با فناوری شناوری مغناطیسی، درختچه بونسای شناور بسازید***

ترکیب هنر و فناوری همیشه نتایج جالبی دارد؛ مثلا پرتال زمان که امکان تجربه اسلوموشن در دنیای واقعی را فراهم می‌کند. در این ساختنی هم یک مثال دیگر از ترکیب هنر و فناوری را به شما آموزش می‌دهیم: بونسای شناور که یک فناوری ژاپنی بسیار محبوب است.

بونسای شناور در واقع از فناوری شناوری مغناطیسی برای معلق نگه داشتن گلدان استفاده می‌کند. دستگاه‎های شناوری مغناطیسی معمولا اجسام را از بالا و جایی که یک آهنربای الکتریکی با مدار کنترل می‌شود، معلق نگه می‌دارند. اما دستگاه شناوری مغناطیسی مورد نیاز برای بونسای شناور باید طوری طراحی بشود که گلدان از پایین معلق نگه داشته بشود.
برای ساخت بونسای شناور از برد آردوینو و البته فناوری پرینتر سه‌بعدی استفاده می‌کنیم. در ویدیوی زیر می‌تواند روش کلی ساخت دستگاه شناوری مغناطیسی برای درختچه بونسای را ببینید. دقت کنید که این ویدیو فقط شامل مراحل اصلی ساخت است و برای آموزش کامل باید ادامه ساختنی را بخوانید.

گام اول: بونسای شناور چطور کار می‌کند؟

یکی از روش‌های اصلی ساخت مدار بونسای شناور، ساخت مدار آنالوگ بدون میکروکنترلر است. این مدار طراحی پیچیده‎ای دارد به همین خاطر ساخت آن کمی دشوار است اما طرز کار مدار بسیار ساده است. کار اصلی مدار دستگاه بونسای شناور این است که یک قطعه آهنربا را بالای قطعه آهنربای دیگری شناور کند. اینکار را می‌توان با برد آردوینو هم انجام داد تا دیگر نیازی به پیچیدگی‌های مدار آنالوگ نداشته باشید.

دستگاه شناوری مغناطیسی از دو بخش ساخته می‌شود: قطعه پایه و قطعه شناور. در ادامه این دو قطعه را به صورت جداگانه معرفی می‌کنیم تا درک بهتری از ساختار و طرز کار دستگاه شناوری مغناطیسی داشته باشید.

قطعه پایه

این قطعه پایین دستگاه قرار دارد و از یک آهنربا – برای ایجاد میدان مغناطیسی گرد – و چند آهنربای الکتریکی – برای کنترل میدان مغناطیسی – تشکیل می‎شود.

چهار آهنربای استوانه‌ای به صورت مربعی کنار هم قرار می‌گیرند و با داشتن قطب مشترک، یک میدان مغناطیسی گرد به سمت بالا شکل می‌گیرد تا هر آهنربایی که قطب یکسان دارد را از خود براند.

در مجموع از چهار آهنربای الکتریکی استفاده می‎شود که آنها هم به صورت مربعی چیده می‌شوند. دو آهنربای متقارن یک جفت هستند و میدان مغناطیسی آنها همیشه مخالف است.
سنسور هال و مدار درایور هم آهنرباهای الکتریکی را کنترل می‌کنند و با هدایت جریان عبوری از آنها، قطب‌های مخالف در آهنرباهای الکتریکی ایجاد می‌کنند.

قطعه شناور

این بخش شامل یک آهنربای شناور بالای قطعه پایه است که می‌تواند وزن یک گلدان کوچک را تحمل کند.

بونسای شناور چطور کار می‌کند؟

آهنربای بالای دستگاه با میدان مغناطیسی آهنرباهای پایینی بلند می‌شود چون قطب‌های آنها یکسان است. البته علیرغم قطب‌های یکسان، تمایل به افتادن آهنربا و جذب شدن آنها وجود دارد. برای جلوگیری از برعکس شدن آهنربای بالایی و افتادن آن، آهنرباهای الکتریکی یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کنند تا با کشیدن یا هل دادن – و البته با کمک سنسور هال – آهنربای بالایی را تراز کنند.

آهنرباهای الکتریکی در دو محور X و Y کنترل می‌شوند که نتیجه آن تراز شدن و شناور ماندن آهنربای بالایی است. کنترل آهنرباهای الکتریکی کار ساده‌ای نیست و نیاز به آشنایی با کنترلر PID دارد. در گام بعدی بیشتر درباره این کنترلر و طرز کار آن صحبت خواهیم کرد.

گام دوم: کنترلر PID

PID چیست؟

کنترل‌کننده PID (تناسبی، انتگرال‌گیر، مشتق‌گیر) یک مکانیزم بازخوردی کنترل لوپ است که به صورت گسترده در سیستم‌های کنترل صنعتی و کنترل مدولاسیون مداوم استفاده می‌شود. کنترلر PID به صورت مداوم مقدار خطا را به عنوان مابه‌التفاوت مقدار مطلوب و متغیر فرایند اندازه‌گیری شده محاسبه می‌کند و اصلاح را براساس تناسب، انتگرال و مشتق اعمال می‌کند. نام کنترلر هم از حروف ابتدای این سه اصطلاح گرفته شده است.

اگر بخواهیم این تعریف را ساده کنیم: «کنترلر PID مقدار خطا را به عنوان اختلاف بین یک مقدار دلخواه (ست‌پوینت) و مقدار اندازه‌گیری شده (ورودی) محاسبه می‌کند. سپس با تنظیم خروجی سعی می‌کند خطا را به حداقل برساند.»

بنابراین شما به PID می‌گویید چه چیزی را اندازه بگیرد (ورودی)، مقدار مورد نظرتان برای این ورودی چقدر است (مقدار دلخواه یا ست‌پوینت) و متغیری که باید برای رسیدن به مقدار دلخواه مورد اصلاح قرار بگیرد کدام است (خروجی). به این ترتیب کنترلر PID می‌تواند با تغییر خروجی، مقدار ورودی را با مقدار دلخواه شما یکسان کند. مثلا در یک ماشین ورودی، ست‌پوینت و خروجی می‌توانند سرعت، سرعت دلخواه و زاویه پدال گاز باشند.

کنترلر PID در سیستم شناور مغناطیسی

ورودی: مقدار بلادرنگ جریان سنسور هال است که به صورت مداوم آپدیت می‌شود چون پوزیشن آهنربای شناور در زمان واقعی تغییر می‌کند.
ست‌پوینت: مقدار سنسور هال است که وقتی اندازه‌گیری می‌شود که آهنربای شناور در پوزیشن متعادل در مرکز پایه آهنربا باشد. این شاخص ثابت است و به مرور زمان تغییر نمی‌کند.
خروجی هم سرعت کنترل آهنرباهای الکتریکی است.

برای اضافه کردن کنترلر PID به آردوینو از کتابخانه PID استفاده کنید که کار را بسیار ساده می‌کند. برای ساخت این دستگاه از دو کنترلر PID – یکی برای محور X و یکی برای محور Y – استفاده می‌کنیم.

گام سوم: وسایل مورد نیاز

• تراشه LM324N
• چهار عدد کویل شناوری
• دو عدد سنسور هال SS495a
• آداپتور ۱۲V 2A DC
• هشت عدد آهنربای حلقه‌ای D15 چهار میلیمتری
• جک پاور DC
• چهار عدد آهنربای حلقه‌ای D15 سه میلیمتری
• برد آردوینو Pro Mini
• ماژول L298N
• سوکت ۱۴ پین
• دو عدد آهنربای D35 پنج میلیمتری
• دو عدد مقاومت ۵٫۶K
• دو عدد مقاومت ۱۰۰K
• دو عدد مقاومت ۴۷K
• دو عدد پتانسیومتر ۱۰K
• ورق آکریلیک سایز A5
• گلدان چوبی
• برد چاپی
• هشت عدد پیچ سه میلیمتری
• سیم
• گیاه کوچک مثل کاکتوس، بونسای مینیاتوری و …

ابزار مورد نیاز

گام پنجم: اپ‌آمپ LM324، درایور L298N و سنسور SS495a

اپ‌آمپ LM324

تقویت‌کننده عملیاتی یا اپ‌آمپ یکی از پرکاربردترین انواع مدارهای الکترونیکی است. در این پروژه از اپ‌آمپ برای تقویت سیگنال سنسور هال استفاده می‌شود. هدف از تقویت این سیگنال، افزایش حساسیت است تا آردوینو بتواند به راحتی تغییر میدان مغناطیسی را تشخیص بدهد. فقط تغییر چند میلی ولتی در خروجی سنسور هال – بعد از عبور از آمپلی‌فایر – منجر به تغییر چند صد واحدی در آردوینو می‌شود. صاف و هموار نگه داشتن کنترلر PID برای کارایی صحیح دستگاه بسیار مهم است.

ما از تراشه اپ‌آمپ LM324 برای ساخت بونسای شناور استفاده می‌کنیم. این قطعه ارزان، چهار آمپلی‌فایر داخلی دارد اما شما فقط به دو آمپلی‌فایر – یکی برای محور X و یکی برای محور Y – نیاز دارید. با این حال پیشنهاد ما همچنان استفاده از همین تراشه است. نحوه سیم‌کشی تراشه را هم در مراحل بعدی توضیح‌ می‌دهیم.

ماژول L298N

ماژول L298N پل H دوگانه معمولا برای کنترل سرعت و جهت موتورها استفاده می‌شود. از این ماژول می‌توانید برای موتورهایی با ولتاژ بین ۵ و ۳۵ ولتی استفاده کنید.

این ماژول یک رگولاتور ۵ ولتی آن‌برد هم دارد که امکان استفاده از ولتاژ ورودی تا ۱۲ ولت را به شما می‌دهد. در این پروژه از تراشه L298N برای کنترل دو جفت کویل الکترومغناطیسی استفاده می‌کنیم و خروجی ۵ ولتی هم آردوینو و سنسور هال را تقویت می‌کند.

پین‌اوت ماژول L298N به شرح زیر است:

• Out 2: جفت آهنربای الکتریکی X
• Out 3: جفت آهنربای الکتریکی Y
• ورودی منبع تغذیه: ورودی ۱۲V DC
• GND: اتصال به زمین
• ۵V: خروجی ۵ ولتی به آردوینو و سنسور هال
• EnA: فعال‌سازی سیگنال PWM برای Out 2
• In1: فعال‌سازی برای Out 2
• In2: فعال‌سازی برای Out 2
• In3: فعال‌سازی برای Out 3
• In4: فعال‌سازی برای Out 3
• EnB: فعال‌سازی سیگنال PWM برای Out 3

برای سیم‌کشی این ماژول به آردوینو باید دو جامپر از پین‌های EnA و EnB جدا کنیم و سپس شش پین In1، In2، In3، In4، EnA و EnB را به آردوینو وصل کنید. جزییات بیشتر را در گام‌های بعدی بخوانید.

سنسور هال SS495a

SS495a یک سنسور هال خطی با خروجی آنالوگ است. هنگام کار با این سنسور باید به تفاوت بین خروجی آنالوگ و خروجی دیجیتال توجه کنید. در این پروژه نمی‌توانید از سنسور با خروجی دیجیتال استفاده کنید چون فقط دو حالت صفر و یک دارد و اجازه اندازه‌گیری خروجی میدان مغناطیسی را نمی‌دهد.

سنسور آنالوگ محدوده ولتاژ ۲۵۰mV به Vcc را ایجاد می‌کند که می‌توانید آن را با ورودی آنالوگ آردوینو بخوانید.

برای اندازه‌گیری میدان مغناطیسی در دو محور X و Y به دو سنسور هال نیاز داریم.

گام ششم: آهنرباهای نئودیمیمی Ndfeb

اگر بخواهیم آهنربای نئودیمیمی را توصیف کنیم، یک کلمه کافی است: قوی! برای ساخت دستگاه شناور مغناطیسی نمی‌توانید از انواع دیگر آهنربا – مثلا آهنربای فریت – استفاده کنید چون قدرت کافی ندارند. از آهنرباهای کوچک برای ساخت قطعه پایه و از آهنرباهای بزرگ برای ساخت قطعه شناور استفاده می‌کنیم.

هنگام استفاده از آهنرباهای نئودیمیمی باید دقت کافی داشته باشید جون می‌توان به هارد درایو و سایر قطعات الکترونیکی مجاورش آسیب برساند. برای جدا کردن دو آهنربای نئودیمیمی از یکدیگر باید آنها را به صورت افقی روی هم بکشید. کشیدن دو آهنربا در جهات مخالف فایده‌ای ندارد چون میدان مغناطیسی خیلی قوی است. در ضمن آهنرباهای نئودیمیمی بسیار شکننده و آسیب‌پذیر هستند.

گام هفتم: کاور قطعه پایه را آماده کنید

برای پوشاندن قطعه پایه از یک گلدان با قطر ۳/۴ ۳ اینچ استفاده می‌کنیم. این گلدان می‌تواند پلاستیکی، سرامیکی یا چوبی باشد. البته مهم‌ترین چیز این است که قطعه پایه داخل گلدان قرار بگیرد.

با مته ۸ میلیمتری یک سوراخ در قسمت پایین گلدان و نزدیک به کف دریل کنید. این سوراخ محل اتصال جک DC است.
توصیه می‌کنیم برای دریل کردن گلدان از مته چوبی استفاده کنید چون مته فلزی می‌تواند گلدان را بسوزاند. البته می‌توانید همان مته فلزی را با آب خنک نگه دارید.

گام هشتم: هولدر آهنربای شناور و ورق آکریلیک را آماده کنید

هولدر آهنربای شناور با پرینتر سه‌بعدی و فایل STL لینک زیر ساخته می‌شود (رمز فایل saakhtani.ir است). این قطعه در طول ۲۰ دقیقه (با پری ۳۰ درصد) پرینت می‌شود.

دو صفحه آکریلیک را هم با فایل AcrylicLaserCut ببرید. یکی از قطعات آکریلیک به عنوان پایه آهنربا و آهنرباهای الکتریکی استفاده می‌شودو قطعه دیگر سطح گلدان را می‌پوشاند.

گام نهم: ماژول سنسور SS495a را آماده کنید

دو تکه برد کوچک ببرید؛ یکی برای اتصال سنسور هال و دیگری برای ساخت مدار LM324.

دو سنسور آهنربایی را به صورت عمود به برد وصل کنید. دقت کنید که دو طرف حکاکی شده سنسورها به سمت یکدیگر چرخیده باشند. با سیم‌های نازک دو پین VCC سنسورها را بهم وصل کنید و همین کار را برای پین‌های GND تکرار کنید. پین‌های خروجی هم باید از هم جدا باشند.

گام دوازدهم: مدار اپ‌آمپ را بسازید

سوکت و مقاومت‌ها را طبق شماتیک روی برد لحیم کنید و حواستان باشد دو پتانسیومتر را در جهت یکسان نصب کنید تا کالیبراسیون ساده‌تر بشود.

تراشه LM324 را به سوکت وصل کنید و سپس دو خروجی ماژول سنسور هال را به مدار اپ‌آمپ وصل کنید.

دو سیم خروجی LM324 به آردوینو وصل می‌شوند. ورودی ۱۲V باید با ورودی ۱۲V ماژول L298N مشترک بشود و خروجی ۵V ماژول L298N به ۵V پتانسیومترها وصل بشود.

گام یازدهم: آهنرباهای الکتریکی را مونتاژ کنید

آهنرباهای الکتریکی را روی ورق آکریلیک مونتاژ کنید. این آهنرباها روی چهار سوراخ نزدیک مرکز نصب می‌شوند. پیچ‌ها را محکم کنید تا آهنرباها حرکت نکنند.

چون آهنرباهای الکتریکی روی مرکز متقارن هستند، قطب‌های آنها همیشه مخالف هستند. بنابراین سیم‌های داخل آهنرباهای الکتریکی به یکدیگر و سیم‌های خارج آهنربا به درایور L298N وصل می‌شوند. برای اینکار سیم‌ها را از سوراخ‌های نزدیک زیر ورق آکریلیک بکشید و آنها را به L298N وصل کنید.

سیم‌های مسی آهنرباها یک لایه روکش دارند که باید قبل از لحیم‌کاری آنها را جدا کنید. بعد از لحیم‌کاری هم اتصالات را با هیت شرینک بپوشانید.

گام دوازدهم: ماژول سنسور و آهنرباها را وصل کنید

ماژول سنسور را با چسب حرارتی بین آهنرباهای الکتریکی ثابت کنید. دقت کنید هر سنسور باید با دو آهنربا زاویه ۹۰ درجه داشته باشد؛ یکی در جلو و یکی در پشت.

سعی کنید سنسورها را تا حد امکان وسط قرار بدهید تا با هم همپوشانی نداشته باشند. فقط در این صورت است که می‌توانید حداکثر کارایی را از سنسورها بگیرید.

مرحله بعدی مونتاژ آهنرباها روی پایه آکریلیک است. دو آهنربای D15 چهار میلیمتری و یک آهنربای D15 سه میلیمتری را با هم ترکیب کنید تا یک سیلندر شکل بگیرد. با اینکار آهنرباها و آهنرباهای الکتریکی ارتفاع یکسان خواهند داشت.

آهنرباها را بین جفت آهنرباهای الکتریکی مونتاژ کنید. دقت کنید قطب‌های آهنرباهای رو به بالا باید یکسان باشند.

گام سیزدهم: جک پاور DC و خروجی پنج ولتی L298N را اضافه کنید

دو سیم به جک پاور DC لحیم کنید و محل اتصال را با هیت شرینک بپوشانید. جک پاور DC را به ورودی ماژول L298N وصل کنید. این خروجی پنج ولتی است که آردوینو را تغذیه می‌کند.

گام چهاردهم: ماژول L298N را به آردوینو وصل کنید

برای اتصال این ماژول به آردوینو طبق شماتیک بالا و راهنمای زیر عمل کنید:

• پین Out 5V ماژول L298N به پین VCC آردوینو
• پین GND ماژول L298N به پین GND آردوینو
• پین EnA ماژول L298N به پین۷ آردوینو
• پین In1 ماژول L298N به پین ۶ آردوینو
• پین In2 ماژول L298N به پین ۵ آردوینو
• پین In3 ماژول L298N به پین ۴ آردوینو
• پین In4 ماژول L298N به پین ۳ آردوینو
• پین EnB ماژول L298N به پین ۲ آردوینو

گام پانزدهم: آردوینو را برنامه‌ریزی کنید

برد آردوینوی Pro Mini پورت USB ندارد و برای کار با آن نیاز به یک پروگرامر اکسترنال دارید. پیشنهاد ما پروگرامر FTDI است که به صورت همزمان امکان برنامه‌ریزی و تغذیه آردوینو را به شما می‌دهد.

گام شانزدهم: قطعه شناور را آماده کنید

دو آهنربای D35 پنج میلیمتری را بهم وصل کنید تا قدرت مغناطیسی بیشتر بشود.

گام هفدهم: مقدار ست‌پوینت را کالیبره کنید

برنامه ReadSetpoint را از لینک زیر دانلود کنید (رمز فایل saakhtani.ir است) و آن را روی آردوینو آپلود کنید. این برنامه مقدار سنسور هال را می‌خواند و از طریق پورت سریال آن را برای کامپیوتر ارسال می‌کند. برای دیدن آن هم کافی است پورت COM را باز کنید.

منبع تغذیه ۱۲V DC را به جک پاور وصل کنید. همچنین می‌توانید از اسیلوسکوپ هم برای خواندن مقدار سنسور هال استفاده کنید.

مقادیر روی نمایشگر را مشاهده کنید و با استفاده از دو پتانسیومتر آنها را تنظیم کنید. بهترین مقدار ۵۶۰ است که خروجی سنسور را روی ۲٫۵V قرار می‌دهد.

بعد از تظیم ست‌پوینت، آهنربای شناور را بالای قطعه پایه قرار بدهید و آن را تکان بدهید تا تغییرات روی ست‌پوینت را در نمایشگر ببینید.

جای جفت آهنرباهای الکتریکی و پتانسیومترها را به ترتیب روی محورهای X و Y علامت‌گذاری کنید تا بتوانید بعدا به راحتی آنها را اصلاح کنید.

گام هجدهم: برنامه اصلی را آپلود کنید

بعد از تنظیم ست‌پوینت می‌توانید از نتیجه کار لذت ببرید. برنامه Levitation را از لینک زیر دانلود کنید و آن را روی آردوینو آپلود کنید. بعد از آپلود برنامه هم می‌توانید با اعمال چند تغییر کوچک روی پتانسیومترها، قطعه شناور را وسط دستگاه متمرکز کنید.

سپس با چسب قطره‌ای آهنربا و هولدر آهنربا را ثابت کنید.

گام نوزدهم: دستگاه را مونتاژ کنید

ابتدا جک پاور DC را روی گلدان نصب کنید و سپس قطعات باقیمانده را در گلدان قرار بدهید. در نهایت هم با استفاده از ورق آکریلیک باقیمانده، سطح گلدان بونسای شناور را بسازید.

گام بیستم: گیاه را آماده کنید

گلدان چوبی را به قطعه شناور وصل کنید و سپس گیاه مورد نظرتان را در آن بکارید. می‌توانید داخل گلدان کاکتوس، گیاهان آبدار، بونسای مینیاتوری یا هر گیاه سبک و متقارن دیگری بکارید.

بونسای شناور آماده است

بونسای شناور آماده است

به همین سادگی یک دستگاه جالب و منحصربه‌فرد ساختید. بونسای شناور کارایی خاصی ندارد اما می‌توانید ساخت آن دانش شما در زمینه الکترونیک را گسترش می‌دهد. البته نباید از جذابیت‌های ظاهری بونسای شناور هم به راحتی گذشت.

منبع