Generador y sensor de alambre perimetral de bricolaje: 8 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

La tecnología de guía de cables se usa ampliamente en la industria, particularmente, en almacenes donde la manipulación está automatizada. Los robots siguen un bucle de alambre enterrado en el suelo. En este cable fluye una corriente alterna de intensidad y frecuencia relativamente bajas entre 5Kz y 40KHz. El robot está equipado con sensores inductivos, generalmente basados en un circuito tanque (con una frecuencia de resonancia igual o cercana a la frecuencia de la onda generada) que mide la intensidad del campo electromagnético cerca del suelo. Una cadena de procesamiento (amplificación, filtros, comparación) permite determinar la posición del robot dentro del cable. En estos días, el cable perimetral / delimitador también se usa para crear “cercas invisibles” para mantener a las mascotas dentro de los patios y los robots cortacésped dentro de las zonas. LEGO también utiliza el mismo principio para guiar vehículos a lo largo de las carreteras sin que los visitantes vean ninguna línea.

Este tutorial explica de una manera fácil e intuitiva para ayudarlo a comprender la teoría, el diseño y la implementación para hacer su propio generador y sensor para un cable perimetral. Los archivos (Schematics, Eagle Files, Gerbers, 3D Files y Arduino Sample Code) también están disponibles para descargar. De esta manera, puede agregar la función de detección de perímetro de cables a su robot favorito y mantenerlo dentro de una "zona" operativa.

Paso 1: GENERADOR

Teoría

El circuito generador de alambre perimetral se basará en el famoso temporizador NE555. NE555 o más comúnmente llamado 555 es un circuito integrado que se usa para el modo de temporizador o multivibrador. Este componente todavía se usa hoy en día debido a su facilidad de uso, bajo costo y estabilidad. Se fabrican mil millones de unidades al año. Para nuestro generador, usaremos el NE555 en configuración Astable. La configuración estable permite utilizar el NE555 como oscilador. Dos resistencias y un condensador permiten modificar la frecuencia de oscilación y el ciclo de trabajo. La disposición de los componentes se muestra en el esquema siguiente. El NE555 genera una onda cuadrada (rugosa) que puede recorrer la longitud del cable perimetral. En referencia a la hoja de datos NE555 para el temporizador, hay un circuito de muestra, así como la teoría de funcionamiento (8.3.2 Funcionamiento estable A). Texas Instruments no es el único fabricante de circuitos integrados NE555, por lo que si elige otro chip, asegúrese de consultar su manual. Ofrecemos este agradable kit de soldadura con temporizador 555 que le dará la oportunidad de soldar todos los componentes internos de un temporizador 555 en un paquete de orificio pasante para que pueda comprender el funcionamiento de este circuito en detalle.

Esquema y creación de prototipos

El esquema proporcionado en el manual de NE555 (sección 8.3.2 Operación estable A) es bastante completo. Se agregaron y discutieron algunos componentes adicionales a continuación. (primera imagen)

La fórmula utilizada para calcular la frecuencia de la onda cuadrada de salida es

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

El rango de frecuencia de la onda cuadrada generada estará entre 32 KHz y 44 KHz, que es una frecuencia específica que no debería interferir con otros dispositivos cercanos. Para ello, hemos elegido Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + Potenciómetro 4.7KOhms y C = 1.2nF. El potenciómetro nos ayudará a variar la frecuencia de la salida de onda cuadrada para que coincida con la frecuencia de resonancia del circuito del tanque LC que se discutirá más adelante. El valor teórico más bajo y más alto de la frecuencia de salida será el siguiente calculado por la fórmula (1): Valor de frecuencia más bajo: fL = 1.44 / ((3.3 + 2 * (12 + 4.7)) * 1.2 * 10 ^ (- 9)) ≈32 698Hz

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

Dado que el potenciómetro de 4.7KOhms nunca llega a 0 o 4.7, el rango de frecuencia de salida variará de alrededor de 33.5Khz a 39Khz. Aquí está el esquema completo del circuito del generador. (segunda imagen)

Como puede ver en el esquema, se agregaron algunos componentes adicionales y se discutirán a continuación. Aquí está la lista de materiales completa:

• R1: 3,3 kiloohmios
• R2: 12 kiloohmios
• R3 (resistencia limitadora de corriente): 47 ohmios (debe ser bastante grande para disipar el calor con una potencia nominal de 2 W debería ser suficiente)
• R4: potenciómetro de 4,7 KOhmios
• C2, C4: 100 nF
• C3: 1.2nF (1000pF también funcionará)
• C5: 1uF
• J1: conector cilíndrico positivo central de 2,5 mm (5-15 V CC)
• J2: Terminal de tornillo (dos posiciones)
• IC1: Temporizador de precisión NE555

Las piezas adicionales agregadas al esquema incluyen un conector de barril (J1) para una fácil conexión a un adaptador de pared (12V) y un terminal de tornillo (12) para conectarlo cómodamente al cable perimetral. Cable perimetral: tenga en cuenta que cuanto más largo sea el cable perimetral, más se degrada la señal. Probamos la configuración con aproximadamente 100 'de cable de múltiples hilos de calibre 22 (clavado en el suelo en lugar de enterrado). Fuente de alimentación: un adaptador de pared de 12 V es increíblemente común, y cualquier corriente nominal superior a 500 mA debería funcionar bien. También puede elegir un ácido de plomo de 12 V o un LiPo de 11,1 V para mantenerlo dentro de la carcasa, pero asegúrese de protegerlo contra la intemperie y apagarlo cuando no esté en uso. A continuación, ofrecemos algunas piezas que podría necesitar al construir el circuito del generador:

• Conector de barril de 2,1 mm al terminal o este adaptador de conector de barril de 2,1 mm - Compatible con placa de pruebas
• Tablero de pruebas sin soldadura transparente entrelazado de 400 puntos de unión
• Cables de puente surtidos de calibre 65 x 22
• Kit de resistencia DFRobot
• Kit de condensadores SparkFun
• Fuente de alimentación del adaptador de pared de 12VDC 3A

Así es como debería verse el circuito del generador en una placa de pruebas (tercera imagen)

Paso 2: resultados

Como se muestra en la siguiente captura de pantalla del osciloscopio de la salida del circuito generador (tomada con el osciloscopio de tableta Micsig 200 MHz 1 GS / s 4 canales), podemos ver una onda cuadrada (rugosa) con una frecuencia de 36.41KHz y una amplitud de 11,8 V (utilizando un adaptador de corriente de 12 V). La frecuencia se puede variar ligeramente ajustando el potenciómetro R4.

Una placa de pruebas sin soldadura rara vez es una solución a largo plazo y es mejor utilizarla para crear un prototipo rápido. Por lo tanto, luego de confirmar que el circuito generador está funcionando como debería, generando una onda cuadrada con un rango de frecuencia de 33.5Khz y 40KHz (variable a través del potenciómetro R4), hemos diseñado un PCB (24mmx34mm) solo con PTH (Plated-through Hole) componentes para convertirlo en una bonita placa generadora de onda cuadrada pequeña. Dado que los componentes de orificio pasante se utilizaron para la creación de prototipos con una placa de prueba, la PCB también podría usar componentes de orificio pasante (en lugar de montaje en superficie) y permite soldar fácilmente a mano. La ubicación de los componentes no es exacta y es probable que pueda encontrar margen de mejora. Hemos hecho que los archivos Eagle y Gerber estén disponibles para su descarga para que pueda hacer su propia PCB. Los archivos se pueden encontrar en la sección "Archivos" al final de este artículo. A continuación se ofrecen algunos consejos para diseñar su propia placa: Coloque el conector cilíndrico y el terminal de tornillo en el mismo lado de la placa Coloque los componentes relativamente cerca unos de otros y minimice los rastros / longitudes Haga que los orificios de montaje tengan un diámetro estándar y estén ubicados de manera fácil reproducir rectángulo.

Paso 3: instalación de cables

Entonces, ¿cómo instalar el cable? En lugar de enterrarlo, es más fácil simplemente usar clavijas para mantenerlo en su lugar. Eres libre de usar lo que quieras para mantener el cable en su lugar, pero el plástico funciona mejor. Un paquete de 50 clavijas que se utilizan para robots cortacésped tiende a ser económico. Cuando coloque el cable, asegúrese de que ambos extremos se encuentren en el mismo lugar para conectarse a la placa del generador a través del terminal de tornillo.

Paso 4: Resistencia a la intemperie

Dado que lo más probable es que el sistema se deje afuera para usarlo al aire libre. El cable perimetral necesita un revestimiento resistente a la intemperie y el circuito del generador en sí está alojado en una caja impermeable. Puede utilizar este recinto genial para proteger el generador de la lluvia. No todos los cables son iguales. Si planea dejar el cable fuera, asegúrese de invertir en el cable correcto, por ejemplo, este blindaje de cable perimetral Robomow de 300 pies que no es resistente a los rayos UV / agua se degradará rápidamente con el tiempo y se volverá quebradizo.

Paso 5: Sensor

Teoría

Ahora que hemos construido el circuito del generador y nos aseguramos de que está funcionando como se suponía, es hora de empezar a pensar en cómo detectar la señal que pasa por el cable. Para ello, lo invitamos a leer sobre el Circuito LC, también llamado Circuito Tanque o Circuito Sintonizado. Un circuito LC es un circuito eléctrico basado en un inductor / bobina (L) y un condensador (C) conectados en paralelo. Este circuito se utiliza en filtros, sintonizadores y mezcladores de frecuencia. En consecuencia, se utiliza comúnmente en transmisiones de difusión inalámbrica tanto para difusión como para recepción. No entraremos en detalles teóricos sobre los circuitos LC, pero lo más importante a tener en cuenta para comprender el circuito sensor utilizado en este artículo, sería la fórmula para calcular la frecuencia de resonancia de un circuito LC, que dice así:

f0 = 1 / (2 * π * √ (L * C))

Donde L es el valor de inductancia de la bobina en H (Henry) y C es el valor de capacitancia del capacitor en F (Faradios). Para que el sensor detecte la señal de 34kHz-40Khz que corre hacia el cable, el circuito del tanque que usamos debe tener la frecuencia de resonancia en este rango. Elegimos L = 1mH y C = 22nF para obtener una frecuencia de resonancia de 33 932Hz calculada mediante la fórmula (2). La amplitud de la señal detectada por nuestro circuito tanque será relativamente pequeña (un máximo de 80 mV cuando probamos nuestro circuito sensor) cuando el inductor esté a unos 10 cm del cable, por lo tanto, necesitará algo de amplificación. Para ello, hemos utilizado el popular amplificador Op-Amp LM324 para amplificar la señal con una ganancia de 100 en una configuración no inversora de amplificación de 2 etapas para asegurarnos de obtener una buena señal analógica legible a una distancia mayor de 10 cm en el salida del sensor. Este artículo proporciona información útil sobre los amplificadores operacionales en general. Además, puede echar un vistazo a la hoja de datos del LM324. Aquí hay un esquema de circuito típico de un amplificador LM324: Op-Amp en configuración no inversora (cuarta imagen)

Usando la ecuación para una configuración de ganancia no inversora, Av = 1 + R2 / R1. Configurar R1 en 10KOhms y R2 en 1MOhms proporcionará una ganancia de 100, que se encuentra dentro de la especificación deseada. Para que el robot pueda detectar el cable perimetral en diferentes orientaciones, es más apropiado tener más de un sensor instalado. Cuantos más sensores tenga el robot, mejor detectará el cable delimitador. Para este tutorial, y dado que el LM324 es un amplificador de cuatro operaciones (esto significa que un chip LM324 tiene 4 amplificadores separados), usaremos dos sensores de detección en la placa. Esto significa usar dos circuitos LC y cada uno tendrá 2 etapas de amplificación. Por lo tanto, solo se necesita un chip LM324.

Paso 6: Esquema y creación de prototipos

Como comentamos anteriormente, el esquema de la placa del sensor es bastante sencillo. Está compuesto por 2 circuitos LC, un chip LM324 y un par de resistencias de 10KOhms y 1MOhms para ajustar las ganancias de los amplificadores.

A continuación, se muestra una lista de los componentes que puede utilizar:

• R1, R3, R5, R7: Resistencias de 10KOhmios
• R2, R4, R6, R8: Resistencias de 1MOhm
• C1, C2: condensadores 22nF
• IC: amplificador LM324N
• JP3 / JP4: encabezados M / M de 3 pines de 2,54 mm
• Inductores 1, 2: 1mH *

* Los inductores de 1 mH con una corriente nominal de 420 mA y un factor Q de 40 252 kHz deberían funcionar bien. Hemos agregado terminales de tornillo como cables del inductor al esquema para que los inductores (con cables soldados a los cables) se coloquen en ubicaciones convenientes en el robot. Luego, los cables (de los inductores) se conectarán a los terminales de tornillo. Los pines Out1 y Out2 se pueden conectar directamente a los pines de entrada analógica de un microcontrolador. Por ejemplo, podría usar una placa Arduino UNO o, mejor, un controlador BotBoarduino para una conexión más conveniente, ya que tiene pines analógicos divididos en una fila de 3 pines (señal, VCC, GND) y también es compatible con Arduino. El chip LM324 se alimentará a través de los 5V del microcontrolador, por lo tanto, la señal analógica (onda detectada) de la placa del sensor variará entre 0V y 5V dependiendo de la distancia entre el inductor y el cable perimetral. Cuanto más cerca esté el inductor del cable perimetral, mayor será la amplitud de la onda de salida del circuito del sensor. Así es como debería verse el circuito del sensor en una placa de pruebas.

Paso 7: resultados

Como podemos ver en las capturas de pantalla del osciloscopio a continuación, la onda detectada en la salida del circuito LC se amplifica y se satura a 5 V cuando el inductor está a 15 cm del cable perimetral.

Al igual que hicimos con el circuito del generador, hemos diseñado una bonita PCB compacta con componentes de orificio pasante para la placa del sensor con dos circuitos de tanque, un amplificador y 2 salidas analógicas. Los archivos se pueden encontrar en la sección "Archivos" al final de este artículo.

Paso 8: Código Arduino

El código Arduino que puede usar para su generador de cable perimetral y el sensor es muy simple. Como la salida de la placa del sensor son dos señales analógicas que varían de 0 V a 5 V (una para cada sensor / inductor), se puede utilizar el ejemplo de AnalogRead Arduino. Simplemente conecte los dos pines de salida de la placa del sensor a dos pines de entrada analógica y lea el pin apropiado modificando el ejemplo de lectura analógica de Arduino. Usando el monitor serial Arduino, debería ver un valor RAW del pin analógico que está usando variar de 0 a 1024 a medida que se acerca al inductor al cable perimetral.

El código lee el voltaje en analogPin y lo muestra.

int analogPin = A3; // limpiaparabrisas del potenciómetro (terminal central) conectado al pin analógico 3 // cables externos a tierra y + 5V

int val = 0; // variable para almacenar el valor leído

configuración vacía () {

Serial.begin (9600); // configuración de serie

}

bucle vacío () {

val = analogRead (analogPin); // lee el pin de entrada Serial.println (val); // valor de depuración