描述

YAAAP

（另一個(gè) Arduino 藝術(shù)項(xiàng)目）

妻子買了一件園林藝術(shù)品。等待。沒啥事兒。添加了一些磁鐵、Arduino 和中提琴！

每個(gè)擺的底部都附有一個(gè)永久磁鐵。電磁鐵線圈安裝在懸掛磁鐵下方。當(dāng)線圈通電時(shí)，擺被排斥。當(dāng)磁鐵接近線圈并經(jīng)過線圈時(shí)，線圈中會(huì)感應(yīng)出一個(gè)信號(hào)。該信號(hào)由微控制器分析，當(dāng)磁鐵通過線圈時(shí)，線圈會(huì)短暫通電，提供一腳來維持?jǐn)[動(dòng)。

藝術(shù)

支架高 28 英寸，深 15 英寸，鐘擺頂部距離地面 54 英寸。如果你在谷歌圖片上搜索“花園藝術(shù)鐘擺”，你會(huì)看到幾個(gè)來源。它重約 30 磅，我認(rèn)為它是墨西哥制造的。我在底座單元的頂部導(dǎo)軌上添加了 10 個(gè)螺釘，以防止擺軸四處游蕩（見圖）。

磁鐵

每個(gè)磁鐵長(zhǎng) 20 毫米 x 直徑 10 毫米，安裝在粘在每個(gè)擺錘底部的木制支架上（“家用粘膠”）。鉆 10 毫米孔并將磁鐵壓入到位。如果需要，可以粘上。我調(diào)整了磁鐵的位置，使線圈和磁鐵之間的間??隙約為 2 到 3 毫米。在亞馬遜搜索“10x20mm 磁鐵”。速賣通的價(jià)格也好不到哪兒去。

電源

我從我的垃圾箱中選擇了標(biāo)有“11.5V 1.95A”的 Atari 電源。空載輸出電壓為 14.5 伏。我曾期待更好的監(jiān)管。只有在完成項(xiàng)目后，我才能確定實(shí)際的電源需求。每個(gè)鐘擺在運(yùn)行時(shí)平均每 2 秒需要大約 1 安培的電流持續(xù) 5 毫秒。但是，電源必須能夠在線圈通電期間提供 1 安培的電流，這在啟動(dòng)期間可能長(zhǎng)達(dá) 200 毫秒。在開發(fā)過程中，我試驗(yàn)了電源電壓，發(fā)現(xiàn)擺錘可以用 5 伏電源供電，但我沒有測(cè)試低電壓下的啟動(dòng)。電壓上限受額定電壓為 15 伏的 AMS1117 的限制。

電磁鐵

線圈纏繞在一個(gè)長(zhǎng) 3 英寸、直徑 0.5 英寸的軟鐵芯上，這是一個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目遺留下來的鐵軸。我在芯的一端鉆了一個(gè)孔并攻了一個(gè) 6-32 螺釘。我對(duì)線圈的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)只是基于 12 伏電源將電流限制在 1 安培，這意味著 12 歐姆線圈。我有一個(gè) 32 號(hào)線的線軸，所以我計(jì)算出大約 600 圈就可以了。我在擺錘下方安裝了一個(gè)木架，線圈安裝在木制橫梁上（見圖）。如果您對(duì)設(shè)計(jì)權(quán)衡感興趣，這里有一個(gè)電磁力計(jì)算器：https ://www.daycounter.com/Calculators/Magnets/Solenoid-Force-Calculator.phtml

電路設(shè)計(jì)

該電路分為3個(gè)主要部分；電源、線圈控制和模擬信號(hào)處理。電源由一個(gè)為線圈提供電流的二極管隔離電容器組成。一個(gè)單獨(dú)的電源由 3 個(gè)串聯(lián)的 1N4001 二極管（~2 伏壓降）組成，進(jìn)入 AMS1117 5.0 伏穩(wěn)壓器，然后進(jìn)入為模擬信號(hào)放大器供電的 MIC3565 3.3 伏穩(wěn)壓器。

每個(gè)線圈都由一個(gè) AO3400 MOSFET 控制。這些小巧的 SOT-23 器件額定值為 30V、5.8A 和典型的 25 毫歐姆電阻。當(dāng) MOSFET 關(guān)閉時(shí)，感興趣的信號(hào)在 MOSFET 的漏極處生成，因此漏極電壓為 12 伏。一個(gè) 47 uF 電容器將電路的數(shù)字部分連接到模擬放大器，并將信號(hào)轉(zhuǎn)移到地電平。

當(dāng)磁鐵通過線圈時(shí)，模擬信號(hào)略高于 0.5 伏。然而，在某些瞬態(tài)條件下，該信號(hào)可能高達(dá) 12V（在調(diào)試那個(gè)過程中烤了幾個(gè)藥丸、運(yùn)放和 MOSFET！），因此有必要用 1N4148 小信號(hào)二極管將信號(hào)鉗位到地限制信號(hào)至 0.7 伏。額外的 1N5819 肖特基二極管鉗位負(fù)向信號(hào)。除了二極管鉗位之外，Blue Pill 還控制另一個(gè) MOSFET，該 MOSFET 在控制線圈通電后以及在其他兩個(gè)線圈關(guān)閉的短暫時(shí)間內(nèi)將信號(hào)鉗位到地。信號(hào)經(jīng)過濾波，使用 MCP6001 軌到軌運(yùn)算放大器放大 10 倍，然后發(fā)送到 Blue Pill 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所有提到的組件都可以從 Ali Express 獲得。

第一條示波器跡線顯示了電平轉(zhuǎn)換到地之后的信號(hào)和放大后的信號(hào)。第二幅示波器圖片顯示了信號(hào)（藍(lán)色）和消隱信號(hào)（黃色）。請(qǐng)注意，消隱信號(hào)將信號(hào)鉗位到地。第三個(gè)示波器捕獲顯示不同線圈的活動(dòng)被關(guān)閉，這通常會(huì)在此信號(hào)上產(chǎn)生較大的瞬變，但該事件被短暫的鉗位信號(hào)（黃色）消隱。

工作計(jì)劃和預(yù)算

我使用 DipTrace 進(jìn)行原理圖捕獲和 PWB 布局。這是一個(gè)免費(fèi)的非商業(yè)用途的布局包。文件已附上。如果您不需要修改文件，還附有 Gerber 文件。我使用 JLCPCB.com 作為我的 pwb 供應(yīng)商。模擬和數(shù)字電路彼此分開，數(shù)字和模擬地也是如此。跨接導(dǎo)線將 AGND 連接到 DGND。這種“單點(diǎn)接地”概念降低了模擬部分中的數(shù)字噪聲。

微控制器

該項(xiàng)目基于基于 STM32F103 的“Blue Pill”。我選擇 Blue Pill 是因?yàn)椋拖裎业囊恍┳詈玫呐笥岩粯樱鼈兗缺阋擞挚旖荨?/font>從 Ali Express 以不到 1 美元（包括運(yùn)費(fèi)）購(gòu)買 Blue Pill 的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了，但它們?nèi)匀皇?Arduino 戰(zhàn)場(chǎng)上成本最低的控制器。開發(fā)環(huán)境不像 Atmel 產(chǎn)品那樣精致，用戶群也不像 Atmel 產(chǎn)品那樣廣泛。然而，在克服了“陷阱”之后，它確實(shí)表現(xiàn)可靠。我最初使用 Arduino Uno 制作項(xiàng)目原型，只要鐘擺擺動(dòng)就可以正常工作，但 Uno 在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)問題 - 無(wú)法足夠快地處理信號(hào)。Blue Pill 的運(yùn)行頻率為 72 MHz，12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為 1 微秒多一點(diǎn)。

此外，定時(shí)器架構(gòu)非常適合該項(xiàng)目的需要。STM32F103 有六個(gè) 16 位定時(shí)器和六個(gè) 16 位預(yù)分頻器。每個(gè)定時(shí)器有 4 個(gè)“通道”，可以單獨(dú)設(shè)置以產(chǎn)生中斷。所以我可以為每個(gè)鐘擺指定一個(gè)計(jì)時(shí)器。當(dāng)關(guān)閉線圈功率 MOSFET 時(shí)，定時(shí)器的通道 1 將產(chǎn)生中斷。當(dāng)需要關(guān)閉信號(hào)消隱 MOSFET 時(shí)，通道 2 將產(chǎn)生一個(gè)中斷。通道 3 將檢測(cè)鐘擺是否停止擺動(dòng)。第四個(gè)定時(shí)器生成一個(gè) 1 毫秒時(shí)基來控制額外的瞬態(tài)消隱。

集成開發(fā)環(huán)境

我使用 Dan Drown 板定義庫(kù)。?在“工具”選項(xiàng)卡中設(shè)置以下變量；

“通用 STM32F103C 系列”，上傳方法=串行，優(yōu)化=最小（使用 30% 閃存）。我嘗試了使用 41% 閃存的“最快”，但無(wú)法檢測(cè)到足夠的加速以證明偏離默認(rèn)設(shè)置是合理的。

將串行轉(zhuǎn) USB 轉(zhuǎn)換器連接到 TX、RX 和接地端子。注意——將電路板上的+5V 連接到+5 伏USB 串行轉(zhuǎn)換器會(huì)將PC 的+5 連接到該電路板電源的+5。也許可以，但不推薦。將跳線“BOOT0”置于“1”位置，按下復(fù)位按鈕，您就可以下載代碼了。調(diào)用 IDE 監(jiān)視器，Serial.print() 語(yǔ)句出現(xiàn)在監(jiān)視器中。完成后，將 BOOT0 跳線置于“0”位置，系統(tǒng)將在通電后開始運(yùn)行閃存中的代碼。

軟件

該軟件分為幾個(gè)主要組件；狀態(tài)機(jī)、信號(hào)處理、線圈控制、消隱（鉗位）控制、定時(shí)器和定時(shí)器中斷服務(wù)程序。

狀態(tài)機(jī)控制處于三種狀態(tài)之一的每個(gè)擺錘的動(dòng)作；啟動(dòng)、提升和穩(wěn)定。啟動(dòng)時(shí)，擺底部的磁鐵已被線圈的軟鐵芯吸住。在這種“捕獲”狀態(tài)下，鐘擺的振動(dòng)頻率比正常情況高得多，通常比正常“擺動(dòng)”頻率快十倍。啟動(dòng)時(shí)，定時(shí)器通道 3 中斷服務(wù)例程會(huì)生成一個(gè)線圈控制信號(hào)，該信號(hào)接近捕獲的擺錘的基頻加上隨機(jī)“抖動(dòng)”，在某個(gè)時(shí)刻，它將使擺錘脫離磁鐵。當(dāng)擺從下面的磁鐵中解放出來時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大信號(hào)，表明擺已經(jīng)逃脫了捕獲。當(dāng)檢測(cè)到該信號(hào)時(shí)，狀態(tài)變?yōu)?BOOST 狀態(tài)，線圈通電，當(dāng)磁鐵從檢測(cè)線圈后退時(shí)產(chǎn)生恒定的脈沖。最后，在提升固定數(shù)量的反沖后，鐘擺呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，其中線圈功率是所需周期誤差的函數(shù)減去實(shí)際周期，使用僅基于“P”項(xiàng)的 PID 閉環(huán)控制算法.

在 STABLE 狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到急劇上升后急劇下降時(shí)，線圈會(huì)通電一定時(shí)間，該時(shí)間經(jīng)過計(jì)算可使擺錘保持在規(guī)定的周期內(nèi)擺動(dòng)（閉環(huán)控制）。每次檢測(cè)到信號(hào)，線圈控制例程都會(huì)重新編程擺錘對(duì)應(yīng)的定時(shí)器，產(chǎn)生3次中斷；定時(shí)器通道 1 將關(guān)閉線圈控制 MOSFET，并在線圈關(guān)閉瞬態(tài)期間短暫消隱其他 2 個(gè)信號(hào)，定時(shí)器通道 2 將在預(yù)期下一次磁體相遇之前關(guān)閉信號(hào)消隱，定時(shí)器通道 3 將檢測(cè)到鐘擺已經(jīng)停止擺動(dòng)。

提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的基于終端的信息屏幕。用戶可以控制報(bào)告哪個(gè)鐘擺并為該鐘擺設(shè)置所需的周期（它控制鐘擺的位移）。報(bào)告會(huì)在啟動(dòng)期間根據(jù)正在啟動(dòng)的擺錘自動(dòng)從一個(gè)擺錘切換到另一個(gè)擺錘。另請(qǐng)注意，僅當(dāng)檢測(cè)到報(bào)告信號(hào)的特定擺錘時(shí)，LED 才會(huì)閃爍。

信號(hào)（藍(lán)色）和放大信號(hào)（黃色）

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放大信號(hào)和消隱控制

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放大的信號(hào)和來自另一個(gè)線圈的額外空白脈沖的消隱

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