لویترون خانگی. نحوه ایجاد افکت Levitation با آردوینو ما همه چیز را به پشته وصل می کنیم

ایده این دستگاه بسیار ساده است، یک آهنربای الکتریکی یک آهنربا را به هوا می برد و برای ایجاد اثر شناور در میدان مغناطیسی، به منبعی با فرکانس بالا متصل می شود که یا جسم را بالا می برد یا پایین می آورد.

مرحله 1: نمودار دستگاه

مدار به طرز شگفت آوری ساده است و من معتقدم که مونتاژ Levitron با دستان خود برای شما دشوار نخواهد بود. در اینجا لیستی از مولفه ها آمده است:

• LED (هر رنگی اختیاری است)
• ترانزیستور Irfz44n (یا هر mosfet مناسب)
• دیود HER207 (1n4007 باید به همین خوبی کار کند)
• مقاومت 1k و 330Om (مقاومت دوم اختیاری است)
• سنسور هال A3144 (یا مشابه)
• سیم سیم پیچ مسی با قطر 0.3 - 0.4 میلی متر و طول 20 متر
• آهنرباهای نئودیمیوم (من از 5 * 1 میلی متر استفاده کردم)

مرحله 2: مونتاژ

بیایید شروع به مونتاژ کنیم. ابتدا باید یک قاب برای یک آهنربای الکتریکی با ابعاد تقریباً زیر بسازیم: قطر 6 میلی متر، ارتفاع کلاف حدود 23 میلی متر و قطر قلاب ها حدود 25 میلی متر. همانطور که می بینید، می توان آن را از ورق معمولی، مقوا و سوپرچسب درست کرد. اکنون ابتدای اسکلت را روی قاب ثابت می کنیم و استراحت می کنیم - بدون توجه به اینکه در کدام اضافه، باید حدود 550 دور انجام دهیم. 12 لایه درست کردم که 1.5 ساعت طول کشید.

مرحله 3: اتصال

ما همه چیز را طبق طرح بدون هیچ تفاوت ظریف لحیم می کنیم. سنسور هال به سیم ها لحیم می شود روی قرقره قرار خواهد گرفت. وقتی همه چیز لحیم شد، سنسور را در سیم پیچ قرار دهید، آن را محکم کنید، سیم پیچ را آویزان کنید و جریان را اعمال کنید. وقتی آهنربا را بالا نگه می‌دارید، حس می‌کنید بسته به قطب، جذب یا دفع می‌شود و سعی می‌کند در هوا معلق شود، اما شکست می‌خورد.

مرحله 4: راه اندازی

پس از 30 دقیقه صرف شده برای حل این سوال، "چرا این چیز کار نمی کند؟" این مشخصات شامل تصاویری بود که نشان می داد کدام طرف حساس است.

با بیرون کشیدن سنسور و خم شدن آن به طوری که سمت صافبا کتیبه هایی که به موازات زمین بود، آن را به جای خود برگرداندم - دستگاه بداهه بسیار بهتر شروع به کار کرد، اما آهنربا هنوز معلق نبود. ما به سرعت توانستیم بفهمیم مشکل چیست: آهنربا به شکل تبلت بهترین مثال برای شناور نیست. کافی بود مرکز ثقل را به پایین آهنربا منتقل کنیم (این کار را با یک تکه کاغذ ضخیم انجام دادم). به هر حال، فراموش نکنید که بررسی کنید که کدام طرف آهنربا به سیم پیچ جذب می شود. حالا همه چیز کم و بیش عادی کار می کرد و تنها چیزی که باقی می ماند تعمیر و محافظت از سنسور بود.

چه تفاوت های ظریف دیگری در این پروژه وجود دارد؟ ابتدا می خواستم از یک آداپتور 12 ولت استفاده کنم، اما آهنربای الکتریکی به سرعت گرم شد و مجبور شدم آن را به 5 ولت تغییر دهم، هیچ خرابی در کار مشاهده نکردم و گرمایش عملا از بین رفت. دیود و مقاومت محدود کننده تقریباً بلافاصله خاموش شدند. من همچنین کاغذ آبی را از حلقه جدا کردم - سیم پیچ های سیم مسی بسیار زیباتر به نظر می رسند.

مرحله 5: فینال

DIY یا خودتان آن را انجام دهید

0. پیشگفتار

من اینجا انواع اینترنت را خواندم و تصمیم گرفتم لویترون خودم را بسازم، بدون هیچ مزخرف دیجیتال. زودتر گفته شود. عذاب خلاقیت را پخش کردم تا همه ببینند.

1-توضیحات مختصر

لویترون وسیله ای است که با استفاده از میدان مغناطیسی یک جسم را با نیروهای گرانش در تعادل نگه می دارد. مدت‌هاست که مشخص شده است که با استفاده از میدان‌های مغناطیسی ساکن، شناور کردن یک جسم غیرممکن است. در فیزیک مدرسه، تا آنجا که من به یاد دارم، به این حالت تعادل ناپایدار می گفتند. با این حال، با کمی میل، دانش، تلاش، پول و زمان، می توان یک شی را به صورت پویا با استفاده از الکترونیک به عنوان بازخورد معلق کرد.

این چیزی است که اتفاق افتاد:

2. مدار عملکردی

حسگرهای الکترومغناطیسی که در انتهای سیم پیچ قرار دارند ولتاژی متناسب با سطح القای مغناطیسی تولید می کنند. در غیاب میدان مغناطیسی خارجی، این ولتاژها بدون توجه به مقدار جریان سیم پیچ یکسان خواهند بود.

در حضور یک آهنربای دائمی در نزدیکی سنسور پایینی، واحد کنترل سیگنالی متناسب با میدان آهنربا تولید می کند، آن را تا سطح مورد نظر تقویت می کند و برای کنترل جریان از طریق سیم پیچ به PWM ارسال می کند. بنابراین، بازخورد رخ می دهد و سیم پیچ یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که آهنربا را با نیروهای گرانش در تعادل نگه می دارد.

چیزی هوشمندانه انجام شد، من آن را متفاوت امتحان خواهم کرد:
- آهنربا وجود ندارد - القاء در انتهای سیم پیچ یکسان است - سیگنال سنسورها یکسان است - واحد کنترل حداقل سیگنال را ارائه می دهد - سیم پیچ با قدرت کامل کار می کند.
- آنها آهنربا را نزدیک کردند - القاء بسیار متفاوت است - سیگنال های سنسورها بسیار متفاوت است - واحد کنترل حداکثر سیگنال را می دهد - سیم پیچ کاملاً خاموش می شود - هیچ کس آهنربا را نگه نمی دارد و شروع به سقوط می کند.
- مانیت سقوط می کند - از سیم پیچ دور می شود - تفاوت سیگنال های سنسورها کاهش می یابد - واحد کنترل سیگنال خروجی را کاهش می دهد - جریان عبوری از سیم پیچ افزایش می یابد - القاء سیم پیچ افزایش می یابد - آهنربا شروع به جذب می کند.
- Beckons جذب می شود - به سیم پیچ نزدیک می شود - تفاوت سیگنال ها از سنسورها افزایش می یابد - واحد کنترل سیگنال خروجی را افزایش می دهد - جریان عبوری از سیم پیچ کاهش می یابد - القای سیم پیچ کاهش می یابد - آهنربا شروع به سقوط می کند.
- معجزه - آهنربا نمی افتد و جذب نمی شود - یا بهتر است بگوییم در هر ثانیه چندین هزار بار می افتد و جذب می شود - یعنی تعادل دینامیکی ایجاد می شود - آهنربا به سادگی در هوا معلق می ماند.

3. ساخت و ساز

عنصر ساختاری اصلی یک سیم پیچ الکترو مغناطیسی (سلونوئید) است که با میدان خود نگه می دارد آهنربای دائمی.

روی قاب پلاستیکی D36x48، 78 متر سیم مسی میناکاری شده با قطر 0.6 میلی متر محکم پیچیده شده است، حدود 600 چرخش به دست آمد. طبق محاسبات، با مقاومت 4.8 اهم و منبع تغذیه 12 ولت، جریان 2.5 آمپر خواهد بود، قدرت 30 وات است. این برای انتخاب ضروری است بلوک خارجیتغذیه. (در واقع، 6.0 اهم معلوم شد، بعید است که سیم های بیشتری را قطع کنند، بلکه در قطر صرفه جویی کردند.)

یک هسته فولادی در داخل سیم پیچ از لولای درقطر 20 میلی متر در انتهای آن، سنسورها با چسب حرارتی ثابت می شوند که باید در همان جهت قرار گیرند.

سیم پیچ با سنسورها بر روی یک براکت نوار آلومینیومی نصب شده است که به نوبه خود به بدنه متصل می شود که داخل آن برد کنترل قرار دارد.

محفظه شامل یک LED، یک کلید و یک پریز برق است.

واحد منبع تغذیه خارجی (GA-1040U) با ذخیره برق گرفته می شود و جریانی تا 3.2 آمپر در ولتاژ 12 ولت فراهم می کند.

آهنربا N35H D15x5 با یک قوطی کوکاکولا چسبیده به عنوان یک جسم معلق استفاده می شود. فوراً باید بگویم که یک قوطی پر خوب نیست ، بنابراین با یک مته نازک سوراخ هایی در انتها ایجاد می کنیم ، نوشیدنی ارزشمند را تخلیه می کنیم (اگر از تراشه ها نمی ترسید می توانید آن را بنوشید) و آهنربا را به حلقه بالایی می چسبانیم. .

4 نمودار شماتیک

سیگنال های سنسورهای U1 و U2 به تقویت کننده عملیاتی OP1 / 4 که در یک مدار دیفرانسیل متصل است، تغذیه می شوند. سنسور U1 بالایی به ورودی معکوس و U2 پایینی به ورودی غیر معکوس متصل می شود، یعنی سیگنال ها کم می شوند و در خروجی OP1 / 4 ولتاژی متناسب با سطح القای مغناطیسی ایجاد شده توسط یک آهنربای دائمی در نزدیکی سنسور U2 پایینی.

ترکیب عناصر C1، R6 و R7 نقطه برجسته این مدار است و به شما اجازه می دهد تا به اثر پایداری کامل دست یابید، آهنربا ریشه دار تا نقطه آویزان می شود. چگونه کار می کند؟ جزء ثابت سیگنال از تقسیم کننده R6R7 عبور می کند و 11 بار ضعیف می شود. جزء متغیر بدون تضعیف از فیلتر C1R7 عبور می کند. جزء متغیر از کجا می آید؟ قسمت ثابت به موقعیت آهنربا در نزدیکی حسگر پایینی بستگی دارد، قسمت متغیر از نوسانات آهنربا در اطراف نقطه تعادل ناشی می شود، یعنی. از تغییر موقعیت در زمان، یعنی. از سرعت برای ما جالب است که آهنربا ثابت است، یعنی. سرعت آن برابر با 0 بود. بنابراین، در سیگنال کنترل ما دو جزء داریم - ثابت مسئول موقعیت است و متغیر مسئول پایداری این موقعیت است.
علاوه بر این، سیگنال آماده شده توسط OP1 / 3 تقویت می شود. مقاومت متغیر P2 برای تنظیم بهره مورد نیاز در مرحله تنظیم برای دستیابی به تعادل، بسته به پارامترهای خاص آهنربا و سیم پیچ استفاده می شود.

یک مقایسه کننده ساده روی OP1 / 1 مونتاژ شده است که PWM و بر این اساس سیم پیچ را هنگامی که هیچ آهنربایی در نزدیکی وجود ندارد خاموش می کند. بسیار چیز راحت، در صورت جدا شدن آهنربا، منبع تغذیه را از پریز خارج نکنید. سطح ماشه توسط مقاومت متغیر P1 تنظیم می شود.

سپس، سیگنال کنترل به مدولاتور عرض پالس U3 تغذیه می شود. نوسان ولتاژ خروجی 12 ولت است، فرکانس پالس های خروجی با درجه بندی های C2، R10 و P3 تنظیم می شود و چرخه وظیفه به سطح سیگنال ورودی در ورودی DTC بستگی دارد.
PWM سوئیچینگ ترانزیستور قدرت T1 را کنترل می کند که به نوبه خود جریان عبوری از سیم پیچ را کنترل می کند.

LED1 LED ممکن است نصب نشده باشد، اما دیود SD1 برای تخلیه جریان اضافی و جلوگیری از اضافه ولتاژ هنگام خاموش شدن سیم پیچ به دلیل پدیده خودالقایی لازم است.

NL1 ماست کویل خانگی، که بخش جداگانه ای به آن اختصاص داده شده است.

در نتیجه، در حالت تعادل، تصویر چیزی شبیه به این خواهد بود: U1_OUT = 2.9V، U2_OUT = 3.6V، OP1 / 4_OUT = 0.7V، U3_IN = 1.8V، T1_OPEN = 25٪، NL1_CURR = 0.5A.

برای وضوح، نمودارهایی از مشخصه انتقال، پاسخ فرکانس و پاسخ فاز، و اسیلوگرام را در خروجی PWM و سیم پیچ پیوست می کنم.

5. انتخاب اجزا

این دستگاه از قطعات ارزان قیمت و مقرون به صرفه مونتاژ می شود. گرانترین سیم مسی WIK06N بود، برای 78 متر WIK06N 1200 روبل پرداخت کرد، همه چیز با هم بسیار ارزان تر بود. به طور کلی یک میدان وسیع برای آزمایش وجود دارد، شما می توانید بدون هسته انجام دهید، می توانید یک سیم نازک تر بگیرید. نکته اصلی این است که فراموش نکنید که القاء در امتداد محور سیم پیچ به تعداد چرخش ها، جریان عبوری از آنها و هندسه سیم پیچ بستگی دارد.

سنسورهای آنالوگ هال SS496A با مشخصه خطی تا 840G به عنوان حسگرهای میدان مغناطیسی U1 و U2 استفاده می شوند، این برای مورد ما نیز یکسان است. هنگام استفاده از آنالوگ هایی با حساسیت متفاوت، باید بهره را در OP1 / 3 تنظیم کنید و همچنین حداکثر سطح القایی را در انتهای سیم پیچ خود بررسی کنید (در مورد ما با یک هسته، به 500G می رسد) تا سنسورها در اوج بار اشباع نمی شوند.

OP1 یک تقویت کننده عملیاتی چهارگانه LM324N است. وقتی سیم پیچ خاموش است، در خروجی چهاردهم به جای صفر، 20 میلی ولت می دهد، اما این کاملا قابل قبول است. نکته اصلی این است که فراموش نکنید از یک دسته 100 هزار مقاومت، نزدیکترین مقاومت را از نظر ارزش واقعی برای نصب به عنوان R1، R2، R3، R4 انتخاب کنید.

C1، R6 و R7 با آزمون و خطا به عنوان بیشترین انتخاب می شوند بهترین گزینهبرای تثبیت آهنرباهای کالیبرهای مختلف (آهنربای N35H D27x8، D15x5 و D12x3 مورد آزمایش قرار گرفتند). نسبت R6 / R7 را می توان همانطور که هست رها کرد و در صورت بروز مشکل می توان رتبه C1 را به 2-5 μF افزایش داد.

هنگام استفاده از آهنرباهای بسیار کوچک، ممکن است بهره را نداشته باشید، در این مورد، امتیاز R8 را به 500 اهم کاهش دهید.

D1 و D2 دیودهای یکسو کننده معمولی 1N4001 هستند، هر کدام در اینجا انجام می دهند.

ریز مدار محبوب TL494CN به عنوان تعدیل کننده عرض پالس U3 استفاده می شود. فرکانس کاری توسط عناصر C2، R10 و P3 (طبق طرح 20 کیلوهرتز) تنظیم می شود. محدوده بهینه 20-30 کیلوهرتز، در فرکانس پایین تر، سوت سیم پیچ ظاهر می شود. به جای R10 و P3، می توانید به سادگی یک مقاومت 5.6K قرار دهید.

T1 یک ترانزیستور اثر میدانی IRFZ44N است که هر ترانزیستور دیگری از همان سری انجام خواهد داد. هنگام انتخاب ترانزیستورهای دیگر، ممکن است لازم باشد رادیاتور نصب کنید، با حداقل مقادیر مقاومت کانال و شارژ دروازه هدایت شوید.
SD1 یک دیود شاتکی VS-25CTQ045 است، در اینجا من با یک حاشیه بزرگ گرفتم، یک دیود معمولی با سرعت بالا این کار را انجام می دهد، اما ممکن است بسیار داغ شود.

LED1 زرد LED L-63YT، اینجا به قول خودشان طعم و رنگ را می توانید بیشتر آموزش دهید تا همه چیز با نورهای رنگارنگ بدرخشد.

U4 یک تنظیم کننده ولتاژ 5 ولت L78L05ACZ برای تغذیه سنسورها و یک تقویت کننده عملیاتی است. هنگام استفاده از منبع تغذیه خارجی با خروجی 5 ولت اضافی، می توانید بدون آن کار کنید، اما بهتر است خازن ها را رها کنید.

6. نتیجه گیری

همه چیز طبق برنامه پیش رفت. این دستگاه به طور پایدار در سراسر ساعت کار می کند، تنها 6 وات مصرف می کند. نه دیود، نه سیم پیچ و نه ترانزیستور گرم نمی شوند. چند عکس دیگر و فیلم نهایی را پیوست می کنم:

7. سلب مسئولیت

من مهندس الکترونیک یا نویسنده نیستم، فقط تصمیم گرفتم تجربیاتم را به اشتراک بگذارم. شاید چیزی برای شما خیلی بدیهی و چیزی بسیار پیچیده به نظر برسد، اما فراموش کرده اید که به طور کلی چیزی را ذکر کنید. با خیال راحت پیشنهادات سازنده ای را هم برای متن و هم برای بهبود طرح ارائه دهید تا در صورت تمایل افراد بتوانند به راحتی آن را تکرار کنند.

اصل کار اسباب بازی Levitron که به وضوح وضعیت بی وزنی را نشان می دهد، بر اساس عمل میدان مغناطیسی است که اجسام کوچک را در هوا نگه می دارد.

متأسفانه هنوز این گونه اسباب بازی ها توسط صنایع داخلی تولید نمی شوند، بنابراین نمی توان تقاضا برای آنها را برآورده کرد. البته، فرصتی برای سفارش Levitron از خارج از کشور وجود دارد، اما هزینه اسباب بازی (در حال حاضر بسیار بالا - 35 دلار) به دلیل هزینه تحویل به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

اما از طرف دیگر، هیچ چیز نمی تواند مانع از ساخت یک لویترون با دستان خود یکی از این دو شود روش های شناخته شده: روی آهنربای الکتریکی یا روی آهنرباهای دائمی.

روش دوم از این روش بسیار ساده تر از روش اول است، علاوه بر این، دانش خاصی در زمینه فیزیک مورد نیاز نیست و علاوه بر آن منبع تغذیهاین دستگاه نیز مورد نیاز نیست.

مواد برای ساخت لویترون

بنابراین برای ساخت یک اسباب بازی به سه آهنربا به شکل حلقه با قدرت کافی نیاز داریم. آهنرباهای ووفرها که مدت هاست منقضی شده اند برای هدف ما کاملا مناسب هستند.

برای ساختن تاپ، به آهنربای نئودیمیم نیاز دارید. می توانید آن را از بلندگوی که روی آن "مبدل نئودیوم" نوشته شده است بگیرید. بلندگوهای مشابه در تلفن های همراه استفاده می شود. قوی ترین آهنربای دائمی امروزی نئودیمیم است که از آلیاژ نئودیمیم، بور و آهن ساخته شده است. دمای بالا بر آن تأثیر منفی می گذارد، بنابراین این آهنربا باید از گرما محافظت شود. بنابراین یک آهنربا از تلفن همراهمی تواند دو نوع باشد - به شکل یک صفحه گرد یا به شکل یک حلقه. آهنربای حلقوی در بالای قسمت بالا دقیقاً در مرکز قرار داده می شود و آهنربا به شکل قرص به محور بالای قسمت بالایی چسبانده می شود.مواد قسمت بالایی باید از مواد سبک باشد. به صورت کامپوزیت یا پلاستیک

راه اندازی Levitron

به راه اندازی باید با دقت خاصی برخورد کرد، زیرا این بخش از کار بسیار مهم است و بیشترین زمان را می گیرد. آهنرباهای حلقه ای باید با قطب های مخالف به هم متصل شوند. یک صفحه (غیر فلزی) با ضخامت تا 1 سانتی متر روی آنها نصب شود که قسمت بالایی آن به خوبی در پایه لویترون - مرکز آهنربا نصب می شود. اگر متوجه شدید که قسمت بالایی به طرفین کج می شود، آهنربا باید با آهنربا دیگری با قطر بزرگتر جایگزین شود.

برای شروع به بالا، به چند عنصر دیگر نیاز دارید که با استفاده از آنها می توانید ضخامت پلت فرم را تنظیم کنید تا به چرخش طبیعی بالا دست پیدا کنید. به پلاستیک پلکسی با ورق کاغذی نیازمندیم. اگر قسمت بالا به طور معمول در حال چرخش باشد، ما شروع به بالا بردن نرم سکو می کنیم تا زمانی که به بالا پرواز کند.

اگر تاپ ما خیلی سریع بالا می رود، باید وزن آن را افزایش دهیم. اگر در یک جهت منحرف شود، می توان با قرار دادن ورق های کاغذ زیر سمت مقابل، وضعیت را اصلاح کرد. این مراحل به ما امکان می دهد پایه اسباب بازی خود را طوری تنظیم کنیم که به وضوح در سطح دریا باشد.

ایده این درس از پروژه پلتفرم سرمایه گذاری جمعی Kickstarter به نام "Air Bonsai" واقعا زیبا و اسرارآمیز الهام گرفته شده است که توسط ژاپنی ها ساخته شده است.

اما هر معمایی را می توان توضیح داد اگر به درون نگاه کنید. در واقع، شناور مغناطیسی است، زمانی که یک جسم از بالا معلق باشد و یک آهنربای الکتریکی توسط مدار کنترل شود. بیایید سعی کنیم با هم این پروژه مرموز را اجرا کنیم.

ما متوجه شدیم که مدار Kickstarter کاملاً پیچیده است، بدون هیچ میکروکنترلر. هیچ راهی برای پیدا کردن مدار آنالوگ او وجود نداشت. در واقع، اگر با دقت بیشتری نگاه کنید، اصل شناور بسیار ساده است. شما باید یک قطعه مغناطیسی را روی یک قطعه مغناطیسی دیگر "شناور" کنید. کار اصلی بعدی جلوگیری از سقوط آهنربای معلق بود.

همچنین پیشنهاد شده است که انجام این کار با آردوینو در واقع بسیار ساده تر از درک شماتیک یک دستگاه ژاپنی است. در واقع، همه چیز بسیار ساده تر بود.

شناور مغناطیسی از دو قسمت تشکیل شده است: یک قسمت پایه و یک قسمت شناور (معروف کننده).

پایه

این قسمت در پایین قرار دارد که از یک آهنربا برای ایجاد میدان مغناطیسی دایره ای و آهنرباهای الکترومغناطیسی برای کنترل این میدان مغناطیسی تشکیل شده است.

هر آهنربا دو قطب دارد: شمال و جنوب. آزمایش ها نشان می دهد که اضداد جذب می شوند و همان قطب ها دفع می کنند. چهار آهنربای استوانه‌ای در یک مربع قرار گرفته‌اند و دارای قطبیت یکسان هستند و یک میدان مغناطیسی دایره‌ای به سمت بالا تشکیل می‌دهند تا هر آهن‌ربایی را که در بین آن قطب یکسانی داشته باشد، بیرون بزند.

به طور کلی چهار آهنربای الکتریکی وجود دارد، آنها در یک مربع قرار می گیرند، دو آهنربای متقارن یک جفت هستند و میدان مغناطیسی آنها همیشه مخالف است. سنسور هال و مدار، آهنرباهای الکتریکی را هدایت می کنند. ما با جریان عبوری از آهنرباهای الکتریکی، قطب های مخالف ایجاد می کنیم.

قسمت شناور

این قسمت شامل یک آهنربا شناور در بالای پایه است که می تواند یک گلدان کوچک گیاهی یا موارد دیگر را حمل کند.

آهنربا از بالا توسط میدان مغناطیسی آهنرباهای پایینی بلند می شود زیرا آنها قطب های یکسانی دارند. با این حال، به عنوان یک قاعده، او تمایل به سقوط و جذب یکدیگر دارد. برای جلوگیری از چرخاندن و افتادن قسمت بالای آهنربا، آهنرباهای الکتریکی میدان های مغناطیسی ایجاد می کنند تا به لطف حسگر اثر هال، قسمت شناور را به تعادل برساند. آهنرباهای الکتریکی توسط دو محور X و Y کنترل می شوند و در نتیجه آهنربای بالایی متعادل و شناور نگه داشته می شود.

کنترل آهنرباهای الکتریکی آسان نیست و نیاز به یک کنترلر PID دارد که در مرحله بعد به تفصیل در مورد آن صحبت می شود.

مرحله 2: کنترل کننده PID (PID)

از ویکی پدیا: "کنترل کننده تناسبی-انتگرال-متمایز (PID) دستگاهی در یک حلقه کنترل با بازخورد است. در سیستم های کنترل خودکار برای تولید سیگنال کنترل به منظور به دست آوردن دقت و کیفیت مورد نیاز فرآیند گذرا استفاده می شود. کنترل کننده PID یک سیگنال کنترلی تولید می کند که مجموع سه عبارت است که اولی متناسب با تفاوت بین سیگنال ورودی و سیگنال بازخورد (سیگنال خطا)، دومی انتگرال سیگنال خطا و سومی است. مشتق سیگنال خطا است."

به زبان ساده: "کنترل کننده PID مقدار "خطا" را به عنوان تفاوت بین [ورودی] اندازه گیری شده و تنظیم مورد نظر محاسبه می کند. کنترل کننده سعی می کند با تنظیم [خروجی] خطا را به حداقل برساند."

بنابراین شما به PID می‌گویید چه چیزی را اندازه‌گیری کند (ورودی)، چه مقداری را می‌خواهید، و متغیری که به کاهش آن مقدار کمک می‌کند. سپس کنترل کننده PID خروجی را تنظیم می کند تا ورودی برابر با تنظیمات باشد.

مثلا: در خودرو سه مقدار (ورودی، نصب، خروجی) داریم - به ترتیب سرعت، سرعت مورد نظر و زاویه پدال گاز.

در این پروژه:

1. ورودی مقدار زمان واقعی از سنسور سالن است که به طور مداوم به روز می شود زیرا موقعیت آهنربای شناور در زمان واقعی تغییر می کند.
2. نقطه تنظیم مقدار سنسور سالن است که زمانی اندازه گیری می شود که آهنربای شناور در موقعیت تعادل، در مرکز پایه آهنرباها قرار دارد. این شاخص ثابت است و در طول زمان تغییر نمی کند.
3. سیگنال خروجی سرعت کنترل آهنرباهای الکتریکی است.

با تشکر از جامعه آردوینو برای نوشتن یک کتابخانه PID که استفاده از آن بسیار آسان است. اطلاعات تکمیلیآردوینو PID در وب سایت رسمی آردوینو موجود است. ما باید از یک جفت کنترلر PID آردوینو استفاده کنیم، یکی برای محور X و دیگری برای محور Y.

مرحله 3: لوازم جانبی

لیست لوازم جانبی برای درس مناسب است. در زیر لیستی از قطعاتی که باید برای این پروژه بخرید آمده است، قبل از شروع مطمئن شوید که همه چیز را دارید. برخی از قطعات بسیار محبوب هستند و احتمالاً آنها را در انبار یا خانه خود خواهید یافت.

مرحله 4: ابزار

در اینجا لیستی از پرکاربردترین ابزارها آمده است:

• آهن لحیم کاری
• اره دستی
• مولتی متر
• مته
• اسیلوسکوپ (اختیاری، می توانید از مولتی متر استفاده کنید)
• مته رومیزی
• چسب گرم
• انبر

مرحله 5: LM324 Op-amp، درایور L298N و SS495a

LM324 Op-amp

تقویت کننده های عملیاتی (op-amp) برخی از مهم ترین، پرکاربردترین و همه کاره ترین مدارهایی هستند که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند.

ما از یک آپ امپ برای تقویت سیگنال از سنسور هال استفاده می کنیم که هدف آن افزایش حساسیت است تا آردوینو بتواند به راحتی میدان مغناطیسی در حال تغییر را تشخیص دهد. تغییر چند میلی ولت در خروجی سنسور هال، پس از عبور از آمپلی فایر، می تواند چندین صد واحد در آردوینو تغییر کند. این برای اطمینان از عملکرد صاف و پایدار کنترلر PID ضروری است.

آپ امپ رایجی که ما انتخاب کردیم LM324 است، ارزان است و می توانید آن را از هر فروشگاه الکترونیکی خریداری کنید. LM324 دارای 4 تقویت کننده داخلی است که امکان استفاده انعطاف پذیر از آن را فراهم می کند، با این حال در این پروژه تنها به دو تقویت کننده نیاز است، یکی برای محور X و دیگری برای محور Y.

ماژول L298N

پل H دوبل L298N معمولاً برای کنترل سرعت و جهت دو موتور استفاده می شود جریان مستقیمیا به راحتی یک دوقطبی را کنترل می کند موتور پله ای... L298N را می توان با موتورهای 5 تا 35 VDC استفاده کرد.

همچنین یک رگولاتور داخلی 5 ولت وجود دارد، بنابراین اگر ولتاژ تغذیه تا 12 ولت باشد، می توانید منبع تغذیه 5 ولت را نیز از برد وصل کنید.

این پروژه از L298N برای راه اندازی دو جفت سیم پیچ برقی استفاده می کند و از خروجی 5 ولت برای تغذیه آردوینو و سنسور هال استفاده می کند.

پینوت ماژول ها:

• خروجی 2: جفت الکترومغناطیس X
• از 3: جفت الکترومغناطیس Y
• ورودی برق: ورودی 12 ولت DC
• GND: زمین
• خروجی 5 ولت: 5 ولت برای سنسورهای آردوینوو سالن
• EnA: سیگنال PWM را برای خروجی 2 فعال می کند
• In1: برای خروجی 2 فعال کنید
• In2: برای Out 2 فعال کنید
• In3: برای خروجی 3 فعال کنید
• In4: برای خروجی 3 فعال کنید
• EnB: سیگنال PWM را برای Out3 فعال می کند

اتصال آردوینو: باید 2 جامپر را در پین های EnA و EnB برداریم، سپس 6 پایه In1، In2، In3، In4، EnA، EnB را به آردوینو وصل کنیم.

سنسور هال SS495a

SS495a یک سنسور خطی جلوه هال با خروجی آنالوگ است. لطفا به تفاوت خروجی آنالوگ و خروجی دیجیتال توجه کنید، در این پروژه نمی توانید از سنسور با خروجی دیجیتال استفاده کنید، فقط دو حالت 1 یا 0 دارد، بنابراین نمی توانید خروجی میدان های مغناطیسی را اندازه گیری کنید.

سنسور آنالوگ باعث ایجاد محدوده ولتاژ 250 تا Vcc می شود که می توانید با ورودی آنالوگ آردوینو بخوانید. دو حسگر سالن برای اندازه گیری میدان مغناطیسی در هر دو محور X و Y مورد نیاز است.

مرحله 6: آهنرباهای نئودیمیم NdFeB (نئودیمیم-آهن-بور).

از ویکی پدیا: "نئودیمیم - عنصر شیمیایی، فلز خاکی کمیاب، سفید نقره ای با رنگ طلایی. متعلق به گروه لانتانیدها است. به راحتی در هوا اکسید می شود. در سال 1885 توسط شیمیدان اتریشی کارل اور فون ولسباخ کشف شد. به عنوان جزئی از آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم برای هواپیما و موشک استفاده می شود.

نئودیمیم فلزی است که فرومغناطیسی است (به ویژه خواص ضد فرومغناطیسی از خود نشان می دهد) به این معنی که مانند آهن می تواند مغناطیسی شود تا به آهنربا تبدیل شود. اما دمای کوری آن 19 کلوین (254- درجه سانتیگراد) است، بنابراین، در شکل خالص، مغناطیس آن فقط در حالت بسیار زیاد ظاهر می شود. دمای پایین... با این حال، ترکیبات نئودیمیم با فلزات واسطه مانند آهن می توانند دمای کوری به طور قابل توجهی بالاتر داشته باشند دمای اتاقو از آنها برای ساخت آهنرباهای نئودیمیم استفاده می شود.

قوی کلمه ای است که برای توصیف آهنربای نئودیمیم استفاده می شود. شما نمی توانید از آهنرباهای فریت استفاده کنید زیرا خاصیت مغناطیسی آنها بسیار ضعیف است. آهنرباهای نئودیمیوم بسیار گرانتر از آهنرباهای فریتی هستند. آهنرباهای کوچک برای پایه، آهنرباهای بزرگ برای قسمت شناور / معلق استفاده می شود.

توجه! هنگام استفاده از آهنرباهای نئودیمیم باید مراقب باشید زیرا خاصیت مغناطیسی قوی آنها می تواند به شما آسیب برساند یا داده های شما را خراب کند. هارد دیسکیا دیگران لوازم برقیتحت تاثیر میدان های مغناطیسی

مشاوره! شما می توانید دو آهنربا را با کشیدن آنها به صورت افقی جدا کنید، نمی توانید آنها را در جهت مخالف جدا کنید زیرا میدان مغناطیسی آنها بسیار قوی است. همچنین بسیار شکننده هستند و به راحتی می شکنند.

مرحله 7: پایه را آماده کنید

از گلدان سفالی کوچک استفاده می شود که معمولاً برای پرورش ساکولنت یا کاکتوس استفاده می شود. در صورت لزوم می توانید از قابلمه سرامیکی یا گلدان چوبی نیز استفاده کنید. از یک مته 8 میلی متری برای ایجاد سوراخ در ته دیگ استفاده کنید که برای نگه داشتن جک DC استفاده می شود.

مرحله 8: پرینت سه بعدی قسمت شناور

اگر پرینتر سه بعدی دارید، عالی است. شما توانایی انجام هر کاری را با آن دارید. اگر چاپگر وجود ندارد، ناامید نشوید، زیرا شما می توانید از خدمات چاپ سه بعدی ارزان که در حال حاضر بسیار محبوب است استفاده کنید.

برای برش لیزریفایل ها نیز در آرشیو بالا هستند - فایل AcrylicLaserCut.dwg (این اتوکد است). قطعه اکریلیک برای حمایت از آهنرباها و آهنرباهای الکتریکی استفاده می شود، بقیه برای پوشاندن سطح گلدان سفالی استفاده می شود.

مرحله 9: ماژول سنسور سالن SS495a را آماده کنید

طرح PCB را به دو قسمت تقسیم کنید، یکی برای اتصال سنسور هال و دیگری به مدار LM324. دو سنسور مغناطیسی را عمود بر هم وصل کنید تخته مدار چاپی... از سیم های نازک برای اتصال دو پایه سنسورهای VCC به یکدیگر استفاده کنید، همین کار را با پایه های GND انجام دهید. کنتاکت های خروجی جدا هستند.

مرحله 10: مدار عملیات آمپر

سوکت و مقاومت ها را طبق نمودار به PCB لحیم کنید، مطمئن شوید که دو پتانسیومتر را در یک جهت قرار دهید تا بعدا کالیبراسیون آسان تر شود. LM324 را به جک وصل کنید سپس دو خروجی ماژول سنسور هال را به مدار آپ امپ متصل کنید.

دو سیم خروجی LM324 را به آردوینو وصل کنید. ورودی 12 ولت با ورودی 12 ولت ماژول L298N، خروجی 5 ولت ماژول L298N به پتانسیومتر 5 ولت.

مرحله 11: مونتاژ آهنرباهای الکتریکی

الکترومغناطیس ها را روی یک ورق اکریلیک جمع کنید، آنها در چهار سوراخ نزدیک مرکز ثابت می شوند. برای جلوگیری از حرکت، پیچ ها را محکم کنید. از آنجایی که الکترومغناطیس ها به طور مرکزی متقارن هستند، همیشه در مقابل قطب ها قرار دارند، به طوری که سیم های داخل آهنربا به یکدیگر متصل می شوند و سیم ها روی خارج ازآهنرباهای الکتریکی به L298N متصل می شوند.

سیم های زیر ورق اکریلیک را از سوراخ های مجاور بکشید تا به L298N متصل شوید. سیم مسی با یک لایه عایق پوشانده شده است، بنابراین قبل از اینکه بتوانید آنها را به هم لحیم کنید، باید آن را با چاقو جدا کنید.

مرحله 12: ماژول حسگر و آهنربا

برای تثبیت ماژول سنسور بین الکترومغناطیس ها از چسب حرارتی استفاده کنید، توجه داشته باشید که هر سنسور باید مربعی باشد و دارای دو آهنربا، یکی در جلو و دیگری در پشت باشد. سعی کنید دو سنسور را تا حد امکان در مرکز تنظیم کنید تا با هم همپوشانی نداشته باشند، که باعث می شود سنسور کارآمدتر باشد.

مرحله بعدی جمع آوری آهنرباها است پایه اکریلیک... با ترکیب دو آهنربای D15 * 4 میلی متر و یک آهنربای D15 * 3 میلی متر با هم برای تشکیل یک استوانه، این باعث می شود که آهنرباها و آهنرباهای الکتریکی دارای ارتفاع یکسانی باشند. آهنرباها را بین جفت آهنرباهای الکتریکی جمع کنید، توجه داشته باشید که قطب های آهنرباهای رو به بالا باید یکسان باشند.

مرحله 13: کانکتور برق DC و خروجی 5 ولت L298N

جک برق DC را با دو سیم لحیم کنید و از لوله های هیت شرینک استفاده کنید. کانکتور برق DC متصل به ورودی ماژول L298N، خروجی 5 ولت آن برق آردوینو را تامین می کند.

مرحله 14: L298N و آردوینو

ماژول L298N را طبق نمودار بالا به آردوینو وصل کنید:

L298N → آردوینو
5 ولت → VCC
GND → GND
EnA → 7
B1 → 6
B2 → 5
B3 → 4
B4 → 3
EnB → 2

مرحله 15: برنامه نویس آردوینو پرو مینی

از آنجایی که Arduino pro mini پورت سریال USB ندارد، باید یک برنامه نویس خارجی وصل کنید. FTDI Basic برای برنامه نویسی (و تغذیه) Pro Mini استفاده خواهد شد.

همانطور که می‌دانید لویترون بالای جعبه‌ای است که در هوا در حال چرخش است و منبع میدان مغناطیسی در آن عمل می‌کند. Levitron را می توان از سنسور محبوب سالن ساخته شد.

لویترون چیست؟

توجه! یک راه کاملا ساده برای کاهش مصرف سوخت پیدا کردم! باور نمی کنی؟ یک مکانیک خودرو با 15 سال تجربه نیز تا زمانی که آن را امتحان نکرد، باور نکرد. و اکنون او 35000 روبل در سال در بنزین پس انداز می کند!

لویترون یک اسباب بازی است. اگر گزینه های ساخت را بدانید، خرید آن فایده ای ندارد دستگاه خانگی... در صورت وجود هیچ چیز پیچیده ای در طراحی چنین لویترون وجود نخواهد داشت سنسور معمولیبه عنوان مثال، سالن را برای یک توزیع کننده خودرو خریداری کرد و برای استفاده در آینده ترک کرد.

باید توجه داشته باشید که اثر شناور همیشه در یک منطقه نسبتاً باریک مشاهده می شود. چنین واقعیت هایی تا حدودی آزادی عمل صنعتگران را محدود می کند، با این حال، با استفاده از صبر و زمان، همیشه می توانید Levitron را به طور موثر و کارآمد پیکربندی کنید. او عملا نمی افتد و نمی پرد.

سنسور هال لویترون

لویترون برای سنسور سالن و ایده ساخت آن ساده است، مانند همه چیز مبتکرانه. به دلیل قدرت میدان مغناطیسی، تکه ای از هر ماده ای با خواص الکترومغناطیسی به هوا بالا می رود.

برای ایجاد اثر "هوایی"، پرواز در هوا، اتصال با فرکانس بالا انجام می شود. به عبارت دیگر، میدان مغناطیسی، همانطور که بود، مواد را بلند و پرتاب می کند.

طرح دستگاه بسیار ساده است و حتی یک دانش آموز که درس های فیزیک را بیهوده نگذرانده است، می تواند همه چیز را به تنهایی بسازد.

1. ما به یک LED نیاز داریم (رنگ آن بسته به ترجیحات فردی انتخاب می شود).
2. ترانزیستورهای RFZ 44N (اگرچه هر دستگاه میدانی نزدیک به این پارامترها انجام خواهد داد).
3. دیود 1N 4007.
4. مقاومت های 1k اهم و 330 اهم.
5. در واقع، خود سنسور سالن (A3144 یا دیگر).
6. سیم سیم پیچ مسی به اندازه 0.3-0.4 میلی متر (حدود 20 متر کافی خواهد بود).
7. آهنربای نئودیمیم به شکل قرص 5x1 میلی متر.
8. شارژر 5 ولتی طراحی شده برای گوشی موبایل.

اکنون به تفصیل در مورد نحوه اجرای مونتاژ:

• یک قاب برای آهنربای الکتریکی دقیقاً با همان پارامترهای موجود در عکس ساخته شده است. 6 میلی متر - قطر، حدود 23 میلی متر - طول سیم پیچ، 25 میلی متر - قطر گونه با حاشیه. یک قاب از مقوا و یک برگه دفتر معمولی با استفاده از چسب فوق العاده ساخته شده است.

• پایان سیم مسیروی قرقره ثابت می شود و سپس سیم پیچی انجام می شود (حدود 550 دور). فرقی نمی کند به کدام جهت باد شود. انتهای دیگر سیم نیز محکم شده است، در حالی که سیم پیچ کنار گذاشته شده است.
• ما همه چیز را طبق طرح لحیم می کنیم.

• سنسور هال روی سیم کشی لحیم شده و سپس روی سیم پیچ قرار می گیرد. لازم است آن را در داخل سیم پیچ قرار دهید، آن را با وسایل بداهه ثابت کنید.

توجه ناحیه حساس سنسور (شما می توانید آن را از مستندات سنسور سالن تعیین کنید) باید موازی با زمین باشد. بنابراین، توصیه می شود قبل از قرار دادن سنسور در سیم پیچ، این مکان را کمی خم کنید.

• سیم پیچ معلق است، از طریق تخته لحیم کاری قبلی تغذیه می شود. سیم پیچ با سه پایه ثابت می شود.

اکنون می توانید نحوه عملکرد Levitron را بررسی کنید. هر ماده برق دار را می توان از پایین به سیم پیچ آورد. بسته به قطبیت، یا توسط سیم پیچ جذب می شود یا دفع می شود. اما ما به موادی نیاز داریم که در هوا آویزان شوند، شناور شوند. اگر شکل مواد نسبت به سیم پیچ خیلی کوچک نباشد، این چنین خواهد بود.

توجه داشته باشید. اگر آهنربای قرص کوچک باشد، به طور موثری معلق نخواهد شد. ممکن است سقوط کند. برای از بین بردن نقص در کار، لازم است مرکز ثقل مواد را به پایین منتقل کنید - یک تکه کاغذ معمولی به عنوان بار مناسب است.

در مورد LED، شما نیازی به نصب آن ندارید. از طرف دیگر، اگر می خواهید جلوه بیشتری داشته باشید، می توانید یک نمایش با نور پس زمینه سازماندهی کنید.

لویترون خانگی در طراحی کلاسیک بدون سنسور

همانطور که می بینید، به لطف وجود سنسور سالن، امکان ساخت یک اسباب بازی کاملاً دیدنی وجود داشت. با این حال، این به هیچ وجه به این معنی نیست که شما نمی توانید بدون سنسور انجام دهید. برعکس، یک لویترون خانگی در طراحی کلاسیک، فقط یک آهنربای بزرگ از بلندگو (قطر 13-15 سانتی متر) و یک آهنربای حلقه کوچک برای قسمت بالایی (قطر 2-3 سانتی متر) بدون استفاده است. یک سنسور

محور بالا معمولاً از قلم قدیمییا یک مداد نکته اصلی این است که میله به گونه ای انتخاب شده است که به خوبی در مرکز آهنربای حلقه قرار گیرد. سپس قسمت اضافی دسته بریده می شود (طول حدود 10 سانتی متر، همراه با آهنربای متصل به قسمت بالا، این چیزی است که شما نیاز دارید).

طرح تولید کلاسیک Levitron همچنین دلالت بر وجود ده ها واشر مختلف برش داده شده از کاغذ ضخیم دارد. آنها برای چه چیزی مورد نیاز هستند؟ اگر در مورد فوق، از کاغذ نیز استفاده شده است، و همانطور که به یاد می آوریم - برای جابجایی مرکز ثقل به پایین یا، ساده تر، برای تنظیم. اینجا هم همینطوره واشرها برای تنظیم ایده آل رویه مورد نیاز خواهند بود (در صورت لزوم، آنها پس از آهنربای حلقه روی میله کاشته می شوند).

توجه برای اینکه یک تاپ خانگی کاملاً معلق شود، علاوه بر تنظیم با واشر، نباید با قطبیت آن اشتباه بگیرید. به عبارت دیگر، آهنربای حلقه را در راستای آهنربای بزرگ تراز کنید.

اما این همه ماجرا نیست. هم در حالت اول (استفاده از سنسور هال) و هم در حالت دوم، رسیدن به یکنواختی ایده آل منبع جذب ضروری است. به عبارت دیگر، یک آهنربای بزرگ را کاملاً روی آن قرار دهید سطح صاف... برای رسیدن به این هدف، درخواست دهید زیر لیوانی های چوبیبا ضخامت های مختلف اگر آهنربا به طور یکنواخت ننشیند، پایه ها در یک طرف یا چند طرف قرار می گیرند، بنابراین یکنواختی تنظیم می شود.

پلتفرم لویترون

طرح پلت فرم Levitron، به طور معمول، با حضور نه یک، بلکه چندین آهنربا منبع متمایز می شود. در این حالت، یک ماده یا یک قسمت بالا که در هوا شناور است، روی یکی از آهنرباها که از محور عمودی جابجا شده است، می افتد. برای جلوگیری از این امر، باید بتوانید منطقه گرانش مرکزی را تنظیم کنید و آن را با دقت کامل انجام دهید.

و در اینجا همان سیم پیچ ها با یک سنسور سالن در داخل به کمک می آیند. بگذارید دو سیم پیچ وجود داشته باشد، و آنها باید دقیقاً در وسط سکو، بین آهنرباها قرار گیرند. در نمودار، به این صورت خواهد بود (1 و 2 آهنربا هستند).

از نمودار مشخص می شود که هدف از کنترل سیم پیچ ها ایجاد نیروی افقی، مرکز ثقل است. این نیرو به طور رسمی Fss نامیده می شود و هنگامی که جابجایی رخ می دهد به سمت محور تعادل هدایت می شود که در نمودار به صورت X نشان داده شده است.

اگر سیم پیچ ها را به گونه ای وصل کنید که پالس ناحیه ای با قطبیت معکوس ایجاد کند، مشکل بایاس را می توان حل کرد. هر فیزیکدانی این را تایید خواهد کرد.

هر دستگاه پخش DVD قدیمی به عنوان یک مورد برای ساخت پلت فرم Levitron انتخاب می شود. تمام "داخل" از آن برداشته می شود، آهنرباها و سیم پیچ ها نصب می شوند و برای زیبایی، قسمت بالایی با یک پوشش عملی ساخته شده از مواد نازک و احتمالاً شفاف (که اجازه عبور میدان مغناطیسی را می دهد) بسته می شود.

سنسورهای هال باید از طریق دهانه های پلت فرم بیرون بزنند، باید روی پایه های اتصال خم نشده لحیم شوند.

در مورد آهنرباها، اینها می توانند عناصر گرد با ضخامت 4 میلی متر باشند. مطلوب است که یکی از آهنرباها از نظر قطر بزرگتر از دومی باشد. به عنوان مثال، 25 و 30 میلی متر.

همچنین نسخه های پیچیده تری از Levitrons وجود دارد که بر اساس طرح باز کردن یک تاپ واقع در یک کره کوچک ساخته شده است. این لویترون ها همچنین می توانند با استفاده از حسگرهای سالن ساخته شوند - اجزای موثری که انقلابی در صنعت خودروسازی و سایر حوزه های فعالیت انسانی ایجاد کرده اند.