Air Bonsai에서 처음 본 이후로 매우 좋아하는 프로젝트입니다. 일본인이 어떻게 아름답고 신비로운 작품을 만들었는지 정말 놀랐습니다.
모든 수수께끼는 그것이 작동하는 내부를 들여다 보면 설명 할 수 있습니다. 나는 한 달 전에 공기 분재에 대해 많은 것을 배웠고 실제로는 자기 부상이었습니다. 나는 또한 자기 부양을 만드는 방법에 대한 많은 자습서를 보았고 그들 모두는 회로에 의해 제어되는 전자석이 있는 위에서 공중에 떠 있는 물체를 만들고 있습니다. 공기 분재와 유사한 회로를 만드는 방법에 대한 지침은 없습니다.
Arduino로 분재 공기를 만들기 위해 아래 단계를 살펴보십시오.
자기 부상을하는 방법을 간략하게 살펴보려면 위의 사진을보십시오.
2 단계 : 작동 방식
나는 킥 스타터 air-bonsai 버전의 회로가 마이크로 컨트롤러없이 매우 복잡하다는 것을 알게되고 깨달았고 아날로그 회로에 대한 지식이 없었으며 할 방법이없는 것 같습니다. 조심스럽게 살펴본 후, 나는 그 원리가 다른 자석 조각 위에 떠있는 자석 조각을 만드는 것이 매우 간단하다는 것을 깨달았습니다. 내 모든 휴식 작업은 플로팅 자석이 떨어지지 않도록하는 것입니다.
Arduino로이 작업을 수행하는 것이 실제로 아날로그 회로를 계산하는 것보다 훨씬 쉽다고 생각합니다. 그리고 저는 이런 식으로 성공했습니다.
자기 부상은 기본 조각과 떠 다니는 조각의 두 부분으로 구성됩니다.
- 베이스 피스
- 이 부분은 둥근 자기장을 생성하는 자석과 그 자기장을 제어하는 전자석으로 구성된 바닥에 있습니다.
- 각 자석에는 북쪽과 남쪽의 두 개의 극이 있습니다. 실험에 따르면 반대편은 끌어 당기고 같은 극은 격퇴합니다. 4 개의 원통형 자석이 정사각형에 배치되고 동일한 극성을 가지며 둥근 자기장을 위쪽으로 형성하여 동일한 극과 그 사이에 자석을 밀어냅니다.
- 4 개의 전자석이 있으며 사각형에 배치되고 2 개의 대칭 자석은 한 쌍이며 자기장은 항상 반대입니다.
- 홀 센서와 구동 회로는 전자석을 제어합니다. 전자석을 통해 전류를 전환하여 전자석에 반대 극을 만듭니다.
2. F로팅 피스
- 작은 냄비를 운반 할 수있는 기본 조각 위에 떠있는 자석을 포함하십시오.
어떻게 작동합니까?
상단의 자석은 동일한 극이기 때문에 하단 자석의 자기장에 의해 올라갑니다. 그러나 넘어지고 서로를 끌어 당기는 경향이 있습니다.
상단 자석 조각이 거꾸로 뒤집혀 떨어지는 것을 방지하기 위해 전자석은 홀 센서 덕분에 균형을 맞추기 위해 밀거나 당기는 자기장을 생성합니다.
전자석은 두 개의 X 축과 Y 축으로 제어되므로 상단 자석이 균형을 유지하고 떠 있습니다.
전자석을 제어하는 것은 쉽지 않으므로 다음 단계에서 자세히 설명하는 PID 컨트롤러에 대한 지식이 필요합니다.
3단계: PID 컨트롤러
PID란 무엇입니까?
Wikipedia에서 : "비례 – 적분 – 미분 컨트롤러 (PID 컨트롤러 또는 3 항 컨트롤러)는 산업 제어 시스템 및 연속 변조 제어가 필요한 다양한 기타 응용 분야에서 널리 사용되는 제어 루프 피드백 메커니즘입니다. PID 제어기는 원하는 설정값(SP)과 측정된 공정 변수(PV) 간의 차이로 오류 값 {\displaystyle e(t)}을 지속적으로 계산하고 제어기에 이름을 부여하는 비례, 적분 및 미분 항(각각 P, I 및 D로 표시됨)을 기반으로 보정을 적용합니다."
간단한 이해 방법 : "PID 컨트롤러는 측정 된 [입력]과 원하는 설정 값의 차이로 '오류'값을 계산합니다. 컨트롤러는 [출력]을 조정하여 오류를 최소화하려고 시도합니다."
따라서 PID에 측정 대상 ( "입력"), 측정 위치 ( "설정 점")와 조정할 변수 ( "출력")를 알려줍니다.
유튜브에서 PID에 대해 쉽게 이해하십시오 : https://www.youtube.com/watch?v=UR0hOmjaHp0
그런 다음 PID는 입력을 설정값과 동일하게 만들기 위해 출력을 조정합니다. 참고로 자동차에서 입력, 설정값, 출력은 각각 속도, 원하는 속도, 가속 페달 각도가 됩니다.
이 프로젝트의 내용:
1. 입력은 홀 센서의 현재 실시간 값으로, 플로팅 자석의 위치가 실시간으로 변경되기 때문에 지속적으로 업데이트됩니다.
2. 설정 값은 홀 센서의 값으로, 플로팅 자석이 자석베이스의 중심에있는 균형 위치에있을 때 측정됩니다. 이 인덱스는 고정되어 있으며 시간이 지나도 변경되지 않습니다.
3. 출력은 전자석을 제어하는 속도입니다.
PID 라이브러리를 작성하는 Arduino 커뮤니티 덕분에 정말 사용하기 쉽습니다.
아두이노 PID에 대한 추가 정보 https://playground.arduino.cc/Code/PIDLibrary
Arduino에서 두 개의 PID 컨트롤러를 사용해야 하는데, 하나는 X축용이고 다른 하나는 Y축용입니다.
이제 필요한 구성 요소를 구입할 때입니다.
4단계: 재료 목록
아래는이 프로젝트를 위해 구매해야하는 구성 요소 목록이므로 시작하기 전에 모두 가지고 있는지 확인하십시오.
일부 구성 요소는 매우 인기가 있으며 이미 자신의 재고로 구입할 수 있다고 생각합니다.
구성 요소에는 수량과 제안된 링크가 함께 제공됩니다. 제안 된 링크의 대부분은 저렴하고 무료 배송을 구입할 수있는 Aliexpress에서 제공됩니다. 가장 쉬운 방법으로 구입할 수있는 한 다른 곳에서 구입할 수 있습니다.
- LM324N - X1 - 0.87달러
- 공중 부양 코일 - X4 - $14.09
- SS495a 홀 센서 - X2 - $5.44
- 12V 2A DC 어댑터 - X1 - $8.82
- 링 자석 D15 * 4mm-X8-$ 6.8
- DC 전원 잭 - X1 - $1.64
- 링 자석 D15 * 3mm-X4-$ 4.11
- 아두 이노 프로 미니-X1-$ 3.2
- L298N 모듈 - X1 - $2.25
- 14 핀 소켓 - X1 - $1.91
- 자석 D35 * 5mm - X2 - $ 6.65
- 5.6K 옴 저항기 - X2
- 180K 옴 저항기 - X2
- 47K 옴 저항기 - X2
- 10K 옴 전위차계 - X2
- 아크릴 시트 A5 크기 - X1
- 나무 냄비 - X1
- 인쇄 회로 기판 - X1
- 3mm 나사 - X8
- 철사
- 즙이 많은 미니 플랜, 선인장, 미니 분재
5단계: 도구
다음은 누구나 가장 일반적으로 사용하는 도구 목록입니다.
- 납땜
- 손 톱
- 멀티 미터
- 드라이버 스크류
- 오실로스코프(옵션, 대신 멀티미터를 사용할 수 있음)
- 테이블 드릴링
- 뜨거운 아교 총
- 전자 플라이어
6단계: LM324 연산증폭기 및 L298N 드라이버 및 SS495a
LM324 연산 증폭기
연산 증폭기(연산 증폭기)는 오늘날 사용되는 가장 중요하고 널리 사용되는 다목적 회로 중 일부입니다.
우리는 연산 증폭기를 사용하여 홀 센서의 신호를 증폭하며, 목적은 arduino가 자기장의 변화를 쉽게 인식 할 수 있도록 감도를 높이는 것입니다. 홀 센서의 출력에서 몇 mV 만 변경하면 증폭기를 통과 한 후 Arduino에서 수백 개의 장치를 변경할 수 있습니다. 이는 PID 컨트롤러를 부드럽고 안정적으로 유지하는 데 필요합니다.
이 튜토리얼에서 연산 증폭기의 작동 방식에 대해 자세히 알아보십시오.
내가 선택한 일반적인 연산 증폭기 IC는 LM324이며 매우 저렴하며 모든 전자 제품 매장에서 구입할 수 있습니다. LM324에는 4 개의 내부 증폭기가있어 유연하게 사용할 수 있지만이 프로젝트에서는 X 축과 Y 축에 각각 두 개의 증폭기 만 있으면됩니다.
다음 단계에서 LM324를 조립하는 방법을 찾을 수 있습니다.
L298N 모듈
듀얼 H-Bridge L298N은 일반적으로 두 개의 DC 모터의 모터 속도와 방향을 제어하거나 하나의 양극 스테퍼 모터를 쉽게 제어하는 데 사용됩니다. L298N H 브리지 모듈은 전압이 5V에서 35V DC 사이인 모터와 함께 사용할 수 있습니다.
온보드 5V 레귤레이터도 있으므로 공급 전압이 최대 12V인 경우 보드에서 5V를 소싱할 수도 있습니다.
이 프로젝트에서는 L298N을 사용하여 두 쌍의 전자석 코일을 제어하고 5V 출력을 사용하여 Arduino 및 홀 센서에 전원을 공급했습니다.
모듈 핀아웃:
- 출력 2: 전자석 X 쌍
- Out 3: 전자석 쌍 Y
- 입력 전원 공급 장치 : DC 12V 입력
- GND: 접지
- 5v: 아두이노 및 홀 센서에 5v 출력
- EnA: 출력 2에 대한 PWM 신호 활성화
- In1: 출력 2에 대해 사용
- In2: 출력 2에 대해 활성화
- In3: 출력 3에 대해 활성화
- In4: 출력 3에 대해 활성화
- EnB: 출력3에 대한 PWM 신호 활성화
아두 이노에 배선 : EnA 및 EnB 핀에서 2 개의 점퍼를 제거한 다음 6 개의 핀 In1, In2, In3, In4, EnA, EnB를 Arduino에 연결해야합니다. 다음 단계의 세부 정보입니다.
이 지침에서 L298N 모듈에 대해 자세히 알아보십시오.
SS495a 홀 센서
SS495a는 아날로그 출력이 있는 선형 홀 센서입니다.
아날로그 출력과 디지털 출력의 차이점을 확인하십시오.이 프로젝트에서는 디지털 출력이있는 센서를 사용할 수 없으며 1 또는 0의 두 가지 상태 만 있으므로 자기장의 출력을 측정 할 수 없습니다.
아날로그 센서는 250mV에서 Vcc까지의 전압 범위를 생성하며, 이는 Arduino의 아날로그 입력으로 읽을 수 있습니다.
X축과 Y축 모두에서 자기장을 측정하려면 두 개의 홀 센서가 필요합니다.
7단계: 네오디뮴 Ndfeb 자석
Wikipedia: "네오디뮴은 강자성(더 구체적으로 반강자성 특성을 나타냄)인 금속으로, 철처럼 자화되어 자석이 될 수 있지만 퀴리 온도는 19K(-254°C)이므로 순수한 형태로 자성은 극도로 낮은 온도에서만 나타납니다. 그러나 네오디뮴 화합물과 철과 같은 전이 금속은 실온보다 훨씬 높은 퀴리 온도를 가질 수 있으며 네오디뮴 자석을 만드는 데 사용됩니다."
STRONG, 그것은 내가 네오디뮴 자석을 설명하는 데 사용하는 단어입니다. 페라이트 자석은 자기가 너무 약하기 때문에 사용할 수 없습니다. 네오디뮴 자석은 페라이트 자석보다 훨씬 비쌉니다.
작은 자석은 기본 조각을 만드는 데 사용되며 큰 자석은 떠 다니는 조각을 만드는 데 사용됩니다.
주의: 네오디뮴 자석은 강한 자성이 당신을 해치거나 자기장의 영향을받는 하드 드라이브 또는 기타 전자 장치의 데이터를 손상시킬 수 있으므로주의해야합니다.
팁: 자석의 두 조각을 수평으로 밀어 당겨야만 분리 할 수 있으며 자기장이 너무 강하기 때문에 반대 방향으로 분리 할 수 없습니다. 그들은 또한 매우 부서지기 쉽고 쉽게 부서집니다.
8단계: 베이스 피스 커버 준비
나는 일반적으로 즙이 많거나 선인장을 재배하는 데 사용되는 직경 3 3/4 "의 작은 테라코타 냄비를 사용합니다. 세라믹 냄비 또는 나무 냄비가 완벽하게 맞는 한 사용할 수도 있습니다.
8mm 드릴을 사용하여 DC 잭을 고정하는 데 사용되는 냄비 바닥 근처에 구멍을 만듭니다.
팁: 당신은 테라코타 냄비에 구멍을 뚫기 위해 평평한 나무 비트를 사용해야합니다, 나는 철 드릴을 사용했고 거의 타 버렸고, 실제로 효과적이지 않았습니다.
또한 물을 사용하여 드릴을 식히고 과열을 피할 수 있습니다.
9 단계 : 3D 프린팅 플로팅 자석 홀더 및 아크릴 레이저 절단
3D 프린팅
내가 첨부 한 STL 파일로 플로팅 자석 홀더를 인쇄합니다.
3D 프린터를 사용할 수 있다면 정말 좋습니다. 축하합니다,이 기계로 모든 것을 만들 수있는 기회가 있습니다. 그렇지 않다면 현재 매우 인기있는 저렴한 3D 프린팅 서비스를 사용할 수 있으므로 실망하지 마십시오.
팁: 이 부분을 완료하고 30 % 만 채우는 데 약 20 분 밖에 걸리지 않습니다.
레이저 절단
로컬 레이저 절단 서비스를 사용하여 AcrylicLaserCut.dwg로 첨부 한 파일로 두 개의 아크릴 조각을 잘라야합니다. 이 파일은 오토캐드 파일입니다.
아크릴 조각은 자석과 전자석을지지하는 데 사용되며 나머지는 테라코타 냄비의 표면을 덮는 데 사용됩니다.
10단계: SS495a 홀 센서 모듈 준비
PCB 브레드 보드를 홀 센서를 부착하는 조각과 LM324 회로를 만드는 두 조각으로 자릅니다.
PCB에 수직 인 두 개의 자기 센서를 부착하십시오. 참고로 양쪽에는 센서가 서로 회전하여 용접이 고정되어 새겨져 있습니다.
가는 선을 사용하여 센서의 두 VCC 핀을 함께 연결하고 GND 핀과 동일한 작업을 수행합니다. 출력 핀은 분리되어 있습니다.
11단계: 연산 회로
회로도에 따라 소켓과 저항을 PCB에 납땜하고 나중에 쉽게 교정할 수 있도록 두 개의 전위차계를 같은 방향으로 놓도록 주의하십시오.
LM324를 소켓에 부착 한 다음 홀 센서 모듈의 두 출력을 연산 증폭기 회로에 연결합니다.
두 개의 LM324 출력 와이어를 배선하여 아두 이노에 연결합니다. 12V 입력은 전위차계의 5V에 연결된 L298N 모듈의 5V 출력 인 L298N 모듈의 12V 입력과 공유되어야합니다.
12단계: 전자석 조립
전자석을 아크릴 시트 상에 조립하고, 그 중심에 가까운 4개의 구멍에 고정되어 있음을 주목한다.
움직이지 않도록 나사를 조입니다.
전자석은 중심을 가로질러 대칭이기 때문에 항상 반대쪽 극에 있으므로 전자석 내부의 전선이 함께 연결되고 전자석 외부의 전선이 H-드라이버 L298N에 연결됩니다.
근처 구멍을 통해 아크릴 시트 아래의 와이어를 아래로 당겨 L298N에 연결합니다.
팁: 구리선은 절연층으로 코팅되어 있으므로 함께 납땜하기 전에 칼로 제거해야 하며 용접 후 열수축 튜브를 사용하는 것을 잊지 마십시오.
13단계: 센서 모듈 및 자석 부착
뜨거운 접착제를 사용하여 전자석 사이에 센서 모듈을 고정하고 각 센서는 전면과 후면에 하나씩 두 개의 전자석이 있는 정사각형이어야 합니다.
두 센서가 겹치지 않도록 가능한 한 중앙에서 보정하여 센서를 가장 효과적으로 만드십시오.
다음 단계는 아크릴베이스에 자석을 조립하는 것입니다. 두 개의 D15*4mm 자석과 D15*3mm 자석을 결합하여 실린더를 형성하면 자석과 전자석의 높이가 같아집니다.
전자석 쌍 사이에 자석을 조립하고 위쪽 자석의 극이 동일해야 합니다.
14단계: DC 전원 잭 및 L298N 5V 출력
DC 전원 잭을 두 개의 와이어로 납땜하고 열 수축 튜브를 사용하십시오. DC 전원 잭을 L298N 모듈의 입력에 연결하면 5V 출력이 Arduino에 전원을 공급합니다.
15 단계 : L298N 및 아두 이노
위의 회로도에 따라 L298N 모듈을 Arduino에 연결합니다.
L298N ===> 아두이노
출력 5V ===> VCC
GND ===> GND
EnA ===> 7
In1 ===> 6
In2 ===> 5
In3 ===> 4
In4 ===> 3
EnB ===> 2
16단계: 아두이노 프로 미니 프로갬밍
Arduino 프로 미니에는 직렬 포트에 USB가 없으므로 외부 프로그래머를 연결해야합니다.
FTDI 베이직은 Pro Mini를 프로그래밍(및 전원 공급)하는 데 사용됩니다.
자세한 정보를 보려면 이 Sparkfun 지침을 따르세요.
단계 17: 플로팅 피스의 준비
두 개의 D35 * 5 자석을 함께 부착하여 자성을 높입니다.
18단계: 교정 설정값
내가 첨부 한 Arduino에 프로그램 ReadSetpoint.ino를로드하십시오. 이 프로그램은 홀 센서의 값을 읽고 직렬 포트를 통해 컴퓨터로 보냅니다. COM 포트를 열어 확인합니다.
12V DC를 DC 전원 잭에 연결하고 오실로스코프를 사용하여 센서 값을 판독합니다.
화면의 값을 관찰하고 두 개의 전위차계를 조정하여 조정하십시오. 가장 좋은 값은 560이며,이 시점에서 센서의 출력은 약 2.5V입니다.
설정값을 설정한 후 플로팅 자석 조각을 베이스 조각 위에 놓고 흔들면 화면에서 설정값의 변화를 확인할 수 있습니다.
팁: 나중에 쉽게 수정할 수 있도록 한 쌍의 전자석과 전위차계를 X축과 Y축에 각각 표시하십시오.
19단계: 주 프로그램 로드
설정값 보정 후 이제 결과를 즐길 시간입니다.
아래에 첨부 한 Levitation.ino 메인 프로그램을로드하십시오.
슈퍼 접착제를 사용하여 이전에 3D 인쇄 된 자석 조각과 자석 홀더를 고정하십시오.
팁: 메인 프로그램을로드 한 후 전위차계를 약간 조정하여 플로팅 피스를 중앙에 고정 할 수 있습니다.
20단계: 모두 합치기
먼저 DC 전원 잭을 냄비에 부착 한 다음 나머지 부품을 냄비에 넣습니다.
마지막으로 남은 아크릴 시트를 사용하여 냄비 표면을 만듭니다.
21 단계 : 식물 준비
플로팅 자석 조각에 나무 화분을 부착합니다.
나는 작은 선인장을 사용하여 심었습니다. 선인장이나 즙이 많은 또는 대칭이거나 작고 가벼운 미니 분재를 사용할 수 있습니다.
22 단계 : 끝내고 즐기십시오
당신의 결과를 즐기십시오, 당신의 노력은 당신 자신에 의해 만들어진 당신의 책상에 분재 공기 화분을 만날 것입니다.
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