Магнитная левитация на Arduino Nano: детали, схема и код (PID и без)

Компоненты и материалы

Программное обеспечение

• Arduino IDE

О проекте

Устройство для магнитной левитации на базе Arduino. Корпус можно напечатать на 3D-принтере или собрать без него.

3D-модели:

• Корпус левитатора (легко печатается, крепится на клей, без винтов): Thingiverse 1392023
• Шилд для Arduino Nano: Thingiverse 1392530 или заказать готовый: OSH Park

Важные моменты

• Датчик Холла устанавливается в нижнюю часть наконечника (файл top_sensor.stl) — см. фото.
• Расстояние от датчика Холла до электромагнита — минимум 5 мм.
• Можно использовать другие линейные датчики Холла (не ключевые!).
• Обязательно неодимовые постоянные магниты (обычные ферритовые — не сработают).
• Тяжелые объекты левитируют стабильнее.

Подробности и советы в моих «Makes» на Thingiverse:

• Левитатор 3D-печатный: make:201394
• Шилд для Arduino Nano: make:201420

Код

Две версии прошивки: простая (без PID) и с PID-регулятором для более стабильной левитации.

Levitator.ino — простая версия (без PID)

//=========================================================|
// 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;      // Аналоговый вход A1 (датчик Холла)
int digPin = 5;      // Цифровой выход D5 (управление транзистором)
int subPin = 7;      // Кнопка «-» (понижение точки левитации)
int addPin = 8;      // Кнопка «+» (повышение точки левитации)

int anaVal = 0;      // Значение с датчика Холла
boolean digVal = 0;  // Состояние электромагнита
int levVal = 228;    // Точка левитации (подбирается экспериментально)
int dlyVal = 250;    // Задержка мкс между циклами

void setup() {
  Serial.begin(57600);
  Serial.println("Levitator by JSyA");
  Serial.println("Starting...");
  pinMode(digPin, OUTPUT);
  pinMode(subPin, INPUT_PULLUP);
  pinMode(addPin, INPUT_PULLUP);
  Serial.println("Started.");
}

void loop() {
  anaVal = analogRead(anaPin);  // Чтение магнитного поля

  // Регулировка точки левитации кнопками
  if (digitalRead(addPin) == LOW) {
    levVal++;
    value_log();
    delay(250);
  }
  if (digitalRead(subPin) == LOW) {
    levVal--;
    value_log();
    delay(250);
  }

  // Простейшее управление: если поле ниже точки — включаем магнит, иначе выключаем
  if (anaVal < levVal) digVal = LOW;
  else digVal = HIGH;

  digitalWrite(digPin, digVal);
  delayMicroseconds(dlyVal);
}

void value_log() {
  Serial.print("anaVal=["); Serial.print(anaVal); Serial.print("]-");
  Serial.print("digVal=["); Serial.print(digVal); Serial.print("]-");
  Serial.print("levVal=["); Serial.print(levVal); Serial.println("];");
}
//=========================================================|

Levitator_PID.ino — версия с PID-регулятором

//=========================================================|
// 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;
int digPin = 5;
int subPin = 7;
int addPin = 8;

int anaVal = 0;
int digVal = 0;
int levVal = 262;
int dlyVal = 10;
float timVal = 0;

// PID параметры
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() {
  Serial.begin(57600);
  Serial.println("Levitator by JSyA");
  Serial.println("Starting...");
  pinMode(digPin, OUTPUT);
  pinMode(addPin, INPUT_PULLUP);
  pinMode(subPin, INPUT_PULLUP);
  setpoint = levVal;
  Serial.println("Started.");
}

void loop() {
  anaVal = analogRead(anaPin);

  // PID расчет
  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;

  // Преобразование выхода PID в ШИМ (0-255)
  digVal += output;
  if (digVal < 0) digVal = 0;
  if (digVal > 255) digVal = 255;

  analogWrite(digPin, digVal);

  // Лог каждые 500 мс (раскомментируйте при необходимости)
  // if ((millis() - timVal) > 500) { value_log(); timVal = millis(); }

  // Регулировка точки уставки кнопками
  if (digitalRead(addPin) == LOW) {
    setpoint++;
    value_log();
    delay(250);
  }
  if (digitalRead(subPin) == LOW) {
    setpoint--;
    value_log();
    delay(250);
  }

  delayMicroseconds(dlyVal);
}

void value_log() {
  Serial.print("anaVal=["); Serial.print(anaVal); Serial.print("]-");
  Serial.print("digVal=["); Serial.print(digVal); Serial.print("]-");
  Serial.print("setpoint=["); Serial.print(setpoint); Serial.println("];");
}
//=========================================================|

Схемы (Fritzing)