Générateur et capteur de fil périphérique bricolage : 8 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

La technologie de guidage par fil est largement utilisée dans l'industrie, en particulier dans les entrepôts où la manutention est automatisée. Les robots suivent une boucle de fil enfouie dans le sol. Un courant alternatif d'intensité et de fréquence relativement faible entre 5Kz et 40KHz circule dans ce fil. Le robot est équipé de capteurs inductifs, généralement basés sur un circuit réservoir (avec une fréquence de résonance égale ou proche de la fréquence de l'onde générée) qui mesure l'intensité du champ électromagnétique près du sol. Une chaîne de traitement (amplification, filtres, comparaison) permet de déterminer la position du robot à l'intérieur du fil. De nos jours, le câble périphérique / périphérique est également utilisé pour créer des « clôtures invisibles » pour garder les animaux domestiques dans les cours et les robots tondeuses à gazon dans les zones. LEGO utilise également le même principe pour guider les véhicules le long des routes sans que les visiteurs ne voient aucune ligne.

Ce didacticiel explique de manière simple et intuitive pour vous aider à comprendre la théorie, la conception et la mise en œuvre pour créer votre propre générateur et capteur pour un câble périphérique. Les fichiers (schémas, fichiers Eagle, Gerbers, fichiers 3D et exemple de code Arduino) sont également disponibles en téléchargement. De cette façon, vous pouvez ajouter la fonction de détection de périmètre de fil à votre robot préféré et le maintenir dans une "zone" de fonctionnement.

Étape 1: GÉNÉRATEUR

Théorie

Le circuit générateur de fil périmétrique sera basé sur le célèbre temporisateur NE555. NE555 ou plus communément appelé 555 est un circuit intégré utilisé pour le mode minuterie ou multivibrateur. Ce composant est encore utilisé aujourd'hui en raison de sa facilité d'utilisation, de son faible coût et de sa stabilité. Un milliard d'unités sont fabriquées par an. Pour notre générateur, nous utiliserons le NE555 en configuration Astable. La configuration stable permet d'utiliser le NE555 comme oscillateur. Deux résistances et un condensateur permettent de modifier la fréquence d'oscillation ainsi que le rapport cyclique. La disposition des composants est comme indiqué dans le schéma ci-dessous. Le NE555 génère une onde carrée (rugueuse) qui peut parcourir la longueur du câble périphérique. En se référant à la fiche technique NE555 pour la minuterie, il y a un exemple de circuit, ainsi que la théorie de fonctionnement (8.3.2 A-stable). Texas Instruments n'est pas le seul fabricant de circuits intégrés NE555, donc si vous choisissez une autre puce, assurez-vous de consulter son manuel. Nous proposons ce joli kit de soudure de minuterie 555 qui vous donnera la possibilité de souder tous les composants internes d'une minuterie 555 dans un boîtier traversant pour vous permettre de comprendre le fonctionnement de ce circuit en détail.

Schéma et prototypage

Le schéma fourni dans le manuel du NE555 (section 8.3.2 A-stable fonctionnement) est assez complet. Quelques composants supplémentaires ont été ajoutés et discutés ci-dessous. (première image)

La formule utilisée pour calculer la fréquence de l'onde carrée de sortie est

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

La gamme de fréquences de l'onde carrée générée sera comprise entre 32Khz et 44KHz, ce qui est une fréquence spécifique qui ne devrait pas interférer avec d'autres appareils proches. Pour cela, nous avons choisi Ra = 3.3KOhms, Rb = 12KOhms + 4.7KOhms Potentiomètre et C = 1.2nF. Le potentiomètre nous aidera à faire varier la fréquence de la sortie d'onde carrée pour correspondre à la fréquence de résonance du circuit LC Tank qui sera discuté plus tard. La valeur théorique la plus basse et la plus haute de la fréquence de sortie seront comme suit calculées par la formule (1): Valeur de fréquence la plus basse: fL = 1,44 / ((3,3+2*(12+4,7))*1,2*10^(-9)) ≈32 698 Hz

Valeur de fréquence la plus élevée: fH = 1,44 / ((3,3+2*(12+0))*1,2*10^(-9)) ≈ 43 956Hz

Étant donné que le potentiomètre de 4,7 KOhms n'atteint jamais 0 ou 4,7, la plage de fréquence de sortie variera d'environ 33,5 Khz à 39 Khz. Voici le schéma complet du circuit du générateur. (deuxième image)

Comme vous pouvez le voir dans le schéma, quelques composants supplémentaires ont été ajoutés et seront discutés ci-dessous. Voici la nomenclature complète:

• R1: 3,3 KOhms
• R2: 12 KOhms
• R3 (Résistance de limitation de courant): 47 Ohms (doit être assez grand pour dissiper la chaleur avec une puissance nominale de 2W devrait suffire)
• R4: potentiomètre 4,7 KOhm
• C2, C4: 100nF
• C3: 1.2nF (1000pF fera également l'affaire)
• C5: 1uF
• J1: connecteur cylindrique positif central de 2,5 mm (5-15 V CC)
• J2: Bornier à vis (deux positions)
• IC1: minuterie de précision NE555

Des pièces supplémentaires ajoutées au schéma comprennent une prise cylindrique (J1) pour une connexion facile à un adaptateur mural (12 V) et une borne à vis (12) pour se connecter facilement au câble périphérique. Câble périphérique: Notez que plus le câble périphérique est long, plus le signal se dégrade. Nous avons testé la configuration avec environ 100 pi de fil multibrin de calibre 22 (fixé dans le sol plutôt qu'enterré). Alimentation: Un adaptateur mural 12 V est incroyablement courant, et tout courant nominal supérieur à 500 mA devrait bien fonctionner. Vous pouvez également choisir un plomb acide 12 V ou un LiPo 11,1 V pour le garder dans le boîtier, mais assurez-vous de le protéger des intempéries et de l'éteindre lorsqu'il n'est pas utilisé. Voici quelques pièces que nous proposons dont vous pourriez avoir besoin lors de la construction du circuit du générateur:

• Barrel Jack de 2,1 mm à la borne ou cet adaptateur de prise de baril de 2,1 mm - Compatible avec la planche à pain
• Planche à pain transparente sans soudure à emboîtement à 400 points d'attache
• Fils de connexion assortis de calibre 65 x 22
• Kit de résistance DFRobot
• Kit de condensateur SparkFun
• Alimentation adaptateur mural 12VDC 3A

Voici à quoi devrait ressembler le circuit du générateur sur une maquette (troisième image)

Étape 2: Résultats

Comme le montre la capture d'écran ci-dessous de l'oscilloscope de la sortie du circuit du générateur (prise avec l'oscilloscope à tablette Micsig 200 MHz 1 GS/s 4 canaux), nous pouvons voir une onde carrée (rugueuse) avec une fréquence de 36,41 KHz et une amplitude de 11,8 V (à l'aide d'un adaptateur secteur 12 V). La fréquence peut être légèrement modifiée en ajustant le potentiomètre R4.

Une maquette sans soudure est rarement une solution à long terme et est mieux utilisée pour créer un prototype rapide. Par conséquent, après avoir vérifié que le circuit du générateur fonctionne comme il se doit, générant une onde carrée avec une plage de fréquences de 33,5 Khz et 40 KHz (variable via le potentiomètre R4), nous avons conçu un PCB (24 mmx34 mm) uniquement avec PTH (Plat-through Hole) pour en faire une jolie petite carte de générateur d'ondes carrées. Étant donné que les composants traversants ont été utilisés pour le prototypage avec une maquette, le PCB peut également utiliser des composants traversants (au lieu du montage en surface) et permet une soudure facile à la main. Le placement des composants n'est pas exact et vous pouvez probablement trouver des améliorations à apporter. Nous avons mis à disposition les fichiers Eagle et Gerber en téléchargement afin que vous puissiez créer votre propre PCB. Les fichiers peuvent être trouvés dans la section "Fichiers" à la fin de cet article. Voici quelques conseils lors de la conception de votre propre carte: Ayez le connecteur cylindrique et la borne à vis du même côté de la carte Placez les composants relativement près les uns des autres et minimisez les traces/longueurs; reproduire le rectangle.

Étape 3: Installation du fil

Alors comment installer le fil ? Plutôt que de l'enterrer, il est plus facile d'utiliser simplement des chevilles pour le maintenir en place. Vous êtes libre d'utiliser ce que vous voulez pour maintenir le fil en place, mais le plastique fonctionne mieux. Un paquet de 50 piquets utilisé pour les tondeuses à gazon robotisées a tendance à être peu coûteux. Lors de la pose du fil, assurez-vous que les deux extrémités se rencontrent au même endroit pour se connecter à la carte du générateur via la borne à vis.

Étape 4: Résistance aux intempéries

Étant donné que le système sera très probablement laissé à l'extérieur pour être utilisé à l'extérieur. Le câble périphérique a besoin d'un revêtement résistant aux intempéries et le circuit du générateur lui-même est logé dans un boîtier étanche. Vous pouvez utiliser cette enceinte fraîche pour protéger le générateur de la pluie. Tous les fils ne sont pas créés égaux. Si vous prévoyez de laisser le fil de côté, assurez-vous d'investir dans le bon fil, par exemple, ce blindage de fil périmétrique Robomow 300' qui n'est pas résistant aux UV / à l'eau se dégradera rapidement avec le temps et deviendra cassant.

Étape 5: Capteur

Théorie

Maintenant que nous avons construit le circuit du générateur et nous sommes assurés qu'il fonctionne comme prévu, il est temps de commencer à réfléchir à la façon de détecter le signal traversant le fil. Pour cela, nous vous invitons à prendre connaissance du Circuit LC, également appelé Circuit Tank ou Circuit Tuned. Un circuit LC est un circuit électrique basé sur une inductance/bobine (L) et un condensateur (C) connectés en parallèle. Ce circuit est utilisé dans les filtres, les tuners et les mélangeurs de fréquences. Par conséquent, il est couramment utilisé dans les transmissions de diffusion sans fil pour la diffusion et la réception. Nous n'entrerons pas dans les détails théoriques concernant les circuits LC, mais la chose la plus importante à garder à l'esprit pour comprendre le circuit capteur utilisé dans cet article, serait la formule de calcul de la fréquence de résonance d'un circuit LC, qui va comme:

f0 = 1/(2*π*√(L*C))

Où L est la valeur d'inductance de la bobine en H (Henry) et C est la valeur de capacité du condensateur en F (Farads). Pour que le capteur détecte le signal 34kHz-40Khz qui passe dans le fil, le circuit réservoir que nous avons utilisé doit avoir la fréquence de résonance dans cette plage. Nous avons choisi L = 1mH et C = 22nF pour obtenir une fréquence de résonance de 33 932 Hz calculée à l'aide de la formule (2). L'amplitude du signal détecté par notre circuit de réservoir sera relativement faible (un maximum de 80 mV lorsque nous avons testé notre circuit de capteur) lorsque l'inducteur est à environ 10 cm du fil, il aura donc besoin d'une certaine amplification. Pour ce faire, nous avons utilisé le populaire amplificateur Op-Amp LM324 pour amplifier le signal avec un gain de 100 dans une configuration non inverseuse Amplification à 2 étages pour s'assurer d'obtenir un beau signal analogique lisible à une distance supérieure à 10cm dans le sortie du capteur. Cet article fournit des informations utiles sur les amplis-op en général. Vous pouvez également consulter la fiche technique du LM324. Voici un schéma de circuit typique d'un amplificateur LM324: Op-Amp en configuration non inverseuse (quatrième image)

En utilisant l'équation pour une configuration de gain non inverseur, Av = 1+R2/R1. Le réglage de R1 à 10KOhms et R2 à 1MOhms fournira un gain de 100, ce qui est dans la spécification souhaitée. Pour que le robot puisse détecter le câble périphérique dans différentes orientations, il est plus approprié d'avoir plus d'un capteur installé dessus. Plus il y a de capteurs sur le robot, mieux il détectera le câble périphérique. Pour ce tutoriel, et puisque le LM324 est un amplificateur quad-op (cela signifie qu'une puce LM324 a 4 amplificateurs séparés), nous utiliserons deux capteurs de détection sur la carte. Cela signifie utiliser deux circuits LC et chacun aura 2 étages d'amplification. Par conséquent, une seule puce LM324 est nécessaire.

Étape 6: Schéma et prototypage

Comme nous en avons discuté ci-dessus, le schéma de la carte du capteur est assez simple. Il est composé de 2 circuits LC, d'une puce LM324 et de quelques résistances de 10KOhms et 1MOhms pour régler les gains des amplificateurs.

Voici une liste des composants que vous pouvez utiliser:

• R1, R3, R5, R7: Résistances 10KOhm
• R2, R4, R6, R8: Résistances 1MOhm
• C1, C2: Condensateurs 22nF
• CI: amplificateur LM324N
• JP3 / JP4: embases M/M 2,54 mm à 3 broches
• Inductances 1, 2: 1mH*

* Les inductances 1 mH avec un courant nominal de 420 mA et un facteur Q de 40 252 kHz devraient bien fonctionner. Nous avons ajouté des bornes à vis comme fils d'inducteur au schéma afin que les inducteurs (avec des fils soudés aux fils) soient placés à des emplacements pratiques sur le robot. Ensuite, les fils (des inductances) seront connectés aux bornes à vis. Les broches Out1 et Out2 peuvent être directement connectées aux broches d'entrée analogique d'un microcontrôleur. Par exemple, vous pouvez utiliser une carte Arduino UNO ou, mieux, un contrôleur BotBoarduino pour une connexion plus pratique car il a des broches analogiques réparties en une rangée de 3 broches (Signal, VCC, GND) et il est également compatible Arduino. La puce LM324 sera alimentée par le 5V du microcontrôleur, par conséquent, le signal analogique (onde détectée) de la carte du capteur variera entre 0V et 5V en fonction de la distance entre l'inducteur et le câble périphérique. Plus l'inducteur est proche du câble périphérique, plus l'amplitude de l'onde de sortie du circuit du capteur est élevée. Voici à quoi devrait ressembler le circuit du capteur sur une maquette.

Étape 7: Résultats

Comme nous pouvons le voir dans les captures d'écran de l'oscilloscope ci-dessous, l'onde détectée à la sortie du circuit LC est amplifiée et sature à 5V lorsque l'inducteur est à 15 cm du câble périphérique.

Comme nous l'avons fait avec le circuit du générateur, nous avons conçu un joli circuit imprimé compact avec des composants traversants pour la carte du capteur avec deux circuits de réservoir, un amplificateur et 2 sorties analogiques. Les fichiers peuvent être trouvés dans la section "Fichiers" à la fin de cet article.

Étape 8: Code Arduino

Le code Arduino que vous pouvez utiliser pour votre générateur de câble périphérique et le capteur est très simple. Comme la sortie de la carte capteur est constituée de deux signaux analogiques variant de 0V à 5V (un pour chaque capteur/inducteur), l'exemple AnalogRead Arduino peut être utilisé. Connectez simplement les deux broches de sortie de la carte du capteur à deux broches d'entrée analogique et lisez la broche appropriée en modifiant l'exemple Arduino AnalogRead. En utilisant le moniteur série Arduino, vous devriez voir une valeur RAW de la broche analogique que vous utilisez varier de 0 à 1024 lorsque vous approchez l'inducteur du câble périphérique.

Le code lit la tension sur analogPin et l'affiche.

int analogPin = A3; // essuie-glace du potentiomètre (borne centrale) connecté à la broche analogique 3 // fils extérieurs à la terre et +5V

valeur int = 0; // variable pour stocker la valeur lue

void setup() {

Serial.begin(9600); // configurer la série

}

boucle vide() {

val = analogRead(analogPin); // lit la broche d'entrée Serial.println(val); // valeur de débogage