描述

YAAAP

（另一個 Arduino 藝術項目）

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

每個擺的底部都附有一個永久磁鐵。電磁鐵線圈安裝在懸掛磁鐵下方。當線圈通電時，擺被排斥。當磁鐵接近線圈并經過線圈時，線圈中會感應出一個信號。該信號由微控制器分析，當磁鐵通過線圈時，線圈會短暫通電，提供一腳來維持擺動。

藝術

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“花園藝術鐘擺”，你會看到幾個來源。它重約 30 磅，我認為它是墨西哥制造的。我在底座單元的頂部導軌上添加了 10 個螺釘，以防止擺軸四處游蕩（見圖）。

磁鐵

每個磁鐵長 20 毫米 x 直徑 10 毫米，安裝在粘在每個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”。速賣通的價格也好不到哪兒去。

電源

我從我的垃圾箱中選擇了標有“11.5V 1.95A”的 Atari 電源。空載輸出電壓為 14.5 伏。我曾期待更好的監管。只有在完成項目后，我才能確定實際的電源需求。每個鐘擺在運行時平均每 2 秒需要大約 1 安培的電流持續 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，這在啟動期間可能長達 200 毫秒。在開發過程中，我試驗了電源電壓，發現擺錘可以用 5 伏電源供電，但我沒有測試低電壓下的啟動。電壓上限受額定電壓為 15 伏的 AMS1117 的限制。

電磁鐵

線圈纏繞在一個長 3 英寸、直徑 0.5 英寸的軟鐵芯上，這是一個機器人項目遺留下來的鐵軸。我在芯的一端鉆了一個孔并攻了一個 6-32 螺釘。我對線圈的設計標準只是基于 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 32 號線的線軸，所以我計算出大約 600 圈就可以了。我在擺錘下方安裝了一個木架，線圈安裝在木制橫梁上（見圖）。如果您對設計權衡感興趣，這里有一個電磁力計算器：https ://www.daycounter.com/Calculators/Magnets/Solenoid-Force-Calculator.phtml

電路設計

該電路分為3個主要部分；電源、線圈控制和模擬信號處理。電源由一個為線圈提供電流的二極管隔離電容器組成。一個單獨的電源由 3 個串聯的 1N4001 二極管（~2 伏壓降）組成，進入 AMS1117 5.0 伏穩壓器，然后進入為模擬信號放大器供電的 MIC3565 3.3 伏穩壓器。

每個線圈都由一個 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 MOSFET 關閉時，感興趣的信號在 MOSFET 的漏極處生成，因此漏極電壓為 12 伏。一個 47 uF 電容器將電路的數字部分連接到模擬放大器，并將信號轉移到地電平。

當磁鐵通過線圈時，模擬信號略高于 0.5 伏。然而，在某些瞬態條件下，該信號可能高達 12V（在調試那個過程中烤了幾個藥丸、運放和 MOSFET！），因此有必要用 1N4148 小信號二極管將信號鉗位到地限制信號至 0.7 伏。額外的 1N5819 肖特基二極管鉗位負向信號。除了二極管鉗位之外，Blue Pill 還控制另一個 MOSFET，該 MOSFET 在控制線圈通電后以及在其他兩個線圈關閉的短暫時間內將信號鉗位到地。信號經過濾波，使用 MCP6001 軌到軌運算放大器放大 10 倍，然后發送到 Blue Pill 的模數轉換器。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換到地之后的信號和放大后的信號。第二幅示波器圖片顯示了信號（藍色）和消隱信號（黃色）。請注意，消隱信號將信號鉗位到地。第三個示波器捕獲顯示不同線圈的活動被關閉，這通常會在此信號上產生較大的瞬變，但該事件被短暫的鉗位信號（黃色）消隱。

工作計劃和預算

我使用 DipTrace 進行原理圖捕獲和 PWB 布局。這是一個免費的非商業用途的布局包。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 供應商。模擬和數字電路彼此分開，數字和模擬地也是如此。跨接導線將 AGND 連接到 DGND。這種“單點接地”概念降低了模擬部分中的數字噪聲。

微控制器

該項目基于基于 STM32F103 的“Blue Pill”。我選擇 Blue Pill 是因為，就像我的一些最好的朋友一樣，它們既便宜又快捷。從 Ali Express 以不到 1 美元（包括運費）購買 Blue Pill 的日子已經一去不復返了，但它們仍然是 Arduino 戰場上成本最低的控制器。開發環境不像 Atmel 產品那樣精致，用戶群也不像 Atmel 產品那樣廣泛。然而，在克服了“陷阱”之后，它確實表現可靠。我最初使用 Arduino Uno 制作項目原型，只要鐘擺擺動就可以正常工作，但 Uno 在啟動時出現問題 - 無法足夠快地處理信號。Blue Pill 的運行頻率為 72 MHz，12 位模數轉換器的轉換時間僅為 1 微秒多一點。

此外，定時器架構非常適合該項目的需要。STM32F103 有六個 16 位定時器和六個 16 位預分頻器。每個定時器有 4 個“通道”，可以單獨設置以產生中斷。所以我可以為每個鐘擺指定一個計時器。當關閉線圈功率 MOSFET 時，定時器的通道 1 將產生中斷。當需要關閉信號消隱 MOSFET 時，通道 2 將產生一個中斷。通道 3 將檢測鐘擺是否停止擺動。第四個定時器生成一個 1 毫秒時基來控制額外的瞬態消隱。

集成開發環境

我使用 Dan Drown 板定義庫。?在“工具”選項卡中設置以下變量；

“通用 STM32F103C 系列”，上傳方法=串行，優化=最小（使用 30% 閃存）。我嘗試了使用 41% 閃存的“最快”，但無法檢測到足夠的加速以證明偏離默認設置是合理的。

將串行轉 USB 轉換器連接到 TX、RX 和接地端子。注意——將電路板上的+5V 連接到+5 伏USB 串行轉換器會將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，按下復位按鈕，您就可以下載代碼了。調用 IDE 監視器，Serial.print() 語句出現在監視器中。完成后，將 BOOT0 跳線置于“0”位置，系統將在通電后開始運行閃存中的代碼。

軟件

該軟件分為幾個主要組件；狀態機、信號處理、線圈控制、消隱（鉗位）控制、定時器和定時器中斷服務程序。

狀態機控制處于三種狀態之一的每個擺錘的動作；啟動、提升和穩定。啟動時，擺底部的磁鐵已被線圈的軟鐵芯吸住。在這種“捕獲”狀態下，鐘擺的振動頻率比正常情況高得多，通常比正常“擺動”頻率快十倍。啟動時，定時器通道 3 中斷服務例程會生成一個線圈控制信號，該信號接近捕獲的擺錘的基頻加上隨機“抖動”，在某個時刻，它將使擺錘脫離磁鐵。當擺從下面的磁鐵中解放出來時，會產生一個大信號，表明擺已經逃脫了捕獲。當檢測到該信號時，狀態變為 BOOST 狀態，線圈通電，當磁鐵從檢測線圈后退時產生恒定的脈沖。最后，在提升固定數量的反沖后，鐘擺呈現穩定狀態，其中線圈功率是所需周期誤差的函數減去實際周期，使用僅基于“P”項的 PID 閉環控制算法.

在 STABLE 狀態下，監測信號，當檢測到急劇上升后急劇下降時，線圈會通電一定時間，該時間經過計算可使擺錘保持在規定的周期內擺動（閉環控制）。每次檢測到信號，線圈控制例程都會重新編程擺錘對應的定時器，產生3次中斷；定時器通道 1 將關閉線圈控制 MOSFET，并在線圈關閉瞬態期間短暫消隱其他 2 個信號，定時器通道 2 將在預期下一次磁體相遇之前關閉信號消隱，定時器通道 3 將檢測到鐘擺已經停止擺動。

提供了一個簡單的基于終端的信息屏幕。用戶可以控制報告哪個鐘擺并為該鐘擺設置所需的周期（它控制鐘擺的位移）。報告會在啟動期間根據正在啟動的擺錘自動從一個擺錘切換到另一個擺錘。另請注意，僅當檢測到報告信號的特定擺錘時，LED 才會閃爍。

信號（藍色）和放大信號（黃色）

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放大信號和消隱控制

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放大的信號和來自另一個線圈的額外空白脈沖的消隱

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