مولد ومستشعر سلك محيط DIY: 8 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

تُستخدم تقنية توجيه الأسلاك على نطاق واسع في الصناعة ، لا سيما في المستودعات حيث تتم المناولة تلقائيًا. تتبع الروبوتات حلقة سلكية مدفونة في الأرض. يتدفق تيار متناوب ذو كثافة وتردد منخفض نسبيًا بين 5 كيلو هرتز و 40 كيلو هرتز في هذا السلك. تم تجهيز الروبوت بأجهزة استشعار حثي ، تعتمد عادة على دائرة خزان (بتردد رنين يساوي أو قريب من تردد الموجة المتولدة) التي تقيس شدة المجال الكهرومغناطيسي بالقرب من الأرض. تتيح سلسلة المعالجة (التضخيم ، والمرشحات ، والمقارنة) تحديد موضع الروبوت داخل السلك. في هذه الأيام ، يتم استخدام الأسلاك المحيطة / الحدودية أيضًا لإنشاء "أسوار غير مرئية" لإبقاء الحيوانات الأليفة داخل الساحات ، وجزازات العشب الآلي داخل المناطق. تستخدم LEGO أيضًا نفس المبدأ لتوجيه المركبات على طول الطرق دون رؤية الزوار لأي خطوط.

يشرح هذا البرنامج التعليمي بطريقة سهلة وبديهية لمساعدتك على فهم النظرية والتصميم والتنفيذ لإنشاء المولد والمستشعر الخاصين بك لسلك محيطي. الملفات (المخططات ، ملفات النسر ، Gerbers ، الملفات ثلاثية الأبعاد و Arduino Sample Code) متاحة أيضًا للتنزيل. بهذه الطريقة ، يمكنك إضافة ميزة الكشف عن محيط السلك إلى الروبوت المفضل لديك وإبقائه ضمن "منطقة" التشغيل.

الخطوة 1: مولد

نظرية

ستعتمد دائرة مولد الأسلاك المحيطية على الموقت الشهير NE555. NE555 أو أكثر شيوعًا يسمى 555 عبارة عن دائرة متكاملة تستخدم في وضع المؤقت أو الهزاز المتعدد. لا يزال هذا المكون مستخدمًا حتى يومنا هذا بسبب سهولة استخدامه وتكلفته المنخفضة واستقراره. يتم تصنيع مليار وحدة سنويًا. بالنسبة للمولد الخاص بنا ، سنستخدم NE555 في تكوين Astable. يسمح التكوين المستقر باستخدام NE555 كمذبذب. يسمح اثنان من المقاومات والمكثف بتعديل تردد التذبذب بالإضافة إلى دورة العمل. ترتيب المكونات كما هو موضح في التخطيطي أدناه. يولد جهاز NE555 موجة مربعة (خشنة) يمكنها تشغيل طول السلك المحيط. بالإشارة إلى ورقة البيانات NE555 الخاصة بالمؤقت ، توجد دائرة عينة ، بالإضافة إلى نظرية التشغيل (التشغيل المستقر 8.3.2 أ). إن شركة Texas Instruments ليست الشركة المصنعة الوحيدة لـ NE555 ICs ، لذا إذا اخترت شريحة أخرى ، فتأكد من مراجعة دليلها. نحن نقدم مجموعة 555 Timer Soldering الرائعة هذه والتي ستمنحك الفرصة لتلحيم جميع المكونات الداخلية لمؤقت 555 في حزمة من خلال الفتحة للسماح لك بفهم تشغيل هذه الدائرة بالتفصيل.

التخطيطي والنماذج الأولية

التخطيطي الوارد في دليل NE555 (قسم التشغيل المستقر 8.3.2 أ) مكتمل إلى حد ما. تمت إضافة بعض المكونات الإضافية ومناقشتها أدناه. (الصورة الأولى)

الصيغة المستخدمة لحساب تردد الموجة المربعة الناتجة هي

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

سيكون مدى التردد للموجة المربعة المتولدة بين 32 كيلوهرتز و 44 كيلوهرتز وهو تردد محدد لا ينبغي أن يتداخل مع الأجهزة القريبة الأخرى. لهذا ، اخترنا Ra = 3.3KOhms ، Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potentiometer و C = 1.2nF. سيساعدنا مقياس الجهد على تغيير تردد خرج الموجة المربعة لمطابقة تردد الرنين لدائرة LC Tank التي ستتم مناقشتها لاحقًا. ستكون القيمة النظرية الأدنى والأعلى لتردد الإخراج كما يلي محسوبة بالصيغة (1): أدنى قيمة تردد: fL = 1.44 / ((3.3 + 2 * (12 + 4.7)) * 1.2 * 10 ^ (- 9))) ≈32 698 هرتز

أعلى قيمة تردد: fH = 1.44 / ((3.3 + 2 * (12 + 0)) * 1.2 * 10 ^ (- 9)) ≈ 43956 هرتز

نظرًا لأن مقياس الجهد 4.7 كيلو أوم لا يصل أبدًا إلى 0 أو 4.7 ، فإن نطاق تردد الخرج سيختلف من حوالي 33.5 كيلو هرتز إلى 39 كيلو هرتز. هنا هو المخطط الكامل لدائرة المولد. (الصورة الثانية)

كما ترون في التخطيطي ، تمت إضافة بعض المكونات الإضافية وسيتم مناقشتها أدناه. هنا هو BOM الكامل:

• R1: 3.3 كيلو أوم
• R2: 12 كيلو أوم
• R3 (المقاوم المحدد للتيار): 47 أوم (يجب أن يكون كبيرًا إلى حد ما لتبديد الحرارة مع تصنيف طاقة 2 وات يجب أن يكون كافيًا)
• R4: 4.7 KOhm الجهد
• C2 ، C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF ستؤدي المهمة أيضًا)
• C5: 1 فائق التوهج
• J1: موصل برميل موجب مركزي 2.5 مم (5-15 فولت تيار مستمر)
• J2: طرف المسمار (وضعان)
• IC1: NE555 مؤقت الدقة

تشتمل الأجزاء الإضافية المضافة إلى التخطيطي على مقبس أسطواني (J1) لسهولة التوصيل بمحول حائط (12 فولت) وطرف لولبي (12) للاتصال بسهولة بالسلك المحيط. سلك محيطي: لاحظ أنه كلما زاد طول السلك المحيط ، كلما تدهورت الإشارة. لقد اختبرنا الإعداد بسلك متعدد الخيوط مقاس 100 بوصة تقريبًا من قياس 22 (مثبت في الأرض بدلاً من المدفون). مزود الطاقة: محول الجدار بجهد 12 فولت شائع بشكل لا يصدق ، وأي تصنيف حالي أعلى من 500 مللي أمبير يجب أن يعمل بشكل جيد. يمكنك أيضًا اختيار حمض الرصاص 12 فولت أو 11.1 فولت LiPo لإبقائه داخل العلبة ، ولكن تأكد من مقاومته للعوامل الجوية وإيقاف تشغيله عندما لا يكون قيد الاستخدام. فيما يلي بعض الأجزاء التي نقدمها والتي قد تحتاجها عند إنشاء دائرة المولد:

• 2.1 مم برميل جاك إلى المحطة أو محول جاك برميل 2.1 مم - متوافق مع اللوح
• 400 نقطة التعادل اللوح الشفاف المتشابك بدون لحام
• 65 × 22 أسلاك توصيل متنوعة
• DFRobot Resistor Kit
• طقم مكثف SparkFun
• 12VDC 3A الجدار محول التيار الكهربائي

هذا هو الشكل الذي يجب أن تبدو عليه دائرة المولد على اللوح (الصورة الثالثة)

الخطوة الثانية: النتائج

كما هو موضح في لقطة شاشة راسم الذبذبات أدناه لإخراج دائرة المولد (تم التقاطها باستخدام Micsig 200 MHz 1 GS / s 4 Channels Tablet Oscilloscope) ، يمكننا أن نرى موجة مربعة (خشنة) بتردد 36.41 كيلو هرتز وسعة تبلغ 11.8 فولت (باستخدام محول طاقة بجهد 12 فولت). يمكن تغيير التردد قليلاً عن طريق ضبط مقياس الجهد R4.

نادرًا ما يكون اللوح غير الملحوم حلاً طويل الأمد ويُفضل استخدامه لإنشاء نموذج أولي سريع. لذلك ، بعد التأكد من أن دائرة المولد تعمل كما ينبغي ، تولد موجة مربعة بمدى تردد 33.5 كيلو هرتز و 40 كيلو هرتز (متغير من خلال وعاء R4) ، قمنا بتصميم PCB (24 مم × 34 مم) فقط مع PTH (مطلي من خلال ثقب) مكونات لجعلها لوحة مولد موجة مربعة صغيرة لطيفة. نظرًا لاستخدام المكونات من خلال الفتحة للنماذج الأولية باستخدام اللوح ، يمكن أن يستخدم ثنائي الفينيل متعدد الكلور أيضًا مكونات من خلال الفتحة (بدلاً من التثبيت على السطح) ، ويسمح بسهولة اللحام باليد. وضع المكونات ليس دقيقًا ، ومن المحتمل أن تجد مجالًا للتحسين. لقد جعلنا ملفات Eagle و Gerber متاحة للتنزيل حتى تتمكن من إنشاء PCB الخاص بك. يمكن العثور على الملفات في قسم "الملفات" في نهاية هذه المقالة. فيما يلي بعض النصائح عند تصميم اللوحة الخاصة بك: اجعل موصل البرميل وطرف المسمار على نفس الجانب من اللوحة ، ضع المكونات قريبة نسبيًا من بعضها البعض وقم بتقليل الآثار / الأطوال ، اجعل فتحات التثبيت ذات قطر قياسي ، وموجودة في مكان يسهل الوصول إليه إعادة إنتاج المستطيل.

الخطوة الثالثة: تركيب الأسلاك

فكيف لتثبيت السلك؟ بدلاً من دفنها ، من الأسهل ببساطة استخدام الأوتاد لإبقائها في مكانها. لك مطلق الحرية في استخدام كل ما تريد لإبقاء السلك في مكانه ، ولكن البلاستيك يعمل بشكل أفضل. تميل العبوة المكونة من 50 أوتادًا المستخدمة في جزازات العشب الآلية إلى أن تكون غير مكلفة. عند وضع السلك ، تأكد من أن كلا الطرفين يلتقيان في نفس الموقع للتوصيل بلوحة المولد من خلال طرف المسمار.

الخطوة 4: مقاومة الطقس

نظرًا لأنه من المرجح أن يتم ترك النظام بالخارج لاستخدامه في الهواء الطلق. يحتاج السلك المحيط إلى طلاء مقاوم للعوامل الجوية ، ودائرة المولد نفسها موضوعة في علبة مقاومة للماء. يمكنك استخدام هذا العلبة الرائعة لحماية المولد من المطر. لم يتم إنشاء كل الأسلاك على قدم المساواة. إذا كنت تخطط لترك السلك بالخارج ، فتأكد من الاستثمار في السلك الصحيح ، على سبيل المثال ، فإن Robomow 300 'Perimeter Wire Shielding الذي لا يقاوم الأشعة فوق البنفسجية / الماء سوف يتحلل بسرعة بمرور الوقت ويصبح هشًا.

الخطوة 5: جهاز الاستشعار

نظرية

الآن بعد أن قمنا ببناء دائرة المولد وتأكدنا من أنها تعمل كما هو مفترض ، حان الوقت لبدء التفكير في كيفية اكتشاف الإشارة التي تمر عبر السلك. لهذا ، ندعوك للقراءة عن دائرة LC ، والتي تسمى أيضًا Tank Circuit أو Tuned Circuit. دائرة LC هي دائرة كهربائية تعتمد على محث / ملف (L) ومكثف (C) متصلان على التوازي. تُستخدم هذه الدائرة في المرشحات والموالفات وخلاطات التردد. وبالتالي ، يتم استخدامه بشكل شائع في عمليات إرسال البث اللاسلكي لكل من البث والاستقبال. لن ندخل في التفاصيل النظرية المتعلقة بدارات LC ، ولكن أهم شيء يجب أخذه في الاعتبار لفهم دائرة المستشعر المستخدمة في هذه المقالة ، ستكون معادلة حساب تردد الرنين لدائرة LC ، والتي تشبه:

f0 = 1 / (2 * π * √ (L * C))

حيث L هي قيمة المحاثة للملف في H (Henry) و C هي قيمة السعة للمكثف في F (Farads). لكي يكتشف المستشعر إشارة 34 كيلو هرتز - 40 كيلو هرتز التي يتم تشغيلها في السلك ، يجب أن يكون لدائرة الخزان التي استخدمناها تردد الرنين في هذا النطاق. اخترنا L = 1mH و C = 22nF للحصول على تردد رنين قدره 33932Hz محسوبًا باستخدام الصيغة (2). سيكون اتساع الإشارة المكتشفة بواسطة دارة الخزان الخاصة بنا صغيرًا نسبيًا (بحد أقصى 80 مللي فولت عندما اختبرنا دائرة المستشعر) عندما يكون المحرِّض على بعد 10 سم تقريبًا من السلك ، وبالتالي ، سيحتاج إلى بعض التضخيم. للقيام بذلك ، استخدمنا مكبر الصوت LM324 Op-Amp الشهير لتضخيم الإشارة مع كسب 100 في تكوين غير مقلوب على مرحلتين من التضخيم للتأكد من الحصول على إشارة تناظرية لطيفة قابلة للقراءة على مسافة أكبر من 10 سم في إخراج المستشعر. توفر هذه المقالة معلومات مفيدة حول Op-Amps بشكل عام. أيضًا ، يمكنك إلقاء نظرة على ورقة بيانات LM324. فيما يلي مخطط دائرة نموذجي لمكبر الصوت LM324: Op-Amp في تكوين غير مقلوب (الصورة الرابعة)

باستخدام المعادلة لتكوين كسب غير مقلوب ، Av = 1 + R2 / R1. سيوفر ضبط R1 إلى 10KOhms و R2 إلى 1MOhms ربحًا قدره 100 ، وهو ضمن المواصفات المطلوبة. لكي يتمكن الروبوت من اكتشاف السلك المحيط باتجاهات مختلفة ، فمن الأنسب أن يكون لديك أكثر من جهاز استشعار مثبت عليه. كلما زاد عدد أجهزة الاستشعار على الروبوت ، كان من الأفضل اكتشاف السلك الحدودي. في هذا البرنامج التعليمي ، وبما أن LM324 عبارة عن مضخم رباعي العمليات (وهذا يعني أن شريحة LM324 تحتوي على 4 مكبرات صوت منفصلة) ، فسنستخدم مستشعرين للكشف على اللوحة. هذا يعني استخدام دائرتين LC ولكل منهما مرحلتان من التضخيم. لذلك ، هناك حاجة إلى شريحة LM324 واحدة فقط.

الخطوة 6: التخطيطي والنماذج الأولية

كما ناقشنا أعلاه ، فإن المخطط التخطيطي للوحة المستشعر بسيط جدًا. وهي تتألف من دارتين LC وشريحة LM324 واثنين من مقاومات 10KOhms و 1MOhms لضبط مكاسب مكبرات الصوت.

فيما يلي قائمة بالمكونات التي يمكنك استخدامها:

• R1، R3، R5، R7: مقاومات 10 كيلو أوم
• R2، R4، R6، R8: مقاومات 1 ميجا أوم
• C1 ، C2: 22nF المكثفات
• IC: مكبر للصوت LM324N
• JP3 / JP4: 2.54 مم 3 رؤوس M / M
• المحاثات 1 ، 2: 1mH *

* يجب أن تعمل محاثات 1mH ذات التصنيف الحالي 420mA وعامل Q 40 252kHz بشكل جيد. لقد أضفنا أطرافًا لولبية حيث يؤدي المحث إلى التخطيطي من أجل وضع المحاثات (مع أسلاك ملحومة بأسلاك) في مواقع ملائمة على الروبوت. بعد ذلك ، سيتم توصيل الأسلاك (للمحثات) بأطراف المسمار. يمكن توصيل دبابيس Out1 و Out2 مباشرة بدبابيس الإدخال التناظرية لمتحكم دقيق. على سبيل المثال ، يمكنك استخدام لوحة Arduino UNO أو ، أفضل ، وحدة تحكم BotBoarduino للحصول على اتصال أكثر ملاءمة حيث تحتوي على دبابيس تمثيلية مقسمة إلى صف من 3 دبابيس (Signal و VCC و GND) وهي أيضًا متوافقة مع Arduino. سيتم تشغيل شريحة LM324 من خلال 5 فولت للمتحكم الدقيق ، وبالتالي ، فإن الإشارة التناظرية (الموجة المكتشفة) من لوحة المستشعر ستختلف بين 0 فولت و 5 فولت اعتمادًا على المسافة بين المحث والسلك المحيط. كلما اقترب المحرِّض من السلك المحيط ، زادت سعة موجة خرج دائرة المستشعر. هذا هو الشكل الذي يجب أن تبدو عليه دائرة المستشعر على اللوح.

الخطوة 7: النتائج

كما نرى في لقطات شاشة الذبذبات أدناه ، يتم تضخيم الموجة المكتشفة عند خرج دائرة LC وتشبع عند 5 فولت عندما يكون المحرِّض عند 15 سم من السلك المحيط.

كما فعلنا مع دائرة المولد ، قمنا بتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور مضغوط لطيف مع مكونات من خلال الفتحة للوحة المستشعر مع دائرتين للدبابات ومكبر للصوت ومخرجين تناظريين. يمكن العثور على الملفات في قسم "الملفات" في نهاية هذه المقالة.

الخطوة 8: كود اردوينو

كود Arduino الذي يمكنك استخدامه لمولد الأسلاك المحيطية والمستشعر بسيط للغاية. نظرًا لأن إخراج لوحة المستشعر عبارة عن إشارتين تناظريتين تتفاوتان من 0 فولت إلى 5 فولت (واحدة لكل مستشعر / محث) ، يمكن استخدام مثال AnalogRead Arduino. ما عليك سوى توصيل دبابيس الإخراج الخاصة بلوحة المستشعر بدبوسين إدخال تناظريين وقراءة الدبوس المناسب عن طريق تعديل مثال Arduino AnalogRead. باستخدام جهاز العرض التسلسلي Arduino ، يجب أن ترى قيمة RAW للدبوس التناظري الذي تستخدمه تختلف من 0 إلى 1024 عندما تقترب من المحرِّض إلى السلك المحيط.

يقرأ الكود الجهد على analogPin ويعرضه.

int analogPin = A3 ؛ // ممسحة مقياس الجهد (الطرف الأوسط) متصلة بالدبوس التناظري 3 / يؤدي الخارج إلى الأرض و + 5 فولت

int val = 0 ؛ // متغير لتخزين القيمة المقروءة

الإعداد باطل() {

Serial.begin (9600) ؛ // الإعداد التسلسلي

}

حلقة فارغة() {

val = analogRead (analogPin) ؛ // قراءة دبوس الإدخال Serial.println (val) ؛ // قيمة التصحيح