Generator dan Sensor Kawat Perimeter DIY: 8 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Teknologi pemandu kawat banyak digunakan di industri, khususnya, di gudang di mana penanganannya dilakukan secara otomatis. Robot mengikuti lingkaran kawat yang terkubur di tanah. Arus bolak-balik dengan intensitas dan frekuensi yang relatif rendah antara 5Kz dan 40KHz mengalir di kawat ini. Robot dilengkapi dengan sensor induktif, biasanya didasarkan pada rangkaian tangki (dengan frekuensi resonansi yang sama atau mendekati frekuensi gelombang yang dihasilkan) yang mengukur intensitas medan elektromagnetik yang dekat dengan tanah. Rantai pemrosesan (amplifikasi, filter, perbandingan) memungkinkan untuk menentukan posisi robot di dalam kawat. Saat ini, kawat perimeter / batas juga digunakan untuk membuat "pagar tak terlihat" untuk menjaga hewan peliharaan di dalam pekarangan, dan mesin pemotong rumput robot di dalam zona. LEGO juga menggunakan prinsip yang sama untuk memandu kendaraan di sepanjang jalan tanpa pengunjung melihat garis apa pun.

Tutorial ini menjelaskan dengan cara yang mudah dan intuitif untuk membantu Anda memahami teori, desain, dan implementasi untuk membuat generator dan sensor Anda sendiri untuk kawat perimeter. File (Skematis, File Eagle, Gerbers, File 3D, dan Kode Sampel Arduino) juga tersedia untuk diunduh. Dengan cara ini, Anda dapat menambahkan fitur deteksi perimeter kawat ke robot favorit Anda dan menyimpannya dalam "zona" operasi.

Langkah 1: GENERATOR

Teori

Rangkaian generator kawat perimeter akan didasarkan pada timer NE555 yang terkenal. NE555 atau lebih sering disebut 555 adalah sebuah sirkuit terpadu yang digunakan untuk mode timer atau multivibrator. Komponen ini masih digunakan sampai sekarang karena kemudahan penggunaan, biaya rendah, dan stabilitas. Satu miliar unit diproduksi per tahun. Untuk generator kami, kami akan menggunakan NE555 dalam konfigurasi Astabil. Konfigurasi stabil memungkinkan menggunakan NE555 sebagai osilator. Dua resistor dan kapasitor memungkinkan untuk memodifikasi frekuensi osilasi serta siklus kerja. Susunan komponennya seperti terlihat pada skema di bawah ini. NE555 Menghasilkan gelombang persegi (kasar) yang dapat berjalan sepanjang kawat perimeter. Mengacu pada datasheet NE555 untuk timer, terdapat rangkaian sampel, serta teori operasi (8.3.2 operasi A-stabil). Texas Instruments bukan satu-satunya produsen IC NE555, jadi jika Anda memilih chip lain, pastikan untuk memeriksa manualnya. Kami menawarkan Kit Solder Timer 555 yang bagus ini yang akan memberi Anda kesempatan untuk menyolder semua komponen internal timer 555 dalam paket lubang tembus untuk memungkinkan Anda memahami pengoperasian sirkuit ini secara detail.

Skema dan Prototyping

Skema yang disediakan dalam manual NE555 (8.3.2 A-stable bagian operasi) cukup lengkap. Beberapa komponen tambahan ditambahkan dan dibahas di bawah ini. (gambar pertama)

Rumus yang digunakan untuk menghitung frekuensi gelombang persegi keluaran adalah

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

Rentang frekuensi gelombang persegi yang dihasilkan akan berada di antara 32Khz dan 44KHz yang merupakan frekuensi tertentu yang tidak boleh mengganggu perangkat dekat lainnya. Untuk ini, kami telah memilih Ra = 3,3KOhm, Rb = 12KOhm + Potensiometer 4,7KOhm dan C = 1,2nF. Potensiometer akan membantu kita memvariasikan frekuensi keluaran gelombang persegi agar sesuai dengan frekuensi resonansi rangkaian LC Tank yang akan dibahas nanti. Nilai frekuensi keluaran terendah dan tertinggi secara teoritis akan dihitung sebagai berikut dengan rumus (1): Nilai frekuensi terendah: fL = 1,44 / ((3.3+2*(12+4.7))*1.2*10^(-9)) 32 698Hz

Nilai frekuensi tertinggi: fH = 1,44 / ((3,3+2*(12+0))*1,2*10^(-9)) 43 956Hz

Karena potensiometer 4,7KOhms tidak pernah mencapai 0 atau 4,7, rentang frekuensi keluaran akan bervariasi dari sekitar 33,5Khz hingga 39Khz. Berikut adalah skema lengkap rangkaian generator. (gambar kedua)

Seperti yang Anda lihat dalam skema, beberapa komponen tambahan ditambahkan dan akan dibahas di bawah. Berikut BOM lengkapnya:

• R1: 3,3 KOhm
• R2: 12 KOhm
• R3 (Resistor pembatas arus): 47 Ohm (harus cukup besar untuk menghilangkan panas dengan peringkat daya 2W sudah cukup)
• R4: Potensiometer 4.7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF juga akan melakukan pekerjaan itu)
• C5: 1uF
• J1: Konektor barel positif tengah 2.5mm (5-15V DC)
• J2: Terminal sekrup (dua posisi)
• IC1: NE555 Timer Presisi

Bagian tambahan yang ditambahkan ke skema termasuk jack barel (J1) untuk koneksi yang mudah ke adaptor dinding (12V) dan terminal sekrup (12) untuk menghubungkan dengan mudah ke kawat perimeter. Kawat Perimeter: Perhatikan bahwa semakin panjang kawat keliling, semakin menurun sinyalnya. Kami menguji pengaturan dengan kira-kira 100 'dari 22 gauge kawat multi-untai (dipatok ke tanah sebagai lawan dikubur). Catu Daya: Adaptor dinding 12V sangat umum, dan peringkat arus apa pun di atas 500mA harus berfungsi dengan baik. Anda juga dapat memilih asam timbal 12V atau LiPo 11.1V untuk menyimpannya di dalam casing, tetapi pastikan untuk membuatnya tahan cuaca dan mematikannya saat tidak digunakan. Berikut beberapa bagian yang kami tawarkan yang mungkin Anda perlukan saat membangun rangkaian generator:

• 2.1mm Barrel Jack ke terminal atau 2.1mm Barrel Jack Adapter - Breadboard Kompatibel
• 400 Tie Point Interlocking Transparan Solderless Breadboard
• 65 x 22 Gauge Berbagai Macam Kabel Jumper
• Kit Resistor DFRobot
• Kit Kapasitor SparkFun
• Catu Daya Adaptor Dinding 12VDC 3A

Berikut adalah tampilan rangkaian generator pada papan tempat memotong roti (gambar ketiga)

Langkah 2: Hasil

Seperti yang ditunjukkan pada tangkapan layar osiloskop di bawah ini dari output rangkaian generator (diambil dengan Osiloskop Tablet Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 Channels), kita dapat melihat gelombang persegi (kasar) dengan frekuensi 36,41KHz dan amplitudo 11.8V (menggunakan adaptor daya 12V). Frekuensi dapat sedikit divariasikan dengan mengatur potensiometer R4.

Papan tempat memotong roti tanpa solder jarang menjadi solusi jangka panjang dan paling baik digunakan untuk membuat prototipe cepat. Oleh karena itu, setelah memastikan bahwa rangkaian generator bekerja sebagaimana mestinya, menghasilkan gelombang persegi dengan rentang frekuensi 33.5Khz dan 40KHz (variabel melalui pot R4), kami telah merancang PCB (24mmx34mm) hanya dengan PTH (Berlapis-melalui Lubang).) komponen untuk membuatnya menjadi papan generator gelombang persegi kecil yang bagus. Karena komponen lubang tembus digunakan untuk membuat prototipe dengan papan tempat memotong roti, PCB juga dapat menggunakan komponen lubang tembus (bukan pemasangan di permukaan), dan memungkinkan penyolderan mudah dengan tangan. Penempatan komponen tidak tepat, dan Anda mungkin dapat menemukan ruang untuk perbaikan. Kami telah menyediakan file Eagle dan Gerber untuk diunduh sehingga Anda dapat membuat PCB sendiri. File dapat ditemukan di bagian "File" di akhir artikel ini. Berikut adalah beberapa tips ketika merancang papan Anda sendiri: Memiliki konektor barel dan terminal sekrup di sisi papan yang samaLetakkan komponen yang relatif dekat satu sama lain dan meminimalkan jejak/panjangMemiliki lubang pemasangan menjadi diameter standar, dan terletak di tempat yang mudah mereproduksi persegi panjang.

Langkah 3: Instalasi Kawat

Jadi bagaimana cara memasang kawat? Daripada menguburnya, lebih mudah menggunakan pasak untuk menahannya. Anda bebas menggunakan apa pun yang Anda inginkan untuk menjaga kabel tetap di tempatnya, tetapi plastik berfungsi paling baik. Satu pak 50 pasak yang digunakan untuk mesin pemotong rumput robot cenderung tidak mahal. Saat memasang kabel, pastikan kedua ujungnya bertemu di lokasi yang sama untuk menyambung ke papan generator melalui terminal sekrup.

Langkah 4: Tahan Cuaca

Karena sistem kemungkinan besar akan ditinggalkan di luar untuk digunakan di luar ruangan. Kawat perimeter membutuhkan lapisan tahan cuaca, dan sirkuit generator itu sendiri ditempatkan dalam wadah tahan air. Enclosure keren ini bisa kamu gunakan untuk melindungi genset dari hujan. Tidak semua kawat dibuat sama. Jika Anda berencana untuk tidak menggunakan kabel, pastikan untuk berinvestasi pada kabel yang benar, misalnya Perimeter Kawat Perimeter Robomow 300' yang tidak tahan UV / air ini akan cepat rusak seiring waktu dan menjadi rapuh.

Langkah 5: Sensor

Teori

Sekarang setelah kita membangun rangkaian generator dan memastikannya beroperasi sebagaimana mestinya, sekarang saatnya untuk mulai memikirkan cara mendeteksi sinyal yang melewati kabel. Untuk ini, kami mengundang Anda untuk membaca tentang Sirkuit LC, juga disebut Sirkuit Tangki atau Sirkuit Tuned. Rangkaian LC adalah rangkaian listrik yang didasarkan pada Induktor/Coil (L) dan kapasitor (C) yang dihubungkan secara paralel. Sirkuit ini digunakan dalam filter, tuner, dan mixer frekuensi. Akibatnya, ini biasanya digunakan dalam transmisi siaran nirkabel untuk siaran dan penerimaan. Kami tidak akan membahas detail teoretis tentang rangkaian LC, tetapi hal terpenting yang perlu diingat untuk memahami rangkaian sensor yang digunakan dalam artikel ini, adalah rumus untuk menghitung frekuensi resonansi rangkaian LC, yang berbunyi seperti:

f0 = 1/(2*π*√(L*C))

Dimana L adalah nilai induktansi kumparan dalam H (Henry) dan C adalah nilai kapasitansi kapasitor dalam F (Farads). Agar sensor mendeteksi sinyal 34kHz-40Khz yang mengalir ke kabel, rangkaian tangki yang kami gunakan harus memiliki frekuensi resonansi dalam kisaran ini. Kami memilih L = 1mH dan C = 22nF untuk mendapatkan frekuensi resonansi 33.932Hz yang dihitung menggunakan rumus (2). Amplitudo sinyal yang terdeteksi oleh rangkaian tangki kami akan relatif kecil (maksimum 80mV ketika kami menguji rangkaian sensor kami) ketika induktor berada sekitar 10cm dari kabel, oleh karena itu, diperlukan beberapa penguatan. Untuk melakukannya, kami telah menggunakan penguat Op-Amp LM324 yang populer untuk memperkuat sinyal dengan penguatan 100 dalam konfigurasi non-pembalik 2 tahap amplifikasi untuk memastikan mendapatkan sinyal analog yang dapat dibaca dengan baik pada jarak yang lebih jauh dari 10cm di keluaran sensornya. Artikel ini memberikan informasi yang berguna tentang Op-Amps secara umum. Anda juga dapat melihat lembar data LM324. Berikut adalah skema rangkaian khas penguat LM324: Op-Amp dalam konfigurasi non-pembalik (gambar keempat)

Menggunakan persamaan untuk konfigurasi gain non-pembalik, Av = 1+R2/R1. Mengatur R1 ke 10KOhms dan R2 ke 1MOhms akan memberikan keuntungan 100, yang berada dalam spesifikasi yang diinginkan. Agar robot dapat mendeteksi kawat perimeter dalam orientasi yang berbeda, lebih tepat untuk memasang lebih dari satu sensor. Semakin banyak sensor pada robot, semakin baik akan mendeteksi kawat batas. Untuk tutorial ini, dan karena LM324 adalah amplifier quad-op (ini berarti satu chip LM324 memiliki 4 amplifier terpisah), kami akan menggunakan dua sensor pendeteksi di papan. Ini berarti menggunakan dua sirkuit LC dan masing-masing akan memiliki 2 tahap amplifikasi. Oleh karena itu, hanya diperlukan satu chip LM324.

Langkah 6: Skema dan Prototyping

Seperti yang telah kita bahas di atas, skema untuk papan sensor cukup mudah. Ini terdiri dari 2 sirkuit LC, satu chip LM324 dan beberapa resistor 10KOhms dan 1MOhms untuk mengatur penguatan amplifier.

Berikut adalah daftar komponen yang dapat Anda gunakan:

• R1, R3, R5, R7: Resistor 10KOhm
• R2, R4, R6, R8: Resistor 1MOhm
• C1, C2: Kapasitor 22nF
• IC: penguat LM324N
• JP3 / JP4: header M/M 3-pin 2.54mm
• Induktor 1, 2: 1mH*

* Induktor 1mH dengan peringkat arus 420mA dan faktor Q 40 252kHz harus bekerja dengan baik. Kami telah menambahkan terminal sekrup sebagai induktor mengarah ke skema agar induktor (dengan timah disolder ke kabel) untuk ditempatkan di lokasi yang nyaman pada robot. Kemudian, kabel (dari induktor) akan dihubungkan ke terminal sekrup. Pin Out1 dan Out2 dapat langsung dihubungkan ke pin input analog mikrokontroler. Misalnya, Anda dapat menggunakan Papan Arduino UNO atau, lebih baik lagi, Pengontrol BotBoarduino untuk koneksi yang lebih nyaman karena memiliki pin analog yang dipecah menjadi deretan 3 pin (Sinyal, VCC, GND) dan juga kompatibel dengan Arduino. Chip LM324 akan diberi daya melalui mikrokontroler 5V, oleh karena itu, sinyal analog (gelombang yang terdeteksi) dari papan sensor akan bervariasi antara 0V dan 5V tergantung pada jarak antara induktor dan kawat perimeter. Semakin dekat induktor ke kawat perimeter, semakin tinggi amplitudo gelombang keluaran rangkaian sensor. Inilah yang seharusnya terlihat seperti rangkaian sensor pada papan tempat memotong roti.

Langkah 7: Hasil

Seperti yang dapat kita lihat pada tangkapan layar osiloskop di bawah, gelombang yang terdeteksi pada output rangkaian LC diperkuat dan jenuh pada 5V ketika induktor berada pada 15cm ke kawat perimeter.

Sama seperti yang kami lakukan dengan sirkuit generator, kami telah merancang PCB kompak yang bagus dengan komponen lubang tembus untuk papan sensor dengan dua sirkuit tangki, amplifier, dan 2 output analog. File dapat ditemukan di bagian "File" di akhir artikel ini.

Langkah 8: Kode Arduino

Kode Arduino yang dapat Anda gunakan untuk generator kawat perimeter dan sensornya sangat sederhana. Karena output dari papan sensor adalah dua sinyal analog yang bervariasi dari 0V hingga 5V (satu untuk setiap sensor/induktor), contoh AnalogRead Arduino dapat digunakan. Cukup sambungkan dua pin output papan sensor ke dua pin input analog dan baca pin yang sesuai dengan memodifikasi Contoh AnalogRead Arduino. Menggunakan monitor serial Arduino, Anda akan melihat nilai RAW dari pin analog yang Anda gunakan bervariasi dari 0 hingga 1024 saat Anda mendekati induktor ke kawat perimeter.

Kode membaca tegangan pada analogPin dan menampilkannya.

int analogPin = A3; // wiper potensiometer (terminal tengah) terhubung ke pin analog 3 // lead luar ke ground dan +5V

int nilai = 0; // variabel untuk menyimpan nilai read

batalkan pengaturan() {

Serial.begin(9600); //setup serial

}

lingkaran kosong() {

val = analogRead(analogPin); // membaca pin input Serial.println(val); // nilai debug