如何制造自己的发电机和周边导线的传感器

步骤1：发电机

理论

外围导线发生器电路将基于著名的NE555计时器。 NE555或更常用的555是用于计时器或多谐振荡器模式的集成电路。由于其易用性，低成本和稳定性，该组件至今仍在使用。每年生产十亿个。对于我们的发电机，我们将使用Astable配置的NE555。稳定的配置允许将NE555用作振荡器。两个电阻和一个电容器可以修改振荡频率以及占空比。组件的布置如下图所示。 NE555产生一个（粗糙的）方波，该方波可以沿周边导线的长度延伸。请参考NE555数据手册中的定时器，其中包含一个示例电路以及工作原理（8.3.2 A稳定操作）。德州仪器（TI）不是NE555 IC的唯一制造商，因此如果您选择其他芯片，请务必查看其手册。我们确实提供了这个不错的555定时器焊接套件，它将使您有机会在通孔封装中焊接555定时器的所有内部组件，以使您详细了解该电路的操作。

原理图和原型设计

NE555手册（8.3.2 A稳定操作部分）中提供的原理图非常完整。添加了一些其他组件，并在下面进行讨论。 （第一张图片）

用于计算输出方波频率的公式为

f = 1.44/（（Ra + 2 * Rb）* C）

生成的方波的频率范围将在32Khz和44KHz之间，这是一个不应干扰其他封闭设备的特定频率。为此，我们选择了Ra = 3.3KOhms，Rb = 12KOhms + 4.7KOhms电位计和C = 1.2nF。电位计将帮助我们改变方波输出的频率，以匹配LC Tank电路的谐振频率，这将在后面讨论。输出频率的理论最低和最高值将通过公式（1）计算如下：最低频率值： fL = 1.44/（（（3.3 + 2 *（12 + 4.7））* 1.2 * 10 ^ （-9））≈32698Hz

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

由于4.7KOhms电位计永远不会达到0或4.7，因此输出频率范围将从33.5Khz到39Khz不等。这是发生器电路的完整原理图。 （第二张图片）

如示意图所示，添加了很少的其他组件，下面将对其进行讨论。这是完整的BOM：

R1：3.3 KOhms

R2：12 KOhms

R3（限流电阻）：47欧姆（需要足够大的功率以2W的功率进行散热）

R4：4.7 KOhm电位计

C2，C4：100nF

C3 ：1.2nF（1000pF也可以完成工作）

C5：1uF

J1：2.5mm中心正极桶形连接器（5-15V DC）

J2 ：螺钉端子（两个位置）

IC1：NE555精密定时器

示意图中添加的其他部件包括桶形插孔（J1），可轻松连接至墙上适配器（12V）和螺丝端子（12）方便地连接到外围电线。外围线：请注意，外围线越长，信号衰减越严重。我们使用大约100英尺的22号多股线测试了该装置（与地下埋入地钉在一起）。电源：难以置信的是常见的12V壁式适配器，任何高于500mA的额定电流都可以正常工作。您也可以选择12V铅酸或11.1V LiPo使其保持在外壳内，但请确保其不受天气影响并在不使用时将其关闭。在这里，我们提供了构建发生器电路时可能需要的一些零件：

2.1mm桶形插孔至端子或此2.1mm桶形插孔适配器-兼容面包板

400扎带点互锁透明无焊面包板

65 x 22规格的跨接线

DFRobot电阻器套件

SparkFun电容器套件

12VDC 3A壁式适配器电源

这是发生器电路在面包板上的外观（第三幅图片）

步骤2：结果

如下面的示波器屏幕快照所示，该信号发生器电路的输出（与Micsig 200 MHz 1 GS/s 4通道数位板一起拍摄）示波器），我们可以看到一个（粗糙的）方波，其频率为36.41KHz，幅度为11.8V（使用12V电源适配器）。可以通过调节R4电位器来稍微改变频率。

无焊面包板很少是长期解决方案，而最适合用来制作快速原型。因此，在确认发生器电路正常工作，产生频率范围为33.5Khz和40KHz（通过R4电位器可变）的方波后，我们设计了仅带PTH（直通孔）的PCB（24mmx34mm） ）组件，使其成为一个不错的小型方波发生器板。由于通孔组件用于面包板的原型制作，因此PCB也可以使用通孔组件（而不是表面安装），并且可以轻松进行手工焊接。组件的放置位置不准确，您可能会发现需要改进的地方。我们已经提供了Eagle和Gerber文件供下载，以便您可以制作自己的PCB。可以在本文结尾的“文件”部分中找到文件。这是设计您自己的电路板时的一些技巧：将桶形连接器和螺钉端子放在电路板的同一侧，使组件彼此相对靠近，并尽量减少走线/长度。将安装孔设置为标准直径，并且易于安装。复制矩形。

第3步：电线安装

安装电线？与其掩埋它，不如简单地使用钉子将其固定到位。您可以随意使用任何将电线固定在适当位置的方法，但是塑料效果最好。一包用于机器人割草机的50根钉子往往很便宜。敷设电线时，请确保两端在同一位置相遇，以通过螺钉端子连接到发生器板上。

步骤4：耐候性

由于该系统很可能会留在室外以在户外使用。外围导线需要防风雨涂层，并且发电机电路本身位于防水盒中。您可以使用此凉爽的外壳保护发电机免受雨淋。并非所有导线都相等。如果您打算将电线留在外面，请务必购买正确的电线，例如，这种不耐紫外线/防水的Robomow 300‘周边电线屏蔽会随着时间的流逝而迅速降解并变脆。

第5步：传感器

理论

现在，我们已经建立了发生器电路并制作了为确保它按预期运行，是时候开始考虑如何检测通过电线的信号了。为此，我们邀请您阅读有关LC电路（也称为储能电路或调谐电路）的信息。 LC电路是基于并联连接的电感器/线圈（L）和电容器（C）的电路。该电路用于滤波器，调谐器和混频器。因此，它通常在无线广播传输中用于广播和接收。我们将不讨论有关LC电路的理论细节，但是要理解本文中使用的传感器电路，最要牢记的是计算LC电路谐振频率的公式，如下所示：

f0 = 1/（2 *π*√（L * C））

其中L是线圈的电感值，单位为H（亨利），C是电容器的电容值，以F为单位（法拉）。为了使传感器能够检测到进入电线的34kHz-40Khz信号，我们使用的振荡电路应在该范围内具有谐振频率。我们选择L = 1mH和C = 22nF，以获得使用公式（2）计算的33 932Hz谐振频率。当电感器距电线约10cm时，由谐振电路检测到的信号幅度将相对较小（当我们测试传感器电路时，最大值为80mV），因此，需要进行一些放大。为此，我们在非反相配置中使用了流行的LM324运算放大器来放大增益为100的信号2个阶段的放大，以确保在距离大于10cm的地方获得良好的可读模拟信号。传感器的输出。本文提供了有关运算放大器的有用信息。另外，您可以看一下LM324的数据表。这是LM324放大器的典型电路原理图：非反相配置的运算放大器（下图）

使用非反相增益配置的公式Av = 1 + R2/R1。将R1设置为10KOhms，将R2设置为1MOhms将提供100的增益，这在所需的规格之内。为了使机器人能够检测到不同方向的外围导线，更合适的是在其上安装多个传感器。机器人上的传感器越多，它将更好地检测边界线。在本教程中，由于LM324是四通道放大器（这意味着一个LM324芯片具有4个独立的放大器），因此我们将在板上使用两个检测传感器。这意味着使用两个LC电路，每个电路将具有2级放大。因此，只需要一个LM324芯片。

步骤6：原理图和原型制作

如上所述，传感器板的原理图非常简单。它由2个LC电路，一个LM324芯片和几个10KOhms和1MOhms电阻器组成，以设置放大器的增益。

以下是您可以使用的组件列表：

R1，R3，R5，R7：10KOhm电阻

R2，R4，R6，R8：1MOhm电阻

C1，C2：22nF电容器

IC：LM324N放大器

JP3/JP4：2.54mm 3针M/M插头

电感1，2，：1mH *

* 1mH电感，额定电流为420mA，Q因数为40 252kHz，应该可以正常工作。我们将螺丝端子添加为原理图中的电感器引线，以便将电感器（引线焊接到电线上）放置在机器人上的方便位置。然后，（电感器的）导线将连接到螺钉端子。 Out1和Out2引脚可以直接连接到微控制器的模拟输入引脚。例如，您可以使用Arduino UNO板或更佳的BotBoarduino控制器进行更方便的连接，因为它的模拟引脚分为3个引脚（信号，VCC，GND），并且还兼容Arduino。 LM324芯片将通过微控制器的5V供电，因此，传感器板上的模拟信号（检测到的波）将在0V和5V之间变化，具体取决于电感器和外围导线之间的距离。电感器与外围导线越近，传感器电路输出波的振幅越高。

步骤7：结果

从下面的示波器屏幕截图中可以看到，当电感与外围导线的距离为15cm时，在LC电路输出处检测到的波被放大并饱和在5V。

与生成器电路相同，我们为传感器板设计了一个漂亮的紧凑型PCB，带有通孔组件，该传感器板具有两个振荡电路，一个放大器和两个模拟输出。可在本文结尾的“文件”部分中找到文件。

步骤8：Arduino代码

您可以使用的Arduino代码对于您的周边导线发生器和传感器来说非常简单。由于传感器板的输出是两个从0V到5V的模拟信号（每个传感器/电感一个），因此可以使用AnalogRead Arduino示例。只需将传感器板的两个输出引脚连接到两个模拟输入引脚，然后通过修改Arduino AnalogRead Example读取相应的引脚即可。使用Arduino串行监视器，当您将电感器连接到外围导线时，应该看到所使用的模拟引脚的RAW值在0到1024之间变化。

该代码读取了AnalogPin上的电压并显示

int AnalogPin = A3; //连接到模拟引脚3的电位计抽头（中间端子）//外部接地和+ 5V

int val = 0; //用于存储读取值的变量

void setup（）{

Serial.begin（9600）; //设置序列

}

void loop（）{

val = AnalogRead（analogPin）; ////读取输入引脚Serial.println（val）;//调试值

}