如何制造自己的發(fā)電機(jī)和周邊導(dǎo)線的傳感器

步驟1：發(fā)電機(jī)

理論

外圍導(dǎo)線發(fā)生器電路將基于著名的NE555計(jì)時(shí)器。 NE555或更常用的555是用于計(jì)時(shí)器或多諧振蕩器模式的集成電路。由于其易用性，低成本和穩(wěn)定性，該組件至今仍在使用。每年生產(chǎn)十億個(gè)。對(duì)于我們的發(fā)電機(jī)，我們將使用Astable配置的NE555。穩(wěn)定的配置允許將NE555用作振蕩器。兩個(gè)電阻和一個(gè)電容器可以修改振蕩頻率以及占空比。組件的布置如下圖所示。 NE555產(chǎn)生一個(gè)（粗糙的）方波，該方波可以沿周邊導(dǎo)線的長(zhǎng)度延伸。請(qǐng)參考NE555數(shù)據(jù)手冊(cè)中的定時(shí)器，其中包含一個(gè)示例電路以及工作原理（8.3.2 A穩(wěn)定操作）。德州儀器（TI）不是NE555 IC的唯一制造商，因此如果您選擇其他芯片，請(qǐng)務(wù)必查看其手冊(cè)。我們確實(shí)提供了這個(gè)不錯(cuò)的555定時(shí)器焊接套件，它將使您有機(jī)會(huì)在通孔封裝中焊接555定時(shí)器的所有內(nèi)部組件，以使您詳細(xì)了解該電路的操作。

原理圖和原型設(shè)計(jì)

NE555手冊(cè)（8.3.2 A穩(wěn)定操作部分）中提供的原理圖非常完整。添加了一些其他組件，并在下面進(jìn)行討論。 （第一張圖片）

用于計(jì)算輸出方波頻率的公式為

f = 1.44/（（Ra + 2 * Rb）* C）

生成的方波的頻率范圍將在32Khz和44KHz之間，這是一個(gè)不應(yīng)干擾其他封閉設(shè)備的特定頻率。為此，我們選擇了Ra = 3.3KOhms，Rb = 12KOhms + 4.7KOhms電位計(jì)和C = 1.2nF。電位計(jì)將幫助我們改變方波輸出的頻率，以匹配LC Tank電路的諧振頻率，這將在后面討論。輸出頻率的理論最低和最高值將通過公式（1）計(jì)算如下：最低頻率值： fL = 1.44/（（（3.3 + 2 *（12 + 4.7））* 1.2 * 10 ^ （-9））≈32698Hz

最高頻率值： fH = 1.44/（（3.3 + 2 *（12 + 0））* 1.2 * 10 ^（-9 ））≈43 956Hz

由于4.7KOhms電位計(jì)永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到0或4.7，因此輸出頻率范圍將從33.5Khz到39Khz不等。這是發(fā)生器電路的完整原理圖。 （第二張圖片）

如示意圖所示，添加了很少的其他組件，下面將對(duì)其進(jìn)行討論。這是完整的BOM：

R1：3.3 KOhms

R2：12 KOhms

R3（限流電阻）：47歐姆（需要足夠大的功率以2W的功率進(jìn)行散熱）

R4：4.7 KOhm電位計(jì)

C2，C4：100nF

C3 ：1.2nF（1000pF也可以完成工作）

C5：1uF

J1：2.5mm中心正極桶形連接器（5-15V DC）

J2 ：螺釘端子（兩個(gè)位置）

IC1：NE555精密定時(shí)器

示意圖中添加的其他部件包括桶形插孔（J1），可輕松連接至墻上適配器（12V）和螺絲端子（12）方便地連接到外圍電線。外圍線：請(qǐng)注意，外圍線越長(zhǎng)，信號(hào)衰減越嚴(yán)重。我們使用大約100英尺的22號(hào)多股線測(cè)試了該裝置（與地下埋入地釘在一起）。電源：難以置信的是常見的12V壁式適配器，任何高于500mA的額定電流都可以正常工作。您也可以選擇12V鉛酸或11.1V LiPo使其保持在外殼內(nèi)，但請(qǐng)確保其不受天氣影響并在不使用時(shí)將其關(guān)閉。在這里，我們提供了構(gòu)建發(fā)生器電路時(shí)可能需要的一些零件：

2.1mm桶形插孔至端子或此2.1mm桶形插孔適配器-兼容面包板

400扎帶點(diǎn)互鎖透明無(wú)焊面包板

65 x 22規(guī)格的跨接線

DFRobot電阻器套件

SparkFun電容器套件

12VDC 3A壁式適配器電源

這是發(fā)生器電路在面包板上的外觀（第三幅圖片）

步驟2：結(jié)果

如下面的示波器屏幕快照所示，該信號(hào)發(fā)生器電路的輸出（與Micsig 200 MHz 1 GS/s 4通道數(shù)位板一起拍攝）示波器），我們可以看到一個(gè)（粗糙的）方波，其頻率為36.41KHz，幅度為11.8V（使用12V電源適配器）?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)R4電位器來(lái)稍微改變頻率。

無(wú)焊面包板很少是長(zhǎng)期解決方案，而最適合用來(lái)制作快速原型。因此，在確認(rèn)發(fā)生器電路正常工作，產(chǎn)生頻率范圍為33.5Khz和40KHz（通過R4電位器可變）的方波后，我們?cè)O(shè)計(jì)了僅帶PTH（直通孔）的PCB（24mmx34mm） ）組件，使其成為一個(gè)不錯(cuò)的小型方波發(fā)生器板。由于通孔組件用于面包板的原型制作，因此PCB也可以使用通孔組件（而不是表面安裝），并且可以輕松進(jìn)行手工焊接。組件的放置位置不準(zhǔn)確，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)需要改進(jìn)的地方。我們已經(jīng)提供了Eagle和Gerber文件供下載，以便您可以制作自己的PCB?？梢栽诒疚慕Y(jié)尾的“文件”部分中找到文件。這是設(shè)計(jì)您自己的電路板時(shí)的一些技巧：將桶形連接器和螺釘端子放在電路板的同一側(cè)，使組件彼此相對(duì)靠近，并盡量減少走線/長(zhǎng)度。將安裝孔設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)直徑，并且易于安裝。復(fù)制矩形。

第3步：電線安裝

安裝電線？與其掩埋它，不如簡(jiǎn)單地使用釘子將其固定到位。您可以隨意使用任何將電線固定在適當(dāng)位置的方法，但是塑料效果最好。一包用于機(jī)器人割草機(jī)的50根釘子往往很便宜。敷設(shè)電線時(shí)，請(qǐng)確保兩端在同一位置相遇，以通過螺釘端子連接到發(fā)生器板上。

步驟4：耐候性

由于該系統(tǒng)很可能會(huì)留在室外以在戶外使用。外圍導(dǎo)線需要防風(fēng)雨涂層，并且發(fā)電機(jī)電路本身位于防水盒中。您可以使用此涼爽的外殼保護(hù)發(fā)電機(jī)免受雨淋。并非所有導(dǎo)線都相等。如果您打算將電線留在外面，請(qǐng)務(wù)必購(gòu)買正確的電線，例如，這種不耐紫外線/防水的Robomow 300‘周邊電線屏蔽會(huì)隨著時(shí)間的流逝而迅速降解并變脆。

第5步：傳感器

理論

現(xiàn)在，我們已經(jīng)建立了發(fā)生器電路并制作了為確保它按預(yù)期運(yùn)行，是時(shí)候開始考慮如何檢測(cè)通過電線的信號(hào)了。為此，我們邀請(qǐng)您閱讀有關(guān)LC電路（也稱為儲(chǔ)能電路或調(diào)諧電路）的信息。 LC電路是基于并聯(lián)連接的電感器/線圈（L）和電容器（C）的電路。該電路用于濾波器，調(diào)諧器和混頻器。因此，它通常在無(wú)線廣播傳輸中用于廣播和接收。我們將不討論有關(guān)LC電路的理論細(xì)節(jié)，但是要理解本文中使用的傳感器電路，最要牢記的是計(jì)算LC電路諧振頻率的公式，如下所示：

f0 = 1/（2 *π*√（L * C））

其中L是線圈的電感值，單位為H（亨利），C是電容器的電容值，以F為單位（法拉）。為了使傳感器能夠檢測(cè)到進(jìn)入電線的34kHz-40Khz信號(hào)，我們使用的振蕩電路應(yīng)在該范圍內(nèi)具有諧振頻率。我們選擇L = 1mH和C = 22nF，以獲得使用公式（2）計(jì)算的33 932Hz諧振頻率。當(dāng)電感器距電線約10cm時(shí)，由諧振電路檢測(cè)到的信號(hào)幅度將相對(duì)較小（當(dāng)我們測(cè)試傳感器電路時(shí)，最大值為80mV），因此，需要進(jìn)行一些放大。為此，我們?cè)诜欠聪嗯渲弥惺褂昧肆餍械腖M324運(yùn)算放大器來(lái)放大增益為100的信號(hào)2個(gè)階段的放大，以確保在距離大于10cm的地方獲得良好的可讀模擬信號(hào)。傳感器的輸出。本文提供了有關(guān)運(yùn)算放大器的有用信息。另外，您可以看一下LM324的數(shù)據(jù)表。這是LM324放大器的典型電路原理圖：非反相配置的運(yùn)算放大器（下圖）

使用非反相增益配置的公式Av = 1 + R2/R1。將R1設(shè)置為10KOhms，將R2設(shè)置為1MOhms將提供100的增益，這在所需的規(guī)格之內(nèi)。為了使機(jī)器人能夠檢測(cè)到不同方向的外圍導(dǎo)線，更合適的是在其上安裝多個(gè)傳感器。機(jī)器人上的傳感器越多，它將更好地檢測(cè)邊界線。在本教程中，由于LM324是四通道放大器（這意味著一個(gè)LM324芯片具有4個(gè)獨(dú)立的放大器），因此我們將在板上使用兩個(gè)檢測(cè)傳感器。這意味著使用兩個(gè)LC電路，每個(gè)電路將具有2級(jí)放大。因此，只需要一個(gè)LM324芯片。

步驟6：原理圖和原型制作

如上所述，傳感器板的原理圖非常簡(jiǎn)單。它由2個(gè)LC電路，一個(gè)LM324芯片和幾個(gè)10KOhms和1MOhms電阻器組成，以設(shè)置放大器的增益。

以下是您可以使用的組件列表：

R1，R3，R5，R7：10KOhm電阻

R2，R4，R6，R8：1MOhm電阻

C1，C2：22nF電容器

IC：LM324N放大器

JP3/JP4：2.54mm 3針M/M插頭

電感1，2，：1mH *

* 1mH電感，額定電流為420mA，Q因數(shù)為40 252kHz，應(yīng)該可以正常工作。我們將螺絲端子添加為原理圖中的電感器引線，以便將電感器（引線焊接到電線上）放置在機(jī)器人上的方便位置。然后，（電感器的）導(dǎo)線將連接到螺釘端子。 Out1和Out2引腳可以直接連接到微控制器的模擬輸入引腳。例如，您可以使用Arduino UNO板或更佳的BotBoarduino控制器進(jìn)行更方便的連接，因?yàn)樗哪M引腳分為3個(gè)引腳（信號(hào)，VCC，GND），并且還兼容Arduino。 LM324芯片將通過微控制器的5V供電，因此，傳感器板上的模擬信號(hào)（檢測(cè)到的波）將在0V和5V之間變化，具體取決于電感器和外圍導(dǎo)線之間的距離。電感器與外圍導(dǎo)線越近，傳感器電路輸出波的振幅越高。

步驟7：結(jié)果

從下面的示波器屏幕截圖中可以看到，當(dāng)電感與外圍導(dǎo)線的距離為15cm時(shí)，在LC電路輸出處檢測(cè)到的波被放大并飽和在5V。

與生成器電路相同，我們?yōu)閭鞲衅靼逶O(shè)計(jì)了一個(gè)漂亮的緊湊型PCB，帶有通孔組件，該傳感器板具有兩個(gè)振蕩電路，一個(gè)放大器和兩個(gè)模擬輸出。可在本文結(jié)尾的“文件”部分中找到文件。

步驟8：Arduino代碼

您可以使用的Arduino代碼對(duì)于您的周邊導(dǎo)線發(fā)生器和傳感器來(lái)說(shuō)非常簡(jiǎn)單。由于傳感器板的輸出是兩個(gè)從0V到5V的模擬信號(hào)（每個(gè)傳感器/電感一個(gè)），因此可以使用AnalogRead Arduino示例。只需將傳感器板的兩個(gè)輸出引腳連接到兩個(gè)模擬輸入引腳，然后通過修改Arduino AnalogRead Example讀取相應(yīng)的引腳即可。使用Arduino串行監(jiān)視器，當(dāng)您將電感器連接到外圍導(dǎo)線時(shí)，應(yīng)該看到所使用的模擬引腳的RAW值在0到1024之間變化。

該代碼讀取了AnalogPin上的電壓并顯示

int AnalogPin = A3; //連接到模擬引腳3的電位計(jì)抽頭（中間端子）//外部接地和+ 5V

int val = 0; //用于存儲(chǔ)讀取值的變量

void setup（）{

Serial.begin（9600）; //設(shè)置序列

}

void loop（）{

val = AnalogRead（analogPin）; ////讀取輸入引腳Serial.println（val）;//調(diào)試值

}