На идею этого урока натолкнул проект краудфандинговой платформы Kickstarter под названием "Air Bonsai", действительно красивый и загадочный, который сделали японцы.
Но любая загадка может быть объяснена, если посмотреть внутрь. Фактически это магнитная левитация, когда есть объект, левитирующий сверху, и электромагнит, контролируемый схемой. Давайте попробуем вместе реализовать этот загадочный проект.
Мы выяснили, что схема устройства на Кикстартере была довольно сложной, без какого-либо микроконтроллера. Не было возможности найти её аналоговую схему. На самом деле, если посмотреть более внимательно, принцип левитации довольно прост. Нужно сделать магнитную деталь, "плавающую" над другой магнитной деталью. Основная дальнейшая работа заключалась в том, чтобы левитирующий магнит не падал.
Было также предположение, что сделать это с Arduino на самом деле намного проще, чем пытаться понять схему японского устройства. На самом деле всё оказалось намного проще.
Магнитная левитация состоит из двух частей: базовой части и плавающей (левитирующей) части.
Основание
Эта часть находится внизу, которая состоит из магнита для создания круглого магнитного поля и электромагнитов для управления этим магнитным полем.
Каждый магнит имеет два полюса: север и юг. Эксперименты показывают, что противоположности притягиваются и одинаковые полюса отталкиваются. Четыре цилиндрических магнита помещаются в квадрат и имеют одинаковую полярность, образуя круглое магнитное поле вверх, чтобы вытолкнуть любой магнит, который имеет один и тот же полюс между ними.
Есть четыре электромагнита вообще, они помещены в квадрат, два симметричных магнита - пара, и их магнитное поле всегда противоположно. Датчик Холла и цепь управляют электромагнитами. Создаем противоположные полюса на электромагнитах током через них.
Плавающая деталь
Деталь включает в себя магнит, плавающий над основанием, который может нести небольшой горшок с растением или другие предметы.
Магнит сверху поднимается магнитным полем нижних магнитов, потому что они с одинаковыми полюсами. Однако, как правило, он склоняется к падению и притягиванию друг к другу. Чтобы предотвратить переворот и падение верхней части магнита, электромагниты создадут магнитные поля, чтобы толкать или тянуть, дабы сбалансировать плавающую часть, благодаря датчику Холла. Электромагниты управляются двумя осями X и Y, в результате чего верхний магнит поддерживается сбалансированным и плавающим.
Контролировать электромагниты нелегко, требуется ПИД-регулятор, который подробно обсуждается на следующем шаге.
Шаг 2: ПИД-регулятор (PID)
Из Википедии: "Пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор - устройство в управляющем контуре с обратной связью. Используется в системах автоматического управления для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса. ПИД-регулятор формирует управляющий сигнал, являющийся суммой трёх слагаемых, первое из которых пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования), второе - интеграл сигнала рассогласования, третье - производная сигнала рассогласования."
В простом понимании: «ПИД-регулятор вычисляет значение «ошибки» как разность между измеренным [Входом] и желаемой установкой. Контроллер пытается свести к минимуму ошибку, отрегулировав [выход]».
Итак, вы указываете PID, что измерить (Вход), какое значение вы хотите и переменную, которая поможет иметь это значение на выходе. Далее ПИД-регулятор настраивает выходной сигнал, чтобы сделать вход равным установке.
Для примера : в автомобиле у нас три значения (Вход, Установка, выход) будут - скорость, желаемая скорость и угол педали газа, соответственно.
В данном проекте:
- Вход представляет собой текущее значение в реальном времени от датчика холла, которое обновляется непрерывно, поскольку положение плавающего магнита будет меняться в реальном времени.
- Заданное значение - это значение от датчика холла, которое измеряется, когда плавающий магнит находится в положении баланса, в центре основания магнитов. Этот индекс фиксирован и со временем не изменяется.
- Выходной сигнал - скорость для управления электромагнитами.
Стоит поблагодарить сообщество любителей Arduino, которое написало PID-библиотеку и которая очень проста в использовании. Дополнительная информация об Arduino PID есть на официальном сайте Arduino . Нам нужно использовать пару ПИД-регуляторов под Arduino, один для оси X и другой для оси Y.
Шаг 3: Комплектующие
Список комплектующих для урока получается приличным. Ниже приведен список компонентов, которые вы должны купить для этого проекта, убедитесь, что у вас есть все перед запуском. Некоторые из компонентов очень популярны, и, вероятно, вы найдете их на своем собственном складе или дома.
Шаг 4: Инструменты
Вот список инструментов, наиболее часто используемых:
- Паяльник
- Ручная пила
- Мультиметр
- Дрель
- Осциллограф (по желанию, можете использовать мультиметр)
- Настольное сверло
- Горячий клей
- Плоскогубцы
Шаг 5: LM324 Op-amp, L298N драйвер и SS495a
LM324 Op-amp
Операционные усилители (op-amp) являются одними из наиболее важных, широко используемых и универсальных схем, используемых сегодня.
Мы используем операционный усилитель для усиления сигнала от датчика Холла, цель которого - увеличить чувствительность, чтобы ардуино легко распознало изменение магнитного поля. Изменение нескольких мВ на выходе датчика холла, после прохождения усилителя может измениться на несколько сотен единиц в Arduino. Это необходимо для обеспечения плавного и стабильного функционирования ПИД-регулятора.
Обычным операционным усилителем, который мы выбрали, является LM324, это дешево, и вы можете купить его в любом магазине электроники. LM324 имеет 4 внутренних усилителя, которые позволяют гибко его использовать, однако в этом проекте нужны только два усилителя: один для оси X, а другой для оси Y.
Модуль L298N
Двойной H-мост L298N обычно используется для управления скоростью и направлением двух двигателей постоянного тока или с легкостью управляет одним биполярным шаговым двигателем. L298N может использоваться с двигателями с напряжением от 5 до 35 В постоянного тока.
Существует также встроенный регулятор 5V, поэтому, если напряжение питания до 12 В, вы также можете подключить источник питания 5 В от платы.
В этом проекте использован L298N для управления двумя парами катушек электромагнита и использован выход 5 В для питания Arduino и датчика холла.
Распиновка модулей:
- Out 2: пара электромагнитов X
- Out 3: пара электромагнитов Y
- Входное питание: вход постоянного тока 12 В
- GND: Земля
- Выход 5v: 5v для датчиков Arduino и холла
- EnA: Включает сигнал PWM для выхода 2
- In1: Включить для выхода 2
- In2: Enable for Out 2
- In3: Включить для выхода 3
- In4: Включить для выхода 3
- EnB: Включает PWM-сигнал для Out3
Подключение к Arduino: нам нужно удалить 2 перемычки в контактах EnA и EnB, затем подключить 6 контактов In1, In2, In3, In4, EnA, EnB к Arduino.
SS495a Датчик Холла
SS495a - это линейный датчик Холла с аналоговым выходом. Обратите внимание на разницу между аналоговым выходом и цифровым выходом, вы не можете использовать датчик с цифровым выходом в этом проекте, он имеет только два состояния 1 или 0, поэтому вы не можете измерить выход магнитных полей.
Аналоговый датчик приведет к диапазону напряжений от 250 до Vcc, который вы можете прочитать с помощью аналогового входа Arduino. Для измерения магнитного поля в обеих осях X и Y требуются два датчика холла.
Шаг 6: Неодимовые магниты NdFeB (неодим-железо-бор)
Из Википедии: "Неодим - химический элемент, редкоземельный металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком. Относится к группе лантаноидов. Легко окисляется на воздухе. Открыт в 1885 году австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Используется как компонент сплавов с алюминием и магнием для самолёто- и ракетостроения."
Неодим - это металл, который является ферромагнитным (в частности, он показывает антиферромагнитные свойства), что означает, что подобно железу его можно намагнитить, чтобы он стал магнитом. Но его температура Кюри составляет 19К (-254 ° С), поэтому в чистом виде его магнетизм проявляется только при чрезвычайно низких температурах. Однако соединения неодима с переходными металлами, такими как железо, могут иметь температуры Кюри значительно выше комнатной температуры, и они используются для изготовления неодимовых магнитов.
Сильный - это слово, которое используют для описания неодимового магнита. Вы не можете использовать ферритовые магниты, потому что их магнетизм слишком слаб. Неодимовые магниты намного дороже ферритовых магнитов. Маленькие магниты используются для основы, большие магниты для плавающей/левитирующей части.
Внимание ! Вам нужно быть осторожным при использовании неодимовых магнитов, так как их сильный магнетизм может навредить вам, или они могут сломать данные вашего жесткого диска или других электронных устройств, на которые влияют магнитные поля.
Совет ! Вы можете отделить два магнита, потянув их в горизонтальное положение, вы не сможете отделить их в противоположном направлении, потому что их магнитное поле слишком сильное. Они также очень хрупкие и легко ломаются.
Шаг 7: Готовим основание
Использовали небольшой терракотовый горшок, который обычно используется для выращивания суккулента или кактуса. Вы также можете использовать керамический горшок или деревянный горшок, если они подходят. Используйте сверло диаметром 8 мм, чтобы создать отверстие в нижней части горшка, которое используется для удерживания гнезда постоянного тока.
Шаг 8: 3D-печать плавающей части
Если у вас есть 3D-принтер - здорово. У вас есть возможность сделать все с помощью него. Если принтера нет - не отчаивайтесь, т.к. вы можете использовать дешевую услугу 3D-печати, которая сейчас очень популярна.
Для лазерной резки файлы также в архиве выше - файл AcrylicLaserCut.dwg (это autocad). Акриловая деталь используется для поддержки магнитов и электромагнитов, остальные - для покрытия поверхности терракотового горшка.
Шаг 9: Подготовка SS495a модуля датчика Холла
Вырежьте макет PCB на две части, одну часть, чтобы прикрепить датчик холла, а другой - к цепи LM324. Прикрепите два магнитных датчика перпендикулярно печатной плате. Используйте тонкие провода для соединения двух штырей датчиков VCC вместе, сделайте то же самое с контактами GND. Выходные контакты отдельно.
Шаг 10: Цепь Op-amp
Припаяйте гнездо и резисторы к печатной плате, следуя схеме, обратив внимание на то, чтобы поместить два потенциометра в одном направлении для более легкой калибровки позже. Присоедините LM324 к гнезду, затем подключите два выхода модуля датчиков холла к цепи op-amp.
Два выходных провода LM324 подключите к Arduino. Вход 12 В с входом 12 В модуля L298N, выход 5 В модуля L298N к 5V потенциометра.
Шаг 11: Сборка электромагнитов
Соберите электромагниты на акриловый лист, они закреплены в четырех отверстиях вблизи центра. Затяните винты, чтобы избежать движения. Поскольку электромагниты симметричны по центру, они всегда находятся на полюсах напротив, так что провода на внутренней стороне электромагнитов соединены вместе, а провода на внешней стороне электромагнитов подключены к L298N.
Протяните провода под акриловым листом через соседние отверстия, чтобы подключиться к L298N. Медный провод покрыт изолированным слоем, поэтому вы должны удалить его ножом, прежде чем вы сможете припаять их вместе.
Шаг 12: Сенсорный модуль и магниты
Используйте горячий клей для фиксации модуля датчика между электромагнитами, обратите внимание, что каждый датчик должен быть квадратным с двумя электромагнитами, один на передней и другой на задней панели. Попробуйте выполнить калибровку двух датчиков как можно более централизованно, чтобы они не перекрывались, что сделает датчик наиболее эффективным.
Следующий шаг - собрать магниты на акриловой основе. Объединяя два магнита D15*4 мм и магнит D15*3 мм вместе, чтобы сформировать цилиндр, это приведет к тому, что магниты и электромагниты будут иметь одинаковую высоту. Соберите магниты между парами электромагнитов, обратите внимание, что полюса восходящих магнитов должны быть одинаковыми.
Шаг 13: Разъем питания постоянного тока и выход L298N 5V
Припаяйте гнездо питания постоянного тока двумя проводами и используйте термоусадочную трубку. Подключенный разъем питания постоянного тока к входу модуля L298N, его выход 5 В будет подавать питание на Arduino.
Шаг 14: L298N и Arduino
Подключите модуль L298N к Arduino, следуя приведенной выше схеме:
L298N → Ардуино
5V → VCC
GND → GND
EnA → 7
В1 → 6
В2 → 5
В3 → 4
В4 → 3
EnB → 2
Шаг 15: Arduino Pro Mini программер
Поскольку у Arduino pro mini нет USB-порта для последовательного порта, вам необходимо подключить внешний программатор. FTDI Basic будет использоваться для программирования (и питания) Pro Mini.
15.01.2018 , 7,129 Просмотры
Данная самоделка представляет собой Левитрон с управляемым подвесом. Конструкция и схема достаточно просты, так что собрать её будет под силам даже не очень опытному радиолюбителю и любителю самоделок. В статье описана пошаговая инструкция сборки левитрона, следуя её, проблем с работоспособностью возникнуть не должно!
Схема левитрона
Что нужно для изготовления левитрона
- Транзистор IRF740A [Купить недорого ]
- Мультиплексор IN74LS157N
- Датчик Холла SS443A [Купить недорого ]
- Диод 1N4007 [Купить недорого ]
- Светодиод 12V
- Резисторы [Купить недорого ]
- Переключатель (Не включатель!!)
- Монтажная плата [Купить недорого ]
- Обмоточный провод ∅ 0.4 мм
- Неодимовые магниты разных размеров [Купить недорого ]
- Блок питания 5V 3A [Купить недорого ]
- Фанера и тонкий пластик
Изготовление Левитрона
Первым делом необходимо собрать корпус куда будет монтироваться вся схема, в том числе и катушка. Корпус можно изготовить по схеме ниже либо придумать свой вариант.
Первым делом из фанеры вырезаем все детали нижнего основания и при помощи клея ПВА собираем его.
Затем выпиливаем элементы стоек и так же с помощью клея склеиваем их.
После того как корпус собран, можно покрасить его в любой цвет, так он станет однотонным и привлекательным на вид, но это не обязательно конечно.
Перед сборкой схемы необходимо установить монтажную плату в корпус используя прокладку. Прокладка нужна для того, что бы обеспечить расстояние между корпусом и платой, что бы ножки деталей полностью заходили в отверстия и не возникало проблем при монтаже.
Затем вырезаем деталь где делаем отверстия для светодиода и переключателя. Эта деталь будет случить креплением для катушки.
При помощи супер клея, устанавливаем эту деталь на стойку.
Теперь необходимо подобрать стержень, его диаметр должен составлять 10 мм.
Затем вырезаем пластиковые стенки диаметром 45 мм.
С помощью супер клея промазываем внешние края стенок и основания для из фиксации.
Аккуратно продеваем провод.
Обрезаем провод с запасом, делаем надрез на стенке, укладываем туда конец провода и термоклеем фиксируем него, для того что бы избежать распускания.
Затем с помощью лезвия убираем все неровности.
Наша катушка готова. Теперь при помощи супер клея устанавливаем её на корпус, как на фото ниже.
Затем устанавливаем на корпус переключатель и светодиод и сразу же их припаиваем к отведенным для них проводам.
Затем припаиваем провода катушки и датчики холла. Длина проводов датчиков холла должна быть достаточной что бы достать до конца катушки.
Затем сгибаем датчики холла областью сенсора наружу.
Теперь при помощь изоленты крепим датчики как показано на рисунке ниже. Такой способ крепления в будущем, позволит без проблем менять расстояние между сенсорами. Дополнительно необходимо зафиксировать датчики с помощью канцелярских резинок.
Затем продеваем датчики в отверстие катушки и центруем их. Для этих целей и надевалась дополнительно канцелярская резинка.
При помощи пластиковых хомутов фиксируем все провода.
Теперь наш левитрон готов к эксплуатации!
Испытание Левитрона
Подключаем блок питания.
Меняя расстояние между датчиками, мы так же меняем длину хода подвеса.
Всё что остаётся сделать, это поместить магнит в зону датчика и наслаждаться чудесами левитации!))
Видео самоделки — Левитрон с управляемым подвесом
Магнитная левитация всегда выглядит впечатляюще и завораживающе. Такое устройство сегодня можно не только купить, но и сделать самому. И для того, чтобы создать такое устройство магнитной левитации не обязательно тратить на это много денег и времени.
В данном материале будет представлена схема и инструкция по сборке магнитного левитатора из недорогих компонентов. На саму сборку уйдет не более двух часов.
Идея данного устройства под названием левитрон очень проста. Электромагнитная сила поднимает в воздух кусок магнитного материала, а для того, чтобы создать парящий эффект, происходит поднятие и опускание объекта в очень малом диапазоне высот, но с очень большой частотой.
Чтобы собрать левитрон понадобятся всего лишь семь компонентов, включая катушку. Схема устройства магнитной левитации представлена ниже.
Итак, как мы видим по схеме, помимо катушки нам понадобятся полевой транзистор, например, IRFZ44N или другой подобный MOSFET, диод HER207 или что-то вроде 1n4007, резисторы 1 КОм и 330 Ом, датчик Холла A3144, а также опционально индикаторный светодиод. Катушку можно сделать самостоятельно, для этого потребуется 20 метров провода диаметром 0.3-0.4 мм. Для питания схемы можно взять зарядное устройство 5 В.
Чтобы сделать катушку, нужно взять основу с размерами, показанными на следующем рисунке. Для нашей катушки будет достаточно намотать 550 витков. Закончив намотку, катушку желательно заизолировать какой-нибудь изолентой.
Теперь запаяйте почти все компоненты кроме датчика Холла и катушки на небольшой плате. Датчик Холла поместите в отверстие катушки.
Зафиксируйте катушку так, чтобы она была над поверхностью на некотором расстоянии. После этого на данное устройство магнитной левитации можно подать питание. Возьмите небольшой кусочек неодимового магнита и поднесите его к низу катушки. Если все сделано правильно, то электромагнитная сила подхватит его и будет удерживать в воздухе.
Если у вас это устройство не работает должным образом, то проверьте датчик. Его чувствительная часть, то есть плоская сторона с надписями должна быть параллельно земле. Также для левитации форма таблетки, которая присуща большинству продаваемых неодимовых магнитов, не является самой удачной. Чтобы центр тяжести не «гулял», нужно перенести его на дно магнита, прикрепив к нему что-нибудь не слишком тяжелое, но и не слишком легкое. Например, можно добавить кусок картона или плотной бумаги, как на первом изображении.
Принцип работы: В данной схеме сила притяжения генерируется между электромагнитом и постоянным магнитом. Равновесное положение нестабильно, и поэтому используется система автоматического контроля и управления. Датчиком контроля служит магнитоуправляемый датчик положения на основе эффекта Холла MD1. Он расположен в центре торца катушки и закреплен. Катушка намотана лакированной проволокой 0,35-04 мм, и имеет около 550 витков. Светодиод НL1 показывает своим свечением, что схема работает. Диод D1 обеспечивает быстродействие работы катушки.
Схема работает следующим образом. При включении ток идет через катушку, которая создает магнитное поле и притягивает магнит. Для того чтобы магнит не перевернулся, его стабилизируют, прикрепив к нему что нибудь снизу. Магнит взлетает и притягивается к электромагниту, но когда магнит попадает в зону действия датчика положения (МD1) он своим магнитным полем отключает его. Датчик в свою очередь подает сигнал на транзистор, который отключает электромагнит. Магнит падает. Выйдя из зоны чувствительности датчика, электромагнит снова включается и магнит опять притягивается к электромагниту. Таким образом, система непрерывно колеблется около некоторой точки.
Схема:
Для сборки нам понадобится:
1) резисторы 270Ом и 1кОм (0.125Вт)
2) транзистор IRF 740
3) светодиод
4) диод 1N4007
5) датчик Холла AH443
6) макетная плата
7) лакированная проволока 0.35-0.4мм
+ корпус, паяльник и т.п.
Схема:
Собираем катушку. Каркас можно сделать используя тонкий лист стеклотекстолита и старый фломастер.
Вырезаем: (примерный размер катушки: высота — 22мм, диаметр — 27мм)
Склеиваем вместе:
Наматываем примерно 550витков: (лакированная проволока 0.35-0.4мм, в навал, но более-менее стараемся мотать равномерно)
Паяем плату управления: (в качестве разъема питания я использовал обычный 3.5 mm miniJack)
Цоколевка:
Для удобства сборки можно использовать штырьковые разъемы:
В корпусе вырезаем все необходимые отверстия:
Устанавливаем все на свое место:
Теперь необходимо сделать крепление для катушки:
Прикручиваем к корпусу и крепим катушку:
Именно так нужно выгнуть датчик Холла, припаиваем к нему провода:
Подключаем всё до кучи:
После того, как достанем магнит, нужно определить какой стороной его ориентировать к электромагниту. Для этого помещаем и временно закрепляем датчик Холла в самом низу катушки. Включаем левитрон (должен загореться светодиод) и подносим магнит. Если он притягивается к катушке — то магнит ориентирован правильно, но если же магнитное поле катушки выталкивает его, то магнит необходимо перевернуть. Снизу магнита необходимо прикрепить что-то легкое. В моем случае это светодиод.
Перемещая датчик Холла добиваемся стабильного зависания на максимальном расстоянии от катушки. Закрепляем его:
Левитация
(от лат. levitas
«легкость, легковесность») - физическое явление, при котором предмет без видимой опоры пари́т в пространстве, не касаясь твёрдой поверхности. Люди часто связывают это явление с магией, привидениями, НЛО и прочими невероятных явлениями.
С другой стороны, левитация относительно простое физическое явление для металлических предметов, находящихся в магнитном поле.
Предлагаю вам ознакомиться с устройством, предназначенным для левитации металлических предметов . Принцип работы прост. Для того, чтобы предмет мог висеть в пространстве, вместо постоянного магнита надо использовать электромагнит, управляемый с помощью электронной схемы таким образом, чтобы металлический предмет как бы парил на некотором расстоянии от электромагнита. За положением предмета в пространстве следит оптическая пара, которая состоит из инфракрасного фото и светодиодов. Если объект поднимается слишком высоко, то фотодиод будет менее освещен-ток через обмотку электромагнита уменьшится и его сила притяжения также уменьшится. Если объект опустится слишком низко, фотодиод будет более освещенным, ток через обмотку электромагнита увеличивается, и его сила притяжения увеличится.
Рис. 1 Схема устройства электромагнитной левитации
В схема управления устройства магнитной левитации (рис.1) используется операционный усилитель (ОУ) 1458 или 4558 и мощный MOSFET с теплоотводом. Опорное напряжение снимается с делителя R3-R4 и подается на неинвертирующий вход 3 ОУ. Контролируемое напряжение подается с делителя R2-VD2 на вход 2 ОУ. При небольшом изменении напряжения на R2-VD2 появляется сигнал рассогласования, который многократно, усиливается и изменяет напряжение на транзисторе VT1.
Электромагнит можно намотать на каркасе большого старого реле. Катушка содержит 1200 витков провода диаметром 0,4-0,5 мм. Железный сердечник имеет диаметр 8-10 мм.
Особых критериев для используемого фотодиода нет, можно использовать ту модель, которая есть у вас под рукой. Но т. к, их характеристики разнятся, резистором R1 настраивают четкую работу схемы при данных параметрах фотодиода.
Если у вас возникнут проблемы с устойчивостью работы устройства (объект вибрирует),то, возможно, потребуется изменить постоянную времени контура. Для этого необходимо экспериментально подобрать номинал конденсатора С1, от 22 мкф до 1мкф, пока цепь не станет работать устойчиво.