STEM
Hướng dẫn công nghệ nam châm bay lơ lững
♦ Bạn có thể mua Full bộ kit tự lắp ráp: Tại đây
HƯỚNG DẪN CỘNG NGHỆ NAM CHÂM BAY LƠ LỮNG – ĐỆM TỪ TRƯỜNG
Bước 1: Video hướng dẫn
Hãy xem đoạn video ở trên để xem nhanh cách làm đệm từ trường.
Xin lưu ý rằng hướng dẫn trong video rất đơn giản. Bạn cần nhìn vào video và làm theo tất cả các bước dưới đây để đảm bảo bạn có thể làm cho chậu cây của bạn có thể bay.
Bước 2: Cách hoạt động
Một đệm từ trường bao gồm hai phần, phần đế và khung lơ lững.
- Phần đế
- Phần này nằm ở phía dưới, gồm nam châm để tạo ra một từ trường và nam châm điện để điều khiển từ trường đó.
- Mỗi nam châm có hai cực: bắc và nam. Các thí nghiệm cho thấy rằng khác cực hút nhau và cùng cực đẩy nhau. Bốn nam châm hình trụ được đặt trong một hình vuông và có cùng cực, tạo thành một từ trường để đẩy bất kỳ nam châm nào, có cùng cực và ở giữa chúng.
- Có bốn nam châm điện tất cả, chúng được thành một hình vuông, hai nam châm đối xứng là một cặp và từ trường của chúng luôn luôn là đối nhau.
- Cảm biến từ và mạch điều khiển các nam châm điện. Tạo các cực đối lập trên nam châm điện bằng cách cho dòng điện qua chúng.
- Khung lơ lững
- Bao gồm một nam châm đặt trên phần đế, bạn có thể làm một cái khung nhựa cho nó.
Làm thế nào nó hoạt động?
Các nam châm trên khung lơ lững được nâng lên nhờ từ trường của nam châm phía dưới bởi vì chúng có cùng cực. Tuy nhiên nó có xu hướng quay trở lại để hút vào nam châm ở phần đế.
Để ngăn chặn các nam châm xoay lại và hút vào phần đế, nam châm điện sẽ tạo ra từ trường để đẩy hoặc hút để cân bằng nó, nhờ cảm biến từ.
Các nam châm điện được điều khiển theo hai trục X và Y, kết quả là nam châm trên được giữ cân bằng với đế.
Để điều khiển nam châm điện bạn phải có kiến thức về bộ điều khiển PID.
Bước 3: Bộ điều khiển PID
PID là gì?
Từ Wikipedia : “Bộ điều khiển PID và bộ điều khiển tỷ lệ vi tích phân” là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp và một loạt các ứng dụng khác yêu cầu điều khiển được điều chỉnh liên tục. {\ displaystyle e (t)} là sự khác biệt giữa điểm đặt mong muốn (SP) và giá trị đo được (PV) và áp dụng hiệu chỉnh dựa trên tỷ lệ, tích phân và đạo hàm (ký hiệu P, I và D tương ứng). ”
Một cách đơn giản để hiểu: “Một bộ điều khiển PID tính toán giá trị ‘sai số’ là sự sai khác giữa [Input] đo và điểm đặt mong muốn. Bộ điều khiển cố gắng giảm thiểu sai số bằng cách điều chỉnh [đầu ra].”
Vì vậy, bạn khai báo với PID đầu vào đo lường, nơi bạn muốn đo lường (“Setpoint”,) và biến để điều chỉnh làm cho điều đó xảy ra (“đầu ra”.)
Hiểu rõ hơn về PID trong Youtube:
https://www.youtube.com/watch?v=UR0hOmjaHp0
Trong dự án này:
- Input là giá trị thời gian thực hiện tại từ cảm biến hall, được cập nhật liên tục vì vị trí của nam châm lơ lững sẽ thay đổi theo thời gian thực.
- Điểm đặt (Setpoint)là giá trị từ cảm biến Hall, được đo khi nam châm lơ lững ở vị trí cân bằng, ở giữa đế. Giá trị này được cố định và không thay đổi theo thời gian.
- Output là tốc độ để điều khiển nam châm điện.
Tải thư viện Arduino PID tại https://playground.arduino.cc/Code/PIDLibrary
Chúng ta cần sử dụng một vài bộ điều khiển PID trong Arduino, một cho trục X và một cho trục Y.
Bước 4: Danh sách linh kiện cần thiết
- LM324N– X1
- Cuộn dây đồng- X4
- Cảm biến từ SS495a– X2
- Bộ đổi nguồn DC 12V– X1
- Vòng nam châm D15 * 4mm– X8
- Vòng nam châm D15 * 3mm– X4
- Arduino pro mini- X1
- Mô-đun L298N– X1
- Khung IC 14 chân– X1
- Nam châm D35 * 5mm– X2
- Điện trở 5.6K ohm – X2
- Điện trở 180K ohm – X2
- Điện trở 47K ohm – X2
- Chiết áp 10K ohm – X2
- Tấm nhựa khổ A5 – X1
- Khung gỗ – X1
- Breadboard – X1
- Vít 3mm – X8
- Dây điện
- Vật đặt lên khung lơ lững
Bước 5: Công cụ
Dưới đây là danh sách các công cụ, thường được sử dụng bởi bất kỳ ai.
- Cây hàn
- Cưa tay
- Đồng hồ vạn năng
- Thiết bị điều khiển Scew
- Osilloscope (bạn có thể sử dụng vạn năng thay thế)
- Bảng khoan
- Súng bắn keo nóng
- Kìm điện tử
Bước 6: Bộ điều khiển LM324 Opamp, L298N và SS495a
LM324 Op-amp
Các bộ khuếch đại hoạt động (op-amps) là một số mạch quan trọng, được sử dụng rộng rãi và linh hoạt nhất hiện nay.
Chúng tôi sử dụng opamp để khuếch đại tín hiệu từ cảm biến từ, mục đích là tăng độ nhạy để arduino dễ dàng nhận ra sự thay đổi của từ trường. Khi chỉ thay đổi một vài mV ở đầu ra của cảm biến từ, sau khi qua bộ khuếch đại nó có thể thay đổi thành vài trăm mV trong Arduino. Điều này là cần thiết để giữ cho bộ điều khiển PID ổn định.
LM324 có 4 bộ khuếch đại, cho phép bạn sử dụng linh hoạt, tuy nhiên trong dự án này, tôi chỉ cần hai bộ khuếch đại, một cho trục X và một cho trục Y.
Mô-đun L298N
L298N thường được sử dụng trong điều khiển tốc độ và hướng của hai động cơ DC, hoặc điều khiển một động cơ bước lưỡng cực một cách dễ dàng. Mô-đun L298N có thể được sử dụng với động cơ có điện áp từ 5 đến 35V DC.
Ngoài ra còn có một bộ điều chỉnh 5V trên board, vì vậy nếu điện áp cung cấp của bạn lên đến 12V bạn cũng có thể lấy ra nguồn 5V từ board.
Trong dự án này, tôi đã sử dụng L298N để điều khiển hai cặp cuộn dây điện từ và sử dụng đầu ra 5V để cấp nguồn cho cảm biến Arduino.
Sơ đồ mô-đun:
- Out 2: cặp nam châm điện X
- Out 3: cặp nam châm điện Y
- Cung cấp điện đầu vào: dc 12v đầu vào
- GND: Mặt đất
- 5v: 5v đầu ra cho Arduino và cảm biến từ
- EnA: Bật tín hiệu PWM cho Out 2
- In1: Bật tính hiệu out 2
- In2: Bật tính năng Out 2
- In3: Bật tính năng Out 3
- In4: Bật tính năng Out 3
- EnB: Bật tín hiệu PWM cho Out 3
Đấu nối với Arduino: chúng ta cần loại bỏ 2 bộ nối trong chân EnA và EnB, sau đó nối 6 chân In1, In2, In3, In4, EnA, EnB với Arduino. Chi tiết trong bước tiếp theo.
Cảm biến Từ SS495a
SS495a là cảm biến Từ với đầu ra analog.
Lưu ý sự khác biệt giữa đầu ra analog và đầu ra digital, bạn không thể sử dụng cảm biến với đầu ra digital trong dự án này, vì nó chỉ có hai trạng thái 1 hoặc 0, vì vậy bạn không thể đo đầu ra của từ trường.
Một cảm biến analog sẽ trả về một dải điện áp từ 250mV đến Vcc, mà bạn có thể đọc với Đầu vào analog của Arduino.
Bước 7: Chuẩn bị phần đế
Tôi sử dụng một chậu đất nung nhỏ với đường kính 3 3/4 “, thường được sử dụng để trồng hoa hoặc xương rồng. Bạn cũng có thể sử dụng vật dụng khác.
Sử dụng một mũi khoan 8mm để tạo ra một lỗ gần đáy chậu, được sử dụng để giữ giắc DC.
Bước 8: In 3D khung lơ lững
In 3d
In khung lơ lững đựng nam châm bằng tập tin STL tại đây. Bạn có thể đặt in giá rẻ tại đây.
Cắt laser
Cắt hai miếng nhựa với tập tin mà tôi đã đính kèm dưới dạng AcrylicLaserCut.dwg. Đây là một tập tin autocad.
Miếng nhựa được sử dụng để hỗ trợ nam châm và nam châm điện, phần còn lại để che phủ bề mặt của chậu.
Bước 9: Chuẩn bị mô-đun cảm biến Từ SS495a
Cắt breadboard pcb thành hai mảnh, một mảnh để đính kèm cảm biến từ và mảnh còn lại để gắn mạch LM324.
Gắn cảm biến từ vuông góc với pcb. Lưu ý hai mặt cảm biến xoay với nhau, hàn cố định.
Sử dụng các dây để nối hai chân VCC của các cảm biến với nhau, làm tương tự với các chân GND. Các chân đầu ra là riêng biệt.
Bước 10: Mạch Opamp
Hàn khung IC và các điện trở để pcb theo sơ đồ, chú ý đặt hai chiết áp trong cùng một hướng để điều chỉnh dễ dàng.
Gắn LM324 vào khung IC, sau đó nối hai đầu ra của mô-đun cảm biến từ với mạch op-amp.
Hai dây đầu ra LM324 nối với Arduino. Đầu vào 12V nối với đầu vào 12V của mô-đun L298N, đầu ra 5V của mô-đun L298N được nối với 5V của chiết áp.
Bước 11: Lắp ráp nam châm điện
Lắp ráp các nam châm điện lên tấm nhựa, cố định chúng tại bốn lỗ gần trung tâm. Vặn các vít để tránh di chuyển.
Bởi vì nam châm điện đối xứng xuyên qua tâm, chúng luôn ở cực ngược nhau, sao cho các dây bên trong nam châm điện được nối với nhau, các dây ở bên ngoài của nam châm điện được nối với L298N.
Kéo dây xuống dưới tấm nhựa thông qua các lỗ gần đó để nối với L298N.
Lời khuyên: Dây đồng được phủ một lớp cách điện, vì vậy bạn phải tháo nó bằng dao trước khi bạn có thể hàn chúng lại với nhau, hãy sử dụng Ống co nhiệt sau khi hàn.
Bước 12: Gắn mô-đun cảm biến và nam châm
Sử dụng keo nóng để dán mô-đun cảm biến giữa nam châm điện, một ở phía trước và một ở mặt sau.
Bước tiếp theo là lắp ráp các nam châm trên tấm nhựa. Kết hợp hai nam châm D15 * 4mm và nam châm D15 * 3mm với nhau để tạo thành một hình trụ, nam châm và nam châm điện có cùng chiều cao.
Lắp ráp các nam châm giữa các cặp nam châm điện, lưu ý các cực của mặt trên nam châm phải giống nhau.
Bước 13: Đầu cắm nguồn DC và đầu ra 5V L298N
Hàn giắc nguồn DC với hai dây nối lại bằng ống co nhiệt. Giắc nguồn DC được nối với đầu vào của mô-đun L298N, đầu ra 5V của nó sẽ cấp nguồn cho Arduino.
Bước 14: L298N và Arduino
Nối mô-đun L298N với Arduino theo sơ đồ trên.
L298N ===> Arduino
Out 5V ===> VCC
GND ===> GND
EnA ===> 7
In1 ===> 6
In2 ===> 5
In3 ===> 4
In4 ===> 3
EnB ===> 2
Bước 15: Nối Arduino Pro Mini
Vì Arduino pro mini không có bất kỳ cổng nối tiếp nào, bạn cần nối một serial port bên ngoài.
FTDI Basic sẽ được sử dụng để lập trình (và cấp nguồn) cho Pro Mini.
Bước 16: Chuẩn bị khung lơ lững
Gắn hai nam châm D35 * 5 với nhau để tăng từ tính.
Bước 17: Giá trị điểm đặt chuẩn
Tải chương trình ReadSetpoint.ino về Arduino. Chương trình này sẽ đọc các giá trị của cảm biến từ và gửi nó đến máy tính thông qua cổng nối tiếp. Mở cổng COM để xem nó.
Cắm 12V DC vào giắc nguồn DC, bạn có thể sử dụng osilloscope để đọc giá trị cảm biến.
Quan sát các giá trị trên màn hình, điều chỉnh bằng cách điều chỉnh hai chiết áp. Giá trị tốt nhất là 560, lúc đó đầu ra của cảm biến là khoảng 2.5V.
Sau khi thiết lập điểm đặt, đặt nam châm lơ lững phía trên phần đế và lắc nó để xem thay đổi điểm đặt trên màn hình.
Mẹo: Đánh dấu cặp nam châm điện và chiết áp tương ứng trong trục X và Y để bạn có thể dễ dàng sửa chúng sau này.
Bước 18: Tải chương trình chính
Tải chương trình chính Levitation.ino.
Sử dụng keo để cố định nam châm và giá đỡ nam châm, được in 3D trước đó.
Mẹo: Sau khi tải chương trình chính, bạn có thể thực hiện các điều chỉnh nhỏ trên bộ chiết áp để làm cho khung lơ lững cố định ở giữa.
Bước 20: Đặt tất cả cùng nhau
Đầu tiên gắn giắc nguồn DC vào chậu, sau đó đặt các phần còn lại vào chậu.
Cuối cùng, đặt tấm nhựa còn lại lên miệng chậu.
Bước 20: Chuẩn bị khung lơ lững
Gắn chậu gỗ vào mảnh nam châm lơ lững.
Tôi đã sử dụng một cây xương rồng nhỏ để trồng vào chậu. Bạn có thể sử dụng cây xương rồng hoặc hoa hoặc cây cảnh nhỏ nhỏ và nhẹ khác.
Bước 21: Hoàn thành và thưởng thức
cho hỏi có bán bộ kít này không
Trường hợp mất điện đột ngột thì chậu cây lơ lững kia sẽ ra sao? vậy AD
Với bộ giống như thế này thì nó chịu tải trọng tối đa là bao nhiêu vậy ạ
cho tôi hỏi mỗi 1 cuộn dây kia quân bao nhiêu vòng dây đồng vậy ạ??
cái cuộn đồng dùng là nam châm điện mình mua ở đâu vậy ạ, hay phải tự làm ạ
bộ nam châm này có giá bao nhiêu ad
Mình muốn mua bộ kit này
Cần được tư vấn trựt tiếp
shop mình còn bộ KIT này ko
Vậy có thể cho em hỏi là mày nình có thể để miếng kim loại lơ lững được không ạ và để nó di truyền mà không bị thích đc không ạ