Магнитная левитация с помощью Arduino: схема и программа

Левитация долгое время считалась чем то сверхъестественным, магическим. Люди долгое время преклонялись перед ней, не знали как ее объяснить. Но постепенно наука сумела объяснить принцип этого явления и с тех пор она стала достаточно привычным явлением, но, тем не менее, она продолжает удивлять людей. В данной статье мы рассмотрим проект простейшего магнитного левитатора на основе платы Arduino.

Необходимые компоненты

Плата Arduino Nano (купить на AliExpress). Можно использовать любую плату Arduino, но шилд в данном проекте приведен для платы Arduino Nano.
Электромагнит диаметром 25 мм, работающий от 12 В.
Linear Hall Effect Sensor 49E (датчик Холла 49E) (купить на AliExpress). Не используйте переключатель Холла (hall effect switch).
Darlington High Power Transistor TIP 120 (транзисторная пара Дарлингтона) (купить на AliExpress).
Резистор 1 кОм (купить на AliExpress).
Высокоскоростной диод 1N4007 (купить на AliExpress).
Источник питания 12 В 1 А.
SparkFun Pushbutton switch 12mm (кнопочный переключатель).
Макетная плата.
Соединительные провода.

Основные принципы работы проекта

В данном проекте мы рассмотрим создание магнитного левитатора на основе платы Arduino. Основу (корпус) данного левитатора, можно напечатать на 3D принтере, необходимые файлы для этого можно скачать по следующей ссылке — https://www.thingiverse.com/thing:1392023.

Особенности проекта:

легко напечатать на 3D принтере и собрать (только клей, никаких болтов);
необходимо просто загрузить скетч проекта (Levitator.ino) в плату Arduino;
нет необходимости постоянного подключения к компьютеру, необходим просто источник питания с напряжением 12V;
для настройки постоянной позиции магнита используются переключатели;
можно использовать окно монитора последовательной связи (arduino serial monitor) для контроля корректной работы проекта;
можно изменять код программы по своему желанию.

Вы можете использовать protoboard (печатная плата для и прототипирования) или сделать свою собственную плату. Скачать необходимые для этого файлы можно по следующей ссылке — http://www.thingiverse.com/thing:1392530.

Также купить плату для данного проекта можно в этом месте — https://oshpark.com/shared_projects/kxH3Ak1b (ну для жителей России и СНГ, конечно, не очень демократичная цена за такую маленькую плату :D).

Особое внимание при реализации проекта уделите следующим вещам:

размещайте датчик Холла внизу наконечника, более подробно его размещение вы можете посмотреть на изображениях проекта (top_sensor.stl);
для корректной работы датчик Холла должен быть на расстоянии, по меньшей мере, 5 мм от электромагнита;
вы можете использовать другой датчик Холла (но не используйте hall sensor switch (датчик Холла в виде переключателя));
используйте неодимовые постоянные магниты (может не работать с обычными магнитами);
тяжелые объекты более устойчивы;
модель левитатора для печати на 3D принтере — https://www.thingiverse.com/make:201394;
шилд для Arduino Nano — https://www.thingiverse.com/make:201420.

Схема проекта

Схема магнитного левитатора на основе платы Arduino представлена на следующем рисунке.

Исходный код программы (скетча)

Код программы простой (без PID контроллера)

//=========================================================|
//     Ekobots Innovation Ltda - www.ekobots.com.br        |
//        Juan Sirgado y Antico - www.jsya.com.br          |
//---------------------------------------------------------|
//        Program Magnetic Levitator - 2016/02/06          |
//               All rights reserved 2016                  |
//=========================================================|
int anaPin = 1;   // Arduino Analogic Pin 1;
int digPin = 5;   // Arduino Digital  Pin 5;
int subPin = 7;   // Arduino Digital  Pin 7;
int addPin = 8;   // Arduino Digital  Pin 8;
//
int     anaVal = 0;   // Analogic Read(Hall Sensor) Value;
boolean digVal = 0;   // Digital Write(Electromagnet) Value;
//
int levVal = 228;   // Levitation Point Value; (значение точки левитации) 
int dlyVal = 250;   // Delay Value Micro Seconds (задержка в микросекундах);
//---------------------------------------------------------|
void setup()
{
   // Levitator initialization Begin; 
   Serial.begin(57600);
   Serial.println("Levitator by JSyA");
   Serial.println("Starting...");
   // задание режимов работы цифровых контактов
   pinMode(digPin, OUTPUT);
   pinMode(subPin, INPUT_PULLUP);
   pinMode(addPin, INPUT_PULLUP);
   // Levitator initialization End; 
   Serial.println("Started.");
}
//---------------------------------------------------------|
void loop() 
{
   //датчик Холла считывает напряженность магнитного поля
   anaVal = analogRead(anaPin);
   // увеличиваем значение точки левитации
   if (digitalRead(addPin) == LOW) 
   {
      levVal++;
      value_log();
      delay(250);
   }
   // уменьшаем значение точки левитации
   if (digitalRead(subPin) == LOW) 
   {
      levVal--;
      value_log();
      delay(250);
   }
   // проверяем точку левитации
   if (anaVal < levVal) 
   {
      digVal = LOW;
   }
   else // if (anaVal > levVal) 
   {
      digVal = HIGH;
   }
   //
   // включаем/выключаем электромагнит
   // на основе значения датчика и точки левитации
   digitalWrite(digPin, digVal);
   delayMicroseconds(dlyVal);
}
//---------------------------------------------------------|
void value_log()
// Analogic/Digital/Levitation Values Print;
{
   // показываем значение датчика Холла
   Serial.print("anaVal=[");
   Serial.print(anaVal); 
   Serial.print("]-");
   // показываем состояние электромагнита On=1/Off=0;
   Serial.print("digVal=[");
   Serial.print(digVal);
   Serial.print("]-");
   // показываем значение точки левитации
   Serial.print("levVal=[");
   Serial.print(levVal);
   Serial.println("];");
}
//=========================================================|

//=========================================================|

// Ekobots Innovation Ltda - www.ekobots.com.br |

// Juan Sirgado y Antico - www.jsya.com.br |

//---------------------------------------------------------|

// Program Magnetic Levitator - 2016/02/06 |

//=========================================================|

int anaPin = 1; // Arduino Analogic Pin 1;

int digPin = 5; // Arduino Digital Pin 5;

int subPin = 7; // Arduino Digital Pin 7;

int addPin = 8; // Arduino Digital Pin 8;

int anaVal = 0; // Analogic Read(Hall Sensor) Value;

boolean digVal = 0; // Digital Write(Electromagnet) Value;

int levVal = 228; // Levitation Point Value; (значение точки левитации)

int dlyVal = 250; // Delay Value Micro Seconds (задержка в микросекундах);

//---------------------------------------------------------|

void setup()

{

// Levitator initialization Begin;

Serial.begin(57600);

Serial.println("Levitator by JSyA");

Serial.println("Starting...");

// задание режимов работы цифровых контактов

pinMode(digPin, OUTPUT);

pinMode(subPin, INPUT_PULLUP);

pinMode(addPin, INPUT_PULLUP);

// Levitator initialization End;

Serial.println("Started.");

}

//---------------------------------------------------------|

void loop()

{

//датчик Холла считывает напряженность магнитного поля

anaVal = analogRead(anaPin);

// увеличиваем значение точки левитации

if (digitalRead(addPin) == LOW)

{

levVal++;

value_log();

delay(250);

}

// уменьшаем значение точки левитации

if (digitalRead(subPin) == LOW)

{

levVal--;

value_log();

delay(250);

}

// проверяем точку левитации

if (anaVal < levVal)

{

digVal = LOW;

}

else // if (anaVal > levVal)

{

digVal = HIGH;

}

// включаем/выключаем электромагнит

// на основе значения датчика и точки левитации

digitalWrite(digPin, digVal);

delayMicroseconds(dlyVal);

}

//---------------------------------------------------------|

void value_log()

// Analogic/Digital/Levitation Values Print;

{

// показываем значение датчика Холла

Serial.print("anaVal=[");

Serial.print(anaVal);

Serial.print("]-");

// показываем состояние электромагнита On=1/Off=0;

Serial.print("digVal=[");

Serial.print(digVal);

Serial.print("]-");

// показываем значение точки левитации

Serial.print("levVal=[");

Serial.print(levVal);

Serial.println("];");

}

//=========================================================|

Код программы с PID контроллером

//=========================================================|
//     Ekobots Innovation Ltda - www.ekobots.com.br        |
//        Juan Sirgado y Antico - www.jsya.com.br          |
//---------------------------------------------------------|
//      Program Magnetic Levitator PID - 2016/10/06        |
//               All rights reserved 2016                  |
//=========================================================|
int anaPin = 1;   // Arduino Analogic Pin 1
int digPin = 5;   // Arduino Digital  Pin 5
int subPin = 7;   // Arduino Digital  Pin 7
int addPin = 8;   // Arduino Digital  Pin 8
//
int anaVal = 0;   // Analogic Valie
int digVal = 0;   // Digital Value
//
int levVal = 262; // значение левитации
int dlyVal = 10;  // значение задержки
//
float timVal = 0; // значение времени
//---------------------------------------------------------|
// значения PID
float setpoint = 0;
float measured_value = 0;
float output = 0;
float integral = 0;
float derivative = 0;
float error = 0;
float previous_error = 0;
float dt = 0.1;
float Kp = 1.0;
float Ki = 0.1;
float Kd = 0.01;
//---------------------------------------------------------|
void setup()
{
   // инициализация левитатора; 
   Serial.begin(57600);
   Serial.println("Levitator by JSyA");
   Serial.println("Starting...");
   // задание режима работы цифровых контактов
   pinMode(digPin, OUTPUT);
   pinMode(addPin, INPUT_PULLUP);
   pinMode(subPin, INPUT_PULLUP);
   //
   timVal = millis();
   setpoint = levVal;
   // Levitator initialization End; 
   Serial.println("Started.");
}
//---------------------------------------------------------|
void loop() // PID
{
   // считывание с датчика Холла напряженности магнитного поля
   anaVal = analogRead(anaPin);
   // вычисления по PID алгоритму
   measured_value = anaVal;
   error = setpoint - measured_value;
   integral = integral + error * dt;
   derivative = (error - previous_error) / dt;
   output = (-Kp * error) + (-Ki * integral) + (-Kd * derivative);
   previous_error = error;
   // Final value setup
   digVal += output;
   // проверяем значение точки левитации
   if (digVal < 0) digVal=0;
   if (digVal > 255) digVal=255;
   // увеличиваем/уменьшаем значение для электромагнита
   // на основе значения датчика и точки левитации
   analogWrite(digPin, digVal);
   // показываем значения лога для целей отладки
//   if((millis()-timVal) > 500)
//   {
//      value_log();
//      timVal = millis();
//   }
   // увеличиваем значение точки левитации
   if (digitalRead(addPin) == LOW) 
   {
      setpoint++;
      value_log();
      delay(250);
   }
   if (digitalRead(subPin) == LOW) 
   {
      setpoint--;
      value_log();
      delay(250);
   }
   // время между изменениями состояния электромагнита
   delayMicroseconds(dlyVal);
}
//---------------------------------------------------------|
void value_log()
// Analogic/Digital/Levitation Values Print;
{
   // показываем значение датчика Холла
   Serial.print("anaVal=[");
   Serial.print(anaVal); 
   Serial.print("]-");
   // показываем состояние электромагнита On=1/Off=0;
   Serial.print("digVal=[");
   Serial.print(digVal);
   Serial.print("]-");
   // показываем значение точки левитации
   Serial.print("setpoint=[");
   Serial.print(setpoint);
   Serial.println("];");
}
//=========================================================|

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

//=========================================================|

// Ekobots Innovation Ltda - www.ekobots.com.br |

// Juan Sirgado y Antico - www.jsya.com.br |

//---------------------------------------------------------|

// Program Magnetic Levitator PID - 2016/10/06 |

//=========================================================|

int anaPin = 1; // Arduino Analogic Pin 1

int digPin = 5; // Arduino Digital Pin 5

int subPin = 7; // Arduino Digital Pin 7

int addPin = 8; // Arduino Digital Pin 8

int anaVal = 0; // Analogic Valie

int digVal = 0; // Digital Value

int levVal = 262; // значение левитации

int dlyVal = 10; // значение задержки

float timVal = 0; // значение времени

//---------------------------------------------------------|

// значения PID

float setpoint = 0;

float measured_value = 0;

float output = 0;

float integral = 0;

float derivative = 0;

float error = 0;

float previous_error = 0;

float dt = 0.1;

float Kp = 1.0;

float Ki = 0.1;

float Kd = 0.01;

//---------------------------------------------------------|

void setup()

{

// инициализация левитатора;

Serial.begin(57600);

Serial.println("Levitator by JSyA");

Serial.println("Starting...");

// задание режима работы цифровых контактов

pinMode(digPin, OUTPUT);

pinMode(addPin, INPUT_PULLUP);

pinMode(subPin, INPUT_PULLUP);

timVal = millis();

setpoint = levVal;

// Levitator initialization End;

Serial.println("Started.");

}

//---------------------------------------------------------|

void loop() // PID

{

// считывание с датчика Холла напряженности магнитного поля

anaVal = analogRead(anaPin);

// вычисления по PID алгоритму

measured_value = anaVal;

error = setpoint - measured_value;

integral = integral + error * dt;

derivative = (error - previous_error) / dt;

output = (-Kp * error) + (-Ki * integral) + (-Kd * derivative);

previous_error = error;

// Final value setup

digVal += output;

// проверяем значение точки левитации

if (digVal < 0) digVal=0;

if (digVal > 255) digVal=255;

// увеличиваем/уменьшаем значение для электромагнита

// на основе значения датчика и точки левитации

analogWrite(digPin, digVal);

// показываем значения лога для целей отладки

// if((millis()-timVal) > 500)

// {

// value_log();

// timVal = millis();

// }

// увеличиваем значение точки левитации

if (digitalRead(addPin) == LOW)

{

setpoint++;

value_log();

delay(250);

}

if (digitalRead(subPin) == LOW)

{

setpoint--;

value_log();

delay(250);

}

// время между изменениями состояния электромагнита

delayMicroseconds(dlyVal);

}

//---------------------------------------------------------|

void value_log()

// Analogic/Digital/Levitation Values Print;

{

// показываем значение датчика Холла

Serial.print("anaVal=[");

Serial.print(anaVal);

Serial.print("]-");

// показываем состояние электромагнита On=1/Off=0;

Необходимые компоненты

Основные принципы работы проекта

Схема проекта

Исходный код программы (скетча)

Код программы простой (без PID контроллера)

Код программы с PID контроллером

Видео, демонстрирующее работу левитатора

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ

Добавить комментарий