Датчик приближения (6-11 классы, студенты)
Что такое робот?
Робот — автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма. Робот самостоятельно должен осуществлять различные операции, обычно выполняемые человеком. При этом робот может как иметь связь с оператором (быть управляемым) т.е. получать от него команды, так и действовать самостоятельно – быть автономным. Он действует по заранее заложенной программе и получает информацию о внешнем мире от датчиков. А от чего получает информацию о внешнем мире человек? Он получает ее от органов чувств, таких как зрение, слух, обоняние, осязание и вкус. Сегодня современные роботы оснащаются ни одним или двумя датчиками, а целой системой сенсоров. Без них не может действовать никакая система управления: не получая сведений об окружающей обстановке и поведении самого робота, она не сможет принять ожидаемого от нее решения.
Сенсорная система робота собирает два вида нужной информации для системы управления роботом:
- о собственном состоянии робота;
- о состоянии объекта манипулирование и окружающей среды.
Под состоянием робота подразумеваются координаты и ориентация в пространстве манипулятора, скорости и ускорения его звеньев, а также усилия, развиваемые его приводами. Сенсорные устройства, информирующие о состоянии робота, называют также датчиками обратной связи. Это датчики положений, скоростей и ускорений звеньев манипулятора относительно друг друга. Принцип работы любого электронного датчика построен на преобразовании контролируемых показателей в сигнал, который передается для дальнейшей обработки управляющим устройством. Возможно измерение любых величин – температуры, давления, электрического напряжения и силы тока, силы света и других показателей. По принципу действия электронные датчики разделяют на несколько категорий в зависимости от принципа действия. Одними из самых востребованных считаются:
- емкостные;
- индуктивные;
- оптические.
Каждый из вариантов обладает определенными преимуществами, которые определяют оптимальную сферу его применения. Принцип работы любого типа измерителя может различаться в зависимости от конструкции и используемого контролирующего оборудования.
Простйший оптический датчик приближения
Рассмотрим один из самых распространенных датчиков приближения и обнаружения препятствий, который работает по принципу отражения. Его устройство очень простое и доступно для понимание даже младшим школьникам.
Известно, что не все колебания атмосферы человек в состоянии услышать – есть инфразвуки и ультразвуки, которые ухо «не воспринимает». Со световыми колебаниями ситуация такая же – есть ультрафиолетовый свет и инфракрасный свет, которые глаз не воспринимает. Солнце эти лучи исправно испускает, но мы их не видим.
Те колебания, частота которых превышает частоту фиолетового цвета, называются ультрафиолетовыми. А те, частота которых меньше частоты красного света, называются инфракрасными. Можно и по-другому сказать: коротковолновое излучение – это ультрафиолет, а длинноволновое – инфракрасное.
Потемнение кожи, которое мы называем загаром, вызывается ультрафиолетовым излучением. В небольших дозах оно весьма полезно, поскольку именно под воздействием ультрафиолета наша кожа вырабатывает витамин D. А в вот больших дозах ультрафиолет опасен – он не только вызывает солнечные ожоги, но и может привести к смертельным заболеваниям кожи, повредить зрение. Поэтому особенно загаром увлекаться не стоит, а летом лучше носить темные очки, чтобы не было ожога сетчатки – того экранчика в глазу, на который проецируется изображение. Как видите, ультрафиолет биологически очень активен. С помощью ультрафиолетовых ламп убивают вредные микробы, обеззараживая воду в бассейнах и воздух в помещениях больниц. От избыточного ультрафиолета легко защититься, его практически не пропускает обычное оконное стекло. Поэтому для производства ультрафиолетовых ламп приходится делать специальное стекло – кварцевое.
А теперь перейдем к инфракрасному излучению. Иногда его еще называют тепловым. Человек глазами его не видит, но если оно достаточно интенсивное, мы можем почувствовать его кожей как тепло. Попадая на поверхность тела, инфракрасные лучи его нагревают, то есть раскачивают молекулы. Итак, ультрафиолетовый свет находится на частотной шкале «правее» фиолетового и простирается от 790 до 30000 ТГц. А инфракрасный, соответственно, левее и его значения лежат в значениях от 1 до 400 тетрагерц.
Сегодня среди большого многообразия охранных извещателей и датчиков препятствий, инфракрасный датчик движения является самым распространенным устройством. Доступная цена и эффективность, вот качества, обеспечившие им популярность. А все благодаря тому, что в начале девятнадцатого века обнаружили инфракрасное излучение. Оптические свойства веществ сильно различаются и зависят от типа облучения.
Строение инфракрасного датчика приближения
Сенсор имеет направленный источник и детектор света. Источником часто служит инфракрасный светодиод с линзой, а детектором — фотодиод или фототранзистор.
Светодиод сенсора излучает импульс в прямом направлении. Если перед ним есть препятствие (рисунок А), то на детектор поступает отраженный свет от источника, и на выходе сенсора появляется положительный импульс. В противном случае, если препятствия нет, то датчик не принимает обратного сигнала (рисунок Б). Есть и третий вариант, когда препятствие есть, но свет от него не отражается! На рисунке В изображен как раз такой случай. Матовую черную поверхность робот определяет достаточно сложно. Необходимо улучшать схему датчика
На рисунке изображена простейшая схема аналогового датчика препятствия. R1 - токоограничивающий резистор. Его величина подбирается параметров излучателя. R2 обычно можно брать 10КОм. Качество работы датчика очень сильно зависит от правильного выбора пары LED и RX, чтобы они работали на одной частоте. Можете самостоятельно собрать на макетной плате датчик препятствия и проверить его работоспособность.
Когда фототранзистор освещается, то через него начинает протекать ток, величина которого зависит от уровня освещения датчика. Так как меняется ток, проходящий через фототранзистор, то меняется и падение напряжения на подключённом последовательно резисторе. Напряжение с резистора мы отправляем на аналоговый вход Arduino (вход АЦП) и по его величине судим об уровне освещения датчика.
Цифровой датчик приближения
Цифровой датчик отличается от аналогового тем, что выдает либо высокий сигнал, либо низкий. Дальность срабатывания датчика регулируется подстроечными резисторами или указывается в маркировке датчиков. Основная микросхема цифрового инфракрасного датчика препятствия, это компаратор LM393 (U1), который производит сравнение уровней напряжений на входах INB- и INB+. Чувствительность порога срабатывания задается с помощью потенциометром R2 и в результате сравнений на выходе OUTB микросхемы U1, формируется лог «LOW» или лог «HIGH». Принципиальная схема цифрового инфракрасного датчика препятствия показана на рисунке ниже.
Практические задания
Задание 1. Соберите на макетной плате схему простейшего датчика расстояния и проверьте работоспособность схемы.
Этапы выполнения задания:
- Подготовьте для работы все электронные компоненты:
- Инфракрасный светодиод
- Фототранзистор
- Резистор на R1 = 220 Ом и R2 = 10КОм
- Макетную плату
- Плату для программирования Ардуино
- Мультиметр
- Соединительные провода
- Соберите согласно схеме простейший датчик приближения. 5В подключите к соответствующему контакту ардуино. Мультиметром замеряйте напряжение на контакте OUT - значения будут колебаться в интервале от 0 до 5 В, если вы будете удалять или приближать предметы к датчику.
Определите в каком диапазоне расстояний может работать ваш датчик? Как изменяться показания, если изменить R2=20КОм (последовательное подключение резистров)? Заполните самостоятельно таблицу 1
Значение напряжения Расстояние до датчика Максиммальное показание
(при R2=10КОм)Минимальное показание(при R2=10КОм) Максиммальное показание
(при R21=20КОм)Минимальное показание
(при R2=20КОм)
- Подключите контакт OUT к аналоговому контакту ардуино и залейте следующий скетч. Если вы впервые загружаете программу, то ознакомьтесь, как залить скетч в Ардуино
void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { Serial.println(analogRead(A0)); delay(40); } - Откройте плоттер последовательного порта и проанализируйте, как меняются показания в зависимости от расстояния. Заполните талицу 2.
Значение на аналоговом контакте Расстояние до датчика Максиммальное показание
(при R2=10КОм)Минимальное показание(при R2=10КОм) Максиммальное показание
(при R2=20КОм)Минимальное показание
(при R2=20КОм)
