Kurs elektroniki II – #9 – czujnik przeszkód, sterownik serwa

Kurs elektroniki II – #9 – czujnik przeszkód, sterownik serwa

W poprzedniej części kursu elektroniki omówiliśmy zasadę działania małego, ale popularnego układu czasowego - NE555.

Teraz pora na ćwiczenia praktyczne. Zajmiemy się budową prostego sterownika serwomechanizmów oraz czujnika odległości. Oba układy używane są bardzo często przez modelarzy oraz robotyków.

Jak pewnie pamiętasz z poprzedniego artykułu zmiana wartości poszczególnych elementów, które znajdują się dookoła NE555 wpływa na jego działanie. Realizując poniższe ćwiczenia będziemy korzystać z różnych (czasami dziwnych) wartości rezystorów i kondensatorów - oczywiście są one częścią naszych zestawów.

Nikt nie wziął ich z kosmosu. Wszystko zostało obliczone. Więcej informacji na ten temat znaleźć można na końcu artykułu. Teraz szkoda jednak czasu na matematykę, pora przejść do praktyki!

Zestaw elementów do kursu

Gwarancja pomocy na forum Błyskawiczna wysyłka

Elementy konieczne do wykonania ćwiczeń zebrane zostały w gotowe zestawy, które można nabyć w Botlandzie. W wygodnym kuferku znajdziecie ponad 160 części elektronicznych!

Kup w Botland.com.pl

Pierwszy projekt na NE555: detektor przeszkód

Ten projekt ma na celu zaprezentowanie NE555 w swoim typowym zastosowaniu. Jego rolą będzie sterowanie diodą nadawczą IR. Pamiętacie przykład z testerem pilotów TV? Tym razem, poradzimy sobie bez pilota.

No dobrze, ale co to ma wspólnego z tytułowym detektorem przeszkód? Dioda sterowana przez nasz układ będzie świeciła cały czas w podczerwieni. Obok ustawimy scalony odbiornik TSOP.

Jeśli przed powyższą parą pojawi się przeszkoda, to światło emitowane przez diodę odbije się od obiektu i trafi do odbiornika. Dzięki temu będziemy mogli wykryć przeszkodę.

Zasada działania czujnika przeszkód - animacja.

Zasada działania czujnika przeszkód - animacja.

Powyższa animacja przedstawia jedynie ideę działania takiego czujnika. W praktyce jego pole widzenia będzie trochę inne. Sprawdzimy to jednak w praktyce, wtedy wyjaśni się też, czym jest ta szara ściana między nadajnikiem, a odbiornikiem.

Schemat ideowy

Schemat jest dość rozbudowany, jednak najważniejsze, że wszystkie użyte tutaj elementy znamy już z poprzednich części kursu elektroniki. Teraz zajmiemy się wykorzystaniem zdobytej wiedzy w praktyce. Zanim przejdziemy do montażu warto zwrócić uwagę na kilka spraw (opisane poniżej).

Schemat ideowy detektora odległości.

Schemat ideowy detektora odległości.

Kondensatory C1 i C2 filtrują zasilanie dla NE555. Rezystor R1 ogranicza prąd diody nadawczej IR do około 13mA. Mało, ale do pierwszych testów wystarczy. Elementy R2, R3 i C4 zostały dobrane tak, aby generował on sygnał o częstotliwości około 36kHz i wypełnieniu około 70%.

Odbiornik TSOP31236 używany był już do testowania pilotów RTV. Tutaj został użyty w ten sam sposób. Różnica polega na tym, że dioda LED2, dołączona do jego wyjścia, będzie świecić stale po zbliżeniu przeszkody.


Nie musimy się martwić o to, że nasz układ czasowy nie będzie generował dokładnej częstotliwości 36kHz. Filtr zawarty w odbiorniku nie jest idealny i przepuszcza również sygnały o innych częstotliwościach, o czym miałeś okazję przekonać się wcześniej.

Montaż i uruchomienie czujnika przeszkód

Układ można z powodzeniem zmontować nawet na niewielkiej płytce stykowej. Poniżej można zobaczyć przykładową realizację tego urządzenia.

Ekspresowe uruchamianie czujnika przeszkód!

Ekspresowe uruchamianie czujnika przeszkód!

Wygląda dość zawile. Dlatego proponuję przejść ten proces razem. Całość składa się wyraźnie z dwóch części:

  • odbiornika TSOP z elementami towarzyszącymi,
  • generatora na NE555 - od niego zaczniemy.

Krok 1. Doprowadzamy przewody zasilające (przełącznik w koszyku z bateriami ustawiamy na off). Montujemy dwa kondensatory filtrujące zasilanie (C1 oraz C2 ze schematu). Oczywiście jest to również pora na włożenie w płytkę układu NE555.

Krok 2. Łączymy pierwszą nóżkę z masą, a czwartą z dodatnią szyną zasilania.

Krok 3. Łączymy drugą nóżkę z szóstą.
Krok 4. Do trzeciego wyprowadzenia przez R1 (330R) podłączamy diodę nadawczą (IR).

Krok 5. Podłączamy zasilanie do diody. Łączymy piątą nóżkę układu NE555 z masą przez C3.
Krok 6. Dodajemy kondensator C4 oraz rezystor R3. Łączymy je odpowiednio z nóżkami nr 6 i 7.

Krok 7. Pora na dodanie rezystora R2 o wartości 1,66k. Dla ułatwienia dodam, że nie ma takiego rezystora i trzeba go uzyskać samodzielnie łącząc kilka innych. Jak widać na zdjęciu konieczne są 3 rezystory połączone szeregowo. Jakie wartości wykorzystać? To już zadanie dla Ciebie!

Krok 8. Podłączamy zasilanie do ósmej nóżki układu. Łączymy również wyprowadzenie naszego nowego rezystora 1,66k z dodatnią szyną zasilania. Część nadawcza jest gotowa!

Krok 9. Pora na odbiornik. Podobne zadanie realizowaliśmy już w poprzednich częściach kursu dlatego tutaj trochę przyspieszyłem. W lewym górnym rogu układamy połączenie R5, D1 oraz R6 przez te elementy będziemy zasilać odbiornik.

Obok diody nadawczej szykujemy miejsce na odbiornik podczerwieni, aby czujnik działał poprawnie musi on znaleźć się obok diody. Montujemy również diodę świecącą wraz z rezystorem.

Krok 10. Dodajmy scalony odbiornik podczerwieni TSOP. Więcej na jego temat znaleźć można w siódmej części kursu elektroniki (poziom II).

Krok 11. Dodajemy kondensatory C5 i C6 (ten drugi schował się za C5 na zdjęciu).
Krok 12. Podłączamy zasilanie do TSOPa oraz masę do kondensatorów.

Krok 13. Łączymy skrajne szyny zasilania płytki stykowej. Dodajemy również przewód łączący masę TSOPa z masą całego układu. Czujnik jest już gotowy!

Przykładowa realizacja czujnika przeszkód na NE555.

Przykładowa realizacja czujnika przeszkód na NE555.

Działanie detektora w praktyce

Po zmontowaniu całości można włączyć zasilanie i sprawdzić, czy układ prawidłowo reaguje na zbliżanie obiektów. Mój prototyp reagował na zbliżenie ręki z odległości około 7 cm. Sprawdź, jak wygląda to w Twoim przypadku. W celu zwiększenia zasięgu należy odpowiednio zwiększać prąd diody - zachęcam do eksperymentowania.

Na zakończenie tego przykładu, film przedstawiający działania powyższego układu:

Co, gdy czujnik ciągle widzi przeszkodę?

Ustawiając na płytce równolegle diodę nadawczą i odbiornik IR wydaje się, że światło między nimi powinno być przesyłane jedynie poprzez odbicie od obiektu z przodu. Niestety, ale przy większych prądach część promieniowania wydostanie się z boku diody i dotrze bezpośrednio do odbiornika.

Część światła wpada od razu do odbiornika.

Część światła wpada od razu do odbiornika.

Oczywiście takie zjawisko kompletnie zakłóci działanie czujnika. Stąd potrzebna jest dodatkowa osłona/przegroda (np. kartonowa), która pojawiła się już na wcześniejszej animacji.

Kartonowa przegroda między czujnikiem i diodą.

Kartonowa przegroda między czujnikiem i diodą.

Dodanie takiej ścianki powinno zwiększyć niezawodność naszego czujnika - szczególnie, jeśli dioda IR będzie świeciła mocniej, niż w powyższym przykładzie.

Co, jeśli zmontowany układ nie działa?

Jeśli po zmontowaniu układu i włączeniu zasilania nic się nie dzieje, to należy sprawdzić osobno funkcjonowanie obu części. Do sprawdzenia odbiornika przyda się pilot od TV. Wciskanie przycisku na pilocie powinno uruchamiać diodę świecącą obok TSOPa (żółta na powyższych zdjęciach).

Do sprawdzenia nadajnika najlepiej wykorzystać aparat cyfrowy (np. z telefonu). Kierując go na włączony układ powinniśmy widzieć, że dioda IR świeci na fioletowo.

Drugi projekt na NE555: sterownik serwomechanizmów

Serwomechanizm modelarski, to układ zawierający silnik prądu stałego, przekładnię oraz nieco elektroniki. Z jego obudowy wystaje oś, która może się obracać najczęściej tylko o pewien kąt - w przypadku naszego SG90, jest to 180°.

Przykładowy serwomechanizm.

Przykładowy serwomechanizm.

Serwo jest stosunkowo delikatnym urządzeniem elektronicznym i mechanicznym. Tak jak pisałem na samym początku -  nie należy przekręcać serwa (szczególnie szybko) ręcznie.

Serwomechanizmy są nieocenione dla konstruktorów robotów. Mogą służyć np. do skręcania kół lub wychylania ramion. Sterowanie kątem odbywa się poprzez zmianę szerokości impulsów, które cyklicznie przesyła się do niego - tak mowa o PWM!

Oto animacja ilustrująca pracę serwa:

serwomechanizm

Zasada działania serwomechanizmu.

Impulsy napięcia dodatniego są powtarzane co ok. 20ms. Szerokość impulsu zawiera się w przedziale ok. 1-2ms. W celu ustawienia serwa w pozycji środkowej należy podać mu sygnał o szerokości ok. 1,5ms , a jego wydłużanie lub skracanie powoduje przekręcanie osi.

Ten układ również jest oparty na NE555, lecz jego typowa aplikacja została poddana modyfikacjom. W typowej konfiguracji astabilnej, za czas trwania stanu wysokiego odpowiada suma rezystancji R1 + R2, a za stan niski tylko R2. Podczas zmiany stanu wysokiego zmieniamy również czas stanu niskiego. Jest to pewna niedogodność w sytuacji, gdy stan niski powinien trwać tyle samo.

Zmodyfikowany układ astabilny.

Zmodyfikowany układ astabilny.

Dodanie jednej diody 1N4148 powoduje rozdzielenie ról tych rezystorów: prąd ładujący kondensator C2 przepływa przez R1 i diodę D1. Dioda otwiera się, ponieważ rezystor R2 ma wartość dużo większą od R1, więc będzie się na nim odkładało większe napięcie.

Z kolei, po zwarciu wewnętrznym tranzystorem wyprowadzenia 7 do masy, dioda zatyka się i C2 rozładowuje się tylko przez R2.


Schemat ideowy kompletnego układu jest następujący:

Schemat ideowy sterownika serwomechanizmów.

Schemat ideowy sterownika serwomechanizmów.

Serwa posiadają wtyki żeńskie z trzema przewodami:

  • pomarańczowy/biały/żółty: sygnał sterujący,
  • czerwony: zasilanie,
  • czarny lub brązowy: masa.

Bardzo łatwo można podłączyć do tego wtyku przewody, dedykowane dla płytek stykowych. Nie ma potrzeby kupowania dedykowanych złącz męskich lub ucinania oryginalnego wtyku. Poniżej widoczna jest przykładowa realizacja układu. Poniżej, tak jak poprzednio znaleźć można dokładną instrukcję krok, po kroku.

Przykładowa realizacja sterownika serwomechanizmów na NE555.

Przykładowa realizacja sterownika serwomechanizmów na NE555.

Montaż i uruchomienie

Krok 1. Doprowadzamy do płytki zasilanie. Montujemy NE555 (zwracając uwagę na wcięcie).
Krok 2. Łączymy pierwszą nóżkę z masą. Wstawiamy też kondensator C1 (100nF).

Krok 3. Łączymy drugą nóżkę układu z szóstą oraz czwartą z dodatnią szyną zasilania.
Krok 4. Montujemy elementy znajdujące się w okolicy nóżki nr 6. Konkretnie jest to kondensator C4 o pojemności 470nF. Dodatkowo widoczny jest tam rezystor R2 (56k) oraz dioda 1N4148.

Krok 5. Nóżkę nr 8 podłączamy do zasilania (Vcc). Wtykamy rezystor R1 (1k), a następnie podłączamy do niego potencjometr. Zależy nam na uzyskaniu regulowanego rezystora, więc wykorzystujemy wyprowadzenie środkowe i dowolne skrajne. Środkowe wyprowadzenie łączymy z dodatnią szyną zasilania.

Krok 6. Na listwach zasilających wtykamy kondensator C2 (220uF). Dodajemy kondensator C3 łączący piątą nóżkę NE555 z masą. Nie zapominamy również o połączeniu skrajnych listw płytki (dodatnia szyna zasilania oraz masa).

Krok 7. Na zakończenie podłączamy odpowiednio serwomechanizm. Blisko miejsca skąd zasilamy serwo dodajemy kondensatory C5 (100nF) oraz C6 (100uF).

Przykładowa realizacja sterownika serwomechanizmów na NE555.

Przykładowa realizacja sterownika serwomechanizmów na NE555.

W praktyce układ działa następująco:

Drżenie osi serwomechanizmu można tłumaczyć wahaniami napięcia zasilającego. Te spadki powstają na stykach płytki stykowej oraz podczas rozruchu serwa.

Mocniejsze drgania (szczególnie w skrajnych pozycjach) są również wynikiem sposobu działania samego serwa. Nie należy się tym mocno przejmować.

Niezbędne obliczenia

Aby sprawnie posługiwać się NE555, należy obliczać wartości kluczowych elementów. W notach katalogowych podane są odpowiednie wzory. Najważniejsze z nich zostały opisane poniżej. W sieci znaleźć można ogrom kalkulatorów online, które pomagają w takich obliczeniach. Warto jednak wiedzieć, skąd biorą się wyniki.

Dla konfiguracji monostabilnej

Czas impulsu można obliczyć za pomocą jednego, prostego wzoru:

CzasImpulsu = ln(3) * R * C

Gdzie:

  • R, to wartość rezystancji rezystora,
  • C, to pojemność kondensatora (w Faradach),
  • za ln(3), podstawiamy wartość logarytmu, czyli ~1,1.

Dla konfiguracji astabnilnej

W takim układzie wartości elementów zależą od czasu stanu wysokiego i niskiego, który chcemy uzyskać. Wzory są dość proste:

StanWysoki = ln(2) (Ra RbC
StanNiski = ln(2) Rb * C

Gdzie:

  • Ra, to wartość rezystancji rezystora Ra,
  • Rb, to wartość rezystancji rezystora Rb,
  • C, to pojemność kondensatora (w Faradach),
  • za ln(2), podstawiamy wartość logarytmu, czyli ~0.693.

Odpowiednie przekształcenie wzorów pozwala oczywiście na obliczenie wartości elementów, które pozwolą nam na osiągnięcie oczekiwanych parametrów sygnału.

Uwaga na wartości!

Układy scalone składają się z tranzystorów, które mają swoje ograniczenia. Dlatego prawidłowa praca NE555 nie jest możliwa w każdych warunkach.

Suma rezystancji Ra i Rb

Przykładowo, dla pracy astabilnej, suma rezystancji Ra i Rb nie może przekraczać 10MΩ przy zasilaniu 15V lub 3,5MΩ, przy zasilaniu napięciem 5V. Zaleca się również, aby nie była mniejsza niż 1kΩ, gdyż płynący wtedy przez tranzystor rozładowujący prąd robi się już znaczący.

Pojemność kondensatora

Dodatkowe obostrzenie dotyczy również kondensatora służącego do odmierzania czasu: jego pojemność powinna przekraczać 1nF. W przeciwnym razie, pojemności wewnętrzne układu, spowodują zauważalne wydłużenie odmierzanych czasów.


Oprócz znajomości tych reguł, warto kierować się zdrowym rozsądkiem. Na ogół, ustala się jedną wartość (np. pojemność kondensatora) i dobiera rezystory pod wymagane zależności czasowe.

Trzeba pamiętać o tym, że nic nie jest idealne i układ złożony z elementów o obliczonych wartościach może mieć parametry czasowe odbiegające od tych, które obliczyliśmy.

Tyle informacji o tak małym układzie...

Tyle informacji o tak małym układzie...

Podsumowanie

Na własne oczy mogłeś się przekonać, że NE555 to bardzo uniwersalny układ, który można w łatwy sposób adaptować do rozmaitych projektów. W czasach mikrokontrolerów jego znaczenie zmalało, lecz nadal można się nim posługiwać do realizacji prostych zadań. Szczególnie ostatni projekt, czyli tester serwomechanizmów okazuje się bardzo przydatny w każdym warsztacie.

Nawigacja kursu

Nie chcesz przeoczyć kolejnych części kursu? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych artykułach!

Autorzy: Michał (futrzaczek) Kurzela
Damian (Treker) Szymański

czujnik, elektroniki, kurs, kursElektroniki2, ne555, serwo, serwomechanizm

Komentarze

Dodaj komentarz