass sie der Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises entspricht, die später besprochen wird. Der theoretisch niedrigste und höchste Wert der Ausgangsfrequenz wird wie folgt durch die Formel (1) berechnet: Niedrigster Frequenzwert: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698Hz

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

Da das 4,7KOhms-Potentiometer niemals 0 oder 4,7 erreicht, variiert der Ausgangsfrequenzbereich von etwa 33,5 kHz bis 39 kHz. Hier ist der komplette Schaltplan der Generatorschaltung. (zweites Bild)

Wie Sie im Schaltplan sehen können, wurden einige zusätzliche Komponenten hinzugefügt und werden im Folgenden erläutert. Hier die komplette Stückliste:

• R1: 3,3 KOhm
• R2: 12 KOhm
• R3 (Strombegrenzungswiderstand): 47 Ohm (muss ziemlich groß sein, um Wärme mit einer Leistung von 2 W abzuleiten, sollte ausreichen)
• R4: 4,7 KOhm Potentiometer
• C2, C4: 100nF
• C3: 1,2 nF (1000pF wird auch die Arbeit erledigen)
• C5: 1uF
• J1: 2,5 mm mittig positiver Hohlstecker (5-15 V DC)
• J2: Schraubklemme (zwei Positionen)
• IC1: NE555 Präzisions-Timer

Zusätzliche Teile, die dem Schaltplan hinzugefügt wurden, umfassen eine Hohlbuchse (J1) für den einfachen Anschluss an einen Wandadapter (12 V) und eine Schraubklemme (12) für den bequemen Anschluss an das Begrenzungskabel. Begrenzungsdraht: Beachten Sie, dass sich das Signal umso stärker verschlechtert, je länger der Begrenzungsdraht ist. Wir testeten das Setup mit etwa 100 '22 Gauge mehrsträngigem Draht (in den Boden verdübelt im Gegensatz zu vergraben). Stromversorgung: Ein 12-V-Wandadapter ist unglaublich verbreitet, und jede Stromstärke über 500 mA sollte gut funktionieren. Sie können auch eine 12-V-Bleisäure oder einen 11,1 V-LiPo wählen, um sie im Gehäuse aufzubewahren, aber stellen Sie sicher, dass sie wetterfest ist und schalten Sie sie bei Nichtgebrauch aus. Hier einige Teile, die wir anbieten, die Sie möglicherweise beim Aufbau der Generatorschaltung benötigen:

• 2,1 mm Barrel Jack zu Terminal oder dieser 2,1 mm Barrel Jack Adapter - Breadboard-kompatibel
• 400 Tie Point Interlocking transparentes lötfreies Steckbrett
• 65 x 22 Gauge verschiedene Überbrückungsdrähte
• DFRobot-Widerstands-Kit
• SparkFun Kondensator-Kit
• 12VDC 3A Wandadapter-Netzteil

So sollte die Generatorschaltung auf einem Steckbrett aussehen (drittes Bild)

Schritt 2: Ergebnisse

Wie im folgenden Oszilloskop-Screenshot des Ausgangs der Generatorschaltung (aufgenommen mit dem Micsig 200 MHz 1 GS/s 4-Kanal-Tablet-Oszilloskop) gezeigt, sehen wir eine (grobe) Rechteckwelle mit einer Frequenz von 36,41 KHz und einer Amplitude von 11,8 V (mit einem 12-V-Netzteil). Die Frequenz kann durch Einstellen des R4-Potentiometers leicht variiert werden.

Ein lötfreies Steckbrett ist selten eine langfristige Lösung und wird am besten verwendet, um einen schnellen Prototyp zu erstellen. Daher haben wir, nachdem wir bestätigt haben, dass die Generatorschaltung ordnungsgemäß funktioniert und eine Rechteckwelle mit einem Frequenzbereich von 33,5 kHz und 40 kHz (variabel über den R4-Poti) erzeugt, eine Leiterplatte (24 mm x 34 mm) nur mit PTH (Durchkontaktiertes Loch) entworfen) Komponenten, um es zu einer schönen kleinen Rechteckwellengeneratorplatine zu machen. Da für das Prototyping mit einem Steckbrett Durchsteckkomponenten verwendet wurden, konnte die Leiterplatte auch Durchsteckkomponenten (anstelle einer Oberflächenmontage) verwenden und ermöglicht ein einfaches Löten von Hand. Die Platzierung der Komponenten ist nicht genau und Sie können wahrscheinlich Verbesserungspotenzial finden. Wir haben die Eagle- und Gerber-Dateien zum Download bereitgestellt, damit Sie Ihre eigene Leiterplatte erstellen können. Dateien finden Sie im Abschnitt "Dateien" am Ende dieses Artikels. Hier sind einige Tipps zum Entwerfen Ihrer eigenen Platine: Halten Sie den Hohlstecker und die Schraubklemme auf derselben Seite der PlatinePlatzieren Sie die Komponenten relativ nahe beieinander und minimieren Sie Leiterbahnen/LängenDie Montagelöcher haben einen Standarddurchmesser und sind leicht zu platzieren Rechteck reproduzieren.

Schritt 3: Kabelinstallation

Wie also den Draht installieren? Anstatt ihn zu vergraben, ist es am einfachsten, ihn einfach mit Heringen an seinem Platz zu halten. Es steht Ihnen frei, alles zu verwenden, was Sie möchten, um den Draht an Ort und Stelle zu halten, aber Kunststoff funktioniert am besten. Eine Packung mit 50 Heringe, die für Rasenroboter verwendet werden, ist in der Regel kostengünstig. Achten Sie beim Verlegen des Kabels darauf, dass sich beide Enden an der gleichen Stelle treffen, um über die Schraubklemme mit der Generatorplatine verbunden zu werden.

Schritt 4: Witterungsbeständigkeit

Da das System höchstwahrscheinlich draußen gelassen wird, um es im Freien zu verwenden. Der Begrenzungsdraht benötigt eine wetterfeste Beschichtung und der Generatorkreis selbst ist in einem wasserdichten Gehäuse untergebracht. Sie können dieses coole Gehäuse verwenden, um den Generator vor Regen zu schützen. Nicht jeder Draht ist gleich. Wenn Sie vorhaben, das Kabel wegzulassen, achten Sie darauf, in das richtige Kabel zu investieren. Zum Beispiel wird diese Robomow 300' Begrenzungskabelabschirmung, die nicht UV- / wasserbeständig ist, mit der Zeit schnell abgebaut und brüchig.

Schritt 5: Sensor

Theorie

Nachdem wir nun die Generatorschaltung aufgebaut und sichergestellt haben, dass sie wie vorgesehen funktioniert, ist es an der Zeit, darüber nachzudenken, wie das Signal durch das Kabel erkannt werden kann. Dazu laden wir Sie ein, sich über den LC Circuit, auch Tank Circuit oder Tuned Circuit genannt, zu informieren. Ein LC-Kreis ist ein elektrischer Schaltkreis, der auf einer parallel geschalteten Induktivität/Spule (L) und einem Kondensator (C) basiert. Diese Schaltung wird in Filtern, Tunern und Frequenzmischern verwendet. Folglich wird es üblicherweise bei drahtlosen Rundsendeübertragungen sowohl zum Rundsenden als auch zum Empfangen verwendet. Wir werden nicht auf die theoretischen Details zu LC-Schaltungen eingehen, aber das Wichtigste, um die in diesem Artikel verwendete Sensorschaltung zu verstehen, ist die Formel zur Berechnung der Resonanzfrequenz einer LC-Schaltung, die wie folgt lautet:

f0 = 1/(2*π*√(L*C))

Dabei ist L der Induktivitätswert der Spule in H (Henry) und C ist der Kapazitätswert des Kondensators in F (Farad). Damit der Sensor das 34-kHz- bis 40-kHz-Signal erkennt, das in das Kabel fließt, sollte der von uns verwendete Schwingkreis die Resonanzfrequenz in diesem Bereich haben. Wir wählten L = 1 mH und C = 22 nF, um eine Resonanzfrequenz von 33 932 Hz zu erhalten, die mit der Formel (2) berechnet wurde. Die Amplitude des von unserem Schwingkreis erkannten Signals ist relativ klein (maximal 80 mV beim Testen unserer Sensorschaltung), wenn der Induktor etwa 10 cm vom Draht entfernt ist, daher ist eine gewisse Verstärkung erforderlich. Dazu haben wir den beliebten LM324 Op-Amp-Verstärker verwendet, um das Signal mit einer Verstärkung von 100 in einer nicht invertierenden Konfiguration zu verstärken Ausgang des Sensors. Dieser Artikel enthält nützliche Informationen zu Operationsverstärkern im Allgemeinen. Sie können sich auch das Datenblatt des LM324 ansehen. Hier ist ein typischer Schaltplan eines LM324-Verstärkers: Op-Amp in nicht invertierender Konfiguration (viertes Bild)

Unter Verwendung der Gleichung für eine nicht invertierende Verstärkungskonfiguration gilt Av = 1+R2/R1. Die Einstellung von R1 auf 10KOhm und R2 auf 1MOhm ergibt eine Verstärkung von 100, was innerhalb der gewünschten Spezifikation liegt. Damit der Roboter den Begrenzungsdraht in unterschiedlichen Ausrichtungen erkennen kann, ist es zweckmäßiger, mehr als einen Sensor daran zu installieren. Je mehr Sensoren der Roboter hat, desto besser erkennt er das Begrenzungskabel. Für dieses Tutorial und da der LM324 ein Quad-Op-Verstärker ist (das bedeutet, dass ein LM324-Chip 4 separate Verstärker hat), verwenden wir zwei Erkennungssensoren auf der Platine. Dies bedeutet, dass zwei LC-Schaltungen verwendet werden und jeder über 2 Verstärkungsstufen verfügt. Daher wird nur ein LM324-Chip benötigt.

Schritt 6: Schaltplan und Prototyping

Wie oben besprochen, ist der Schaltplan für die Sensorplatine ziemlich einfach. Es besteht aus 2 LC-Schaltungen, einem LM324-Chip und einigen 10KOhms- und 1MOhms-Widerständen, um die Verstärkung der Verstärker einzustellen.

Hier ist eine Liste der Komponenten, die Sie verwenden können:

• R1, R3, R5, R7: 10KOhm Widerstände
• R2, R4, R6, R8: 1MOhm Widerstände
• C1, C2: 22nF Kondensatoren
• IC: LM324N Verstärker
• JP3 / JP4: 2,54 mm 3-polige M/M-Stiftleisten
• Induktivitäten 1, 2: 1mH*

* 1mH Induktivitäten mit einem Nennstrom von 420mA und einem Q-Faktor von 40.252kHz sollten gut funktionieren. Wir haben dem Schaltplan Schraubklemmen als Induktorkabel hinzugefügt, damit die Induktoren (mit an Drähten gelöteten Kabeln) an geeigneten Stellen am Roboter platziert werden können. Anschließend werden die Drähte (der Induktivitäten) an die Schraubklemmen angeschlossen. Die Pins Out1 und Out2 können direkt mit den analogen Eingangspins eines Mikrocontrollers verbunden werden. Zum Beispiel können Sie ein Arduino UNO Board oder besser einen BotBoarduino Controller für eine bequemere Verbindung verwenden, da er analoge Pins in eine Reihe von 3 Pins (Signal, VCC, GND) herausgebrochen hat und auch Arduino kompatibel ist. Der LM324-Chip wird über die 5 V des Mikrocontrollers mit Strom versorgt, daher variiert das analoge Signal (erkannte Welle) von der Sensorplatine je nach Abstand zwischen Induktor und Begrenzungsdraht zwischen 0 V und 5 V. Je näher der Induktor am Begrenzungsdraht ist, desto höher ist die Amplitude der Ausgangswelle des Sensorschaltkreises. So sollte die Sensorschaltung auf einem Steckbrett aussehen.

Schritt 7: Ergebnisse

Wie wir in den Screenshots des Oszilloskops unten sehen können, wird die erkannte Welle am Ausgang des LC-Schaltkreises verstärkt und mit 5 V gesättigt, wenn der Induktor 15 cm vom Begrenzungsdraht entfernt ist.

Genau wie bei der Generatorschaltung haben wir eine schöne kompakte Platine mit Durchgangsbohrungskomponenten für die Sensorplatine mit zwei Tankkreisen, einem Verstärker und 2 analogen Ausgängen entworfen. Dateien finden Sie im Abschnitt "Dateien" am Ende dieses Artikels.

Schritt 8: Arduino-Code

Der Arduino-Code, den Sie für Ihren Begrenzungsdrahtgenerator und den Sensor verwenden könnten, ist sehr einfach. Da der Ausgang der Sensorplatine zwei analoge Signale von 0 V bis 5 V ist (eines für jeden Sensor/Induktor), kann das Arduino-Beispiel AnalogRead verwendet werden. Verbinden Sie einfach die beiden Ausgangspins der Sensorplatine mit zwei analogen Eingangspins und lesen Sie den entsprechenden Pin, indem Sie das Arduino AnalogRead-Beispiel ändern. Wenn Sie den seriellen Arduino-Monitor verwenden, sollten Sie einen RAW-Wert des von Ihnen verwendeten analogen Pins zwischen 0 und 1024 sehen, wenn Sie sich dem Induktor an den Begrenzungsdraht nähern.

Der Code liest die Spannung an analogPin und zeigt sie an.

int analogPin = A3; // Potentiometerschleifer (mittlerer Anschluss) an analogen Pin 3 angeschlossen // Außenleitungen an Masse und +5V

intwert = 0; // Variable zum Speichern des gelesenen Wertes

Leere Einrichtung () {

Serial.begin (9600); // seriell einrichten

}

Leere Schleife () {

val = analogRead (analogPin); // Lesen Sie den Eingangspin Serial.println (val); // Debug-Wert