Sensor e gerador de fio de perímetro faça você mesmo: 8 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

A tecnologia de orientação por fio é amplamente utilizada na indústria, particularmente em depósitos onde o manuseio é automatizado. Os robôs seguem um laço de arame enterrado no solo. Uma corrente alternada de intensidade e frequência relativamente baixas entre 5Kz e 40KHz flui neste fio. O robô é equipado com sensores indutivos, geralmente baseados em um circuito tanque (com frequência de ressonância igual ou próxima à frequência da onda gerada) que mede a intensidade do campo eletromagnético próximo ao solo. Uma cadeia de processamento (amplificação, filtros, comparação) permite determinar a posição do robô dentro do fio. Hoje em dia, o fio de perímetro / limite também é usado para criar “cercas invisíveis” para manter os animais de estimação nos quintais e os cortadores de grama robô dentro das zonas. A LEGO também usa o mesmo princípio para guiar veículos ao longo das estradas sem que os visitantes vejam nenhuma linha.

Este tutorial explica de uma maneira fácil e intuitiva para ajudá-lo a entender a teoria, o projeto e a implementação para fazer seu próprio gerador e sensor para um fio de perímetro. Os arquivos (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files e Arduino Sample Code) também estão disponíveis para download. Desta forma, você pode adicionar o recurso de detecção de perímetro de fio ao seu robô favorito e mantê-lo dentro de uma "zona" operacional.

Etapa 1: GERADOR

Teoria

O circuito do gerador de fio perimetral será baseado no famoso cronômetro NE555. NE555 ou mais comumente chamado de 555 é um circuito integrado usado para o modo temporizador ou multivibrador. Este componente ainda é usado hoje devido à sua facilidade de uso, baixo custo e estabilidade. Um bilhão de unidades são fabricadas por ano. Para o nosso gerador, usaremos o NE555 na configuração Astable. A configuração estável permite usar o NE555 como oscilador. Dois resistores e um capacitor permitem modificar a freqüência de oscilação e também o ciclo de trabalho. A disposição dos componentes é mostrada no esquema abaixo. O NE555 gera uma onda quadrada (rugosa) que pode percorrer o comprimento do fio do perímetro. Referindo-se à folha de dados do NE555 para o temporizador, há um circuito de amostra, bem como a teoria de operação (8.3.2 operação estável A). A Texas Instruments não é o único fabricante de ICs NE555, portanto, se você escolher outro chip, verifique seu manual. Nós oferecemos este belo kit de solda com temporizador 555 que lhe dará a oportunidade de soldar todos os componentes internos de um temporizador 555 em um pacote de orifício para permitir que você entenda a operação deste circuito em detalhes.

Esquemático e Prototipagem

O esquema fornecido no manual do NE555 (seção de operação 8.3.2 A-stable) está bastante completo. Alguns componentes adicionais foram adicionados e discutidos abaixo. (primeira imagem)

A fórmula usada para calcular a frequência da onda quadrada de saída é

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

A faixa de frequência da onda quadrada gerada será entre 32Khz e 44KHz, que é uma frequência específica que não deve interferir com outros dispositivos próximos. Para isso, escolhemos Ra = 3,3 KOhms, Rb = 12 KOhms + 4,7 KOhms Potenciômetro e C = 1,2 nF. O potenciômetro nos ajudará a variar a frequência da saída de onda quadrada para coincidir com a frequência de ressonância do circuito LC Tank que será discutido mais tarde. Os valores teóricos mais baixo e mais alto da frequência de saída serão os seguintes calculados pela fórmula (1): Valor de frequência mais baixo: fL = 1,44 / ((3,3 + 2 * (12 + 4,7)) * 1,2 * 10 ^ (- 9)) ≈32 698 Hz

Valor de frequência mais alto: fH = 1,44 / ((3,3 + 2 * (12 + 0)) * 1,2 * 10 ^ (- 9)) ≈ 43 956 Hz

Uma vez que o potenciômetro de 4,7 Kohms nunca chega a 0 ou 4,7, a faixa de frequência de saída irá variar de cerca de 33,5 KHz a 39 KHz. Aqui está o esquema completo do circuito do gerador. (segunda imagem)

Como você pode ver no esquema, alguns componentes adicionais foram adicionados e serão discutidos a seguir. Aqui está o BOM completo:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (resistor limitador de corrente): 47 Ohms (precisa ser bastante grande para dissipar o calor com uma potência nominal de 2W deve ser suficiente)
• R4: potenciômetro de 4,7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF também fará o trabalho)
• C5: 1uF
• J1: conector de cilindro positivo central de 2,5 mm (5-15 V DC)
• J2: Terminal de parafuso (duas posições)
• IC1: Temporizador de precisão NE555

As peças adicionais adicionadas ao esquema incluem um conector de barril (J1) para fácil conexão a um adaptador de parede (12V) e um terminal de parafuso (12) para conectar convenientemente ao fio do perímetro. Fio de perímetro: observe que quanto mais longo o fio de perímetro, mais o sinal se degrada. Testamos a configuração com cerca de 100 pés de fio multifilar de calibre 22 (preso ao solo em vez de enterrado). Fonte de alimentação: Um adaptador de parede de 12 V é incrivelmente comum e qualquer corrente nominal acima de 500 mA deve funcionar bem. Você também pode escolher um ácido de chumbo 12 V ou LiPo 11,1 V para mantê-lo dentro da caixa, mas certifique-se de torná-lo à prova d'água e desligá-lo quando não estiver em uso. Aqui estão algumas peças que oferecemos que você pode precisar ao construir o circuito do gerador:

• Conector de cano de 2,1 mm para o terminal ou este adaptador de conector de cano de 2,1 mm - Compatível com placa de ensaio
• 400 Tie Point Interlocking Transparent Solderless Breadboard
• Fios de ligação variados de calibre 65 x 22
• DFRobot Resistor Kit
• Kit de capacitor SparkFun
• Fonte de alimentação do adaptador de parede 12VDC 3A

Aqui está a aparência do circuito do gerador em uma placa de ensaio (terceira imagem)

Etapa 2: Resultados

Conforme mostrado na captura de tela do osciloscópio abaixo da saída do circuito do gerador (tirada com o osciloscópio de tablet de 4 canais Micsig 200 MHz 1 GS / s), podemos ver uma onda quadrada (rugosa) com uma frequência de 36,41 KHz e uma amplitude de 11,8 V (usando um adaptador de alimentação de 12 V). A frequência pode ser ligeiramente variada ajustando o potenciômetro R4.

Uma placa de ensaio sem solda raramente é uma solução de longo prazo e é melhor usada para criar um protótipo rápido. Portanto, após confirmar que o circuito gerador está funcionando como deveria, gerando uma onda quadrada com uma faixa de frequência de 33,5 KHz e 40 KHz (variável através do potenciômetro R4), projetamos um PCB (24 mm x 34 mm) apenas com PTH (Furo Plated-through) componentes para torná-lo uma pequena placa de gerador de onda quadrada agradável. Como os componentes do orifício passante foram usados para prototipagem com uma placa de ensaio, o PCB também pode usar componentes do orifício passante (em vez de montagem em superfície) e permite a soldagem fácil à mão. O posicionamento dos componentes não é exato e você provavelmente encontrará espaço para melhorias. Disponibilizamos os arquivos Eagle e Gerber para download para que você possa fazer seu próprio PCB. Os arquivos podem ser encontrados na seção "Arquivos" no final deste artigo. Aqui estão algumas dicas ao projetar sua própria placa: Coloque o conector cilíndrico e o terminal de parafuso do mesmo lado da placa. Coloque os componentes relativamente próximos um do outro e minimize os traços / comprimentos. Os orifícios de montagem devem ter um diâmetro padrão e estar localizados em um local fácil de reproduzir retângulo.

Etapa 3: Instalação de fios

Então, como instalar o fio? Em vez de enterrá-lo, é mais fácil simplesmente usar pinos para mantê-lo no lugar. Você está livre para usar o que quiser para manter o fio no lugar, mas o plástico funciona melhor. Um pacote de 50 pinos usados para cortadores de grama robóticos tende a ser barato. Ao colocar o fio, certifique-se de que ambas as extremidades se encontrem no mesmo local para conectar à placa do gerador através do terminal de parafuso.

Etapa 4: Resistência às intempéries

Uma vez que o sistema provavelmente será deixado do lado de fora para ser usado ao ar livre. O fio do perímetro precisa de um revestimento resistente às intempéries, e o circuito do gerador em si alojado em uma caixa à prova d'água. Você pode usar este gabinete legal para proteger o gerador da chuva. Nem todos os fios são criados iguais. Se você planeja deixar o fio de fora, certifique-se de investir no fio correto, por exemplo, esta blindagem de fio de perímetro Robomow 300 'que não é resistente a UV / água se degradará rapidamente com o tempo e se tornará quebradiça.

Etapa 5: Sensor

Teoria

Agora que construímos o circuito do gerador e nos certificamos de que ele está funcionando como deveria, é hora de começar a pensar em como detectar o sinal que passa pelo fio. Para isso, convidamos você a ler sobre o Circuito LC, também denominado Circuito Tanque ou Circuito Sintonizado. Um circuito LC é um circuito elétrico baseado em um indutor / bobina (L) e um capacitor (C) conectados em paralelo. Este circuito é usado em filtros, sintonizadores e mixers de frequência. Conseqüentemente, é comumente usado em transmissões de difusão sem fio para difusão e recepção. Não entraremos em detalhes teóricos sobre os circuitos LC, mas o mais importante a se ter em mente para entender o circuito sensor usado neste artigo, seria a fórmula para calcular a frequência de ressonância de um circuito LC, que é mais ou menos:

f0 = 1 / (2 * π * √ (L * C))

Onde L é o valor da indutância da bobina em H (Henry) e C é o valor da capacitância do capacitor em F (Farads). Para que o sensor detecte o sinal de 34kHz-40kHz que passa pelo fio, o circuito do tanque que usamos deve ter a frequência de ressonância nesta faixa. Escolhemos L = 1mH e C = 22nF para obter uma frequência de ressonância de 33 932 Hz calculada pela fórmula (2). A amplitude do sinal detectado pelo nosso circuito tanque será relativamente pequena (um máximo de 80mV quando testamos nosso circuito sensor) quando o indutor estiver a cerca de 10cm do fio, portanto, precisará de alguma amplificação. Para fazer isso, usamos o popular amplificador LM324 Op-Amp para amplificar o sinal com um ganho de 100 em uma configuração não inversora de amplificação de 2 estágios para garantir a obtenção de um bom sinal analógico legível a uma distância maior que 10 cm no saída do sensor. Este artigo fornece informações úteis sobre Op-Amps em geral. Além disso, você pode dar uma olhada na folha de dados do LM324. Aqui está um esquema de circuito típico de um amplificador LM324: Op-Amp em configuração não inversora (quarta imagem)

Usando a equação para uma configuração de ganho não inversora, Av = 1 + R2 / R1. Configurar R1 para 10KOhms e R2 para 1MOhms fornecerá um ganho de 100, que está dentro da especificação desejada. Para que o robô seja capaz de detectar o fio de perímetro em diferentes orientações, é mais apropriado ter mais de um sensor instalado nele. Quanto mais sensores houver no robô, melhor ele detectará o fio de limite. Para este tutorial, e como o LM324 é um amplificador quad-op (isso significa que um chip LM324 tem 4 amplificadores separados), usaremos dois sensores de detecção na placa. Isso significa usar dois circuitos LC e cada um terá 2 estágios de amplificação. Portanto, apenas um chip LM324 é necessário.

Etapa 6: esquemático e prototipagem

Como discutimos acima, o esquema da placa do sensor é bastante simples. É composto por 2 circuitos LC, um chip LM324 e um par de resistores de 10KOhms e 1MOhms para definir os ganhos dos amplificadores.

Aqui está uma lista dos componentes que você pode usar:

• R1, R3, R5, R7: resistores de 10 KOhm
• R2, R4, R6, R8: resistores de 1MOhm
• C1, C2: Capacitores 22nF
• IC: amplificador LM324N
• JP3 / JP4: cabeçalhos M / M de 3 pinos de 2,54 mm
• Indutores 1, 2: 1mH *

* Indutores de 1mH com uma classificação de corrente de 420mA e um fator Q de 40 252kHz devem funcionar bem. Adicionamos terminais de parafuso como condutores do indutor ao esquema para que os indutores (com condutores soldados aos fios) sejam colocados em locais convenientes no robô. Em seguida, os fios (dos indutores) serão conectados aos terminais de parafuso. Os pinos Out1 e Out2 podem ser conectados diretamente aos pinos de entrada analógica de um microcontrolador. Por exemplo, você pode usar uma placa Arduino UNO ou, melhor, um controlador BotBoarduino para uma conexão mais conveniente, pois tem pinos analógicos divididos em uma fileira de 3 pinos (sinal, VCC, GND) e também é compatível com Arduino. O chip LM324 será alimentado através do microcontrolador 5V, portanto, o sinal analógico (onda detectada) da placa do sensor irá variar entre 0V e 5V dependendo da distância entre o indutor e o fio do perímetro. Quanto mais próximo o indutor estiver do fio do perímetro, maior será a amplitude da onda de saída do circuito do sensor. Aqui está a aparência do circuito do sensor em uma placa de ensaio.

Etapa 7: Resultados

Como podemos ver nas imagens do osciloscópio abaixo, a onda detectada na saída do circuito LC é amplificada e saturada em 5 V quando o indutor está a 15 cm do fio do perímetro.

Da mesma forma que fizemos com o circuito do gerador, projetamos uma placa de circuito impresso compacta com componentes de passagem para a placa do sensor com dois circuitos tanque, um amplificador e 2 saídas analógicas. Os arquivos podem ser encontrados na seção "Arquivos" no final deste artigo.

Etapa 8: Código Arduino

O código do Arduino que você pode usar para o seu gerador de fio de perímetro e o sensor é muito simples. Como a saída da placa do sensor são dois sinais analógicos variando de 0 V a 5 V (um para cada sensor / indutor), o exemplo AnalogRead Arduino pode ser usado. Basta conectar os dois pinos de saída da placa do sensor a dois pinos de entrada analógica e ler o pino apropriado modificando o Exemplo AnalogRead do Arduino. Usando o monitor serial Arduino, você deve ver um valor RAW do pino analógico que você está usando varia de 0 a 1024 conforme você aproxima o indutor do fio do perímetro.

O código lê a tensão em analogPin e a exibe.

int analogPin = A3; // limpador do potenciômetro (terminal do meio) conectado ao pino analógico 3 // condutores externos ao aterramento e + 5V

int val = 0; // variável para armazenar o valor lido

void setup () {

Serial.begin (9600); // setup serial

}

void loop () {

val = analogRead (analogPin); // lê o pino de entrada Serial.println (val); // valor de depuração