Teoretyzowanie przed praktyką #1 - podczerwień w robotyce amatorskiej

[Treker (Damian Szymański)]

Planowałem skupić się na zagadnieniach ogólnych i pokazać kilka układów przeznaczonych do własnych eksperymentów lub dalszej dyskusji po to, by wyjść z zaklętego kręgu fototranzystora lub KTIRa podłączonego wprost do komparatora.

Tak jest najprościej, nie widziałem, aby ktokolwiek nawet próbował inaczej. Najwyższa pora to zmienić.

[OldSkull]

Nawiasem mówiąc sygnał należy przesunąć o 180° żeby ta operacja miała sens i dotyczy to tylko przebiegów okresowych. Bardziej ogólną jest operacja zmiany znaku prawda? Takie odwrócone, "czyste" zakłócenia po dodaniu do sygnału z czujnika odbierającego całość spowodują, że na wyjściu dostaniemy tylko nasz sygnał.

Czyli w skrócie: robimy pomiar oświetlony, wyłączamy diody, robimy pomiar nieoświetlony, odejmujemy wyniki. Problemem może tutaj być duże obciążenie procesora oraz minimum dwukrotne zmniejszenie częstotliwości skanowania. Jedno i drugie można jednakże załatwić korzystając z odpowiednich elementów (procesor, ADC).

Niestety taka metoda nie bardzo nadaje się do odfiltrowania analogowo - tym samym trzeba korzystać z filtrów cyfrowych. Po pierwsze obciążają one procesor, po drugie często jeszcze zmniejszają częstotliwość użytecznych pomiarów lub wprowadzają opóźnienie do toru regulacji.

[marek1707]

Nie. Twój skrót zaprowadził Cię do zupełnie innej wioski.

W poście dotyczącym odwracania znaku napisałem o metodzie prostego odejmowania sygnałów, bo taki był oryginalny pomysł BlackJacka. Polegał on na uzyskaniu za pomocą jakiegoś drugiego czujnika sygnału samych zakłóceń, np. poziomu oświetlenia rozproszonego w pomieszczeniu. Mając tak komfortowe warunki nie musimy już projektować żadnych filtrów, żeby oddzielić sygnał użyteczny od śmieci. Operacja odejmowania analogowego jest prosta a na wyjściu dostajemy tylko to co potrzebujemy. Zauważ, że to działa bez żadnej modulacji. Mamy na stałe załączone diody LED oświetlające np. trasę, a jeden z czujników - również patrzący w dół - ma diodę LED wyłączoną i nie obchodzi go linia tylko "poziom ciemności" pod podwoziem. Z resztą położenie tego dodatkowego fototranzystora zależy od inwencji konstruktora. Moim zdaniem równie dobrze może patrzeć w górę, bo nie jest ważne jak jest mu jasno tylko to, by jego oświetlenie było proporcjonalne do tego co zakłóca pomiary trasy. No i teraz jest już prosto: poprzez odejmowanie analogowe przeprowadzone w każdym kanale osobno, na wyjściu dostajemy tylko czyste sygnały z odbić światła LEDów od podłoża.

Twój "skrót" to zupełnie inna bajka - detektor synchroniczny, czasem znany jako lock-in amplifier. Jego praca sprowadza się mnożenia zakłóconego sygnału wejściowego przez sygnał odniesienia synchroniczny (stąd nazwa) ze spodziewanym sygnałem użytecznym zagrzebanym głęboko w szumach. W przypadku 100% modulacji diody LED sygnałem prostokątnym sprowadza się to do mnożenia przez +1 i -1 a więc do gromadzenia wyników w dwóch jakby "zbiornikach" a potem liczenia ich różnicy. Zauważ, że w dziedzinie częstotliwości układ taki działa jak filtr pasmowoprzepustowy a jego działanie - jak każdego filtru, będzie zależało od tego jak dobrze potrafi on stłumić zakłócenia bez naruszania sygnału użytecznego. Mówiąc dokładniej przesuwa on prążek widma sygnału użytecznego w miejsce DC (0Hz). W praktyce walka z zakłóceniami sprowadza się do jak największego oddalenia "naszych" prążków od "wrogich". Jeśli walczymy np. ze składową stałą od słońca plus 50Hz od żarówek i świetlówek, to dając modulację powyżej 1kHz dostajemy już całkiem fajne tłumienie. Wszystko będzie zależało (znowu..) od filtrów dolnoprzepustowych jakie układ ten ma na wyjściu, bo to one wydzielają z kaszany powstałej z mnożenia prążek DC. Im będą ostrzej cięły, tym tłumienie zakłóceń będzie lepsze ale też czas odpowiedzi układu będzie nieubłaganie rósł.

Spróbuję dziś narysować oba układy zarówno blokowo - żeby każdy zrozumiał działanie jak i ideowo - by każdy chętny mógł się tym pobawić.

[ Dodano: 12-09-2013, 23:10 ]

Będzie jedno pod drugim, trudno.

Wracając dziś z firmy myślałem od czego zacząć opis obiecanych układów i doszedłem do wniosku, że najlepiej będzie.. od początku 🙂 bo tam jest źródło naszego sygnału. To trochę jak z anteną odbiorczą - jeśli zrobimy ją źle i sygnał będzie słaby, to nie pomoże już żaden wzmacniacz - zwiększy nam co prawda moc lecz nie tylko naszej stacji ale wszystkiego innego, szumu również.

Jak wygląda prosty czujnik? Bierzemy jakiś element światłoczuły - pomijam teraz kwestię czy pracujący w zakresie widzialnym czy podczerwonym - i wyciągamy z niego sygnał elektryczny proporcjonalny do energii padającego promieniowania. Jeśli promieniowania jest za mało, jest niestabilne lub po prostu nie chcemy polegać na tym co lata w powietrzu, doświetlamy pole widzenia czujnika diodą LED. Nie chcę na razie zagłębiać się w mechanikę tego zespołu. To może być przecież zintegrowany transoptor odbiciowy - np. popularny KTIR0711 zawierający "dwa w jednym", mogą to być dwa osobne elementy lub np. zespół czujników korzystających z jednego wspólnego oświetlacza.

Jako elementów światłoczułych używamy w zasadzie fotorezystorów i fototranzystorów.

Te pierwsze są pojęciowo łatwe do zrozumienia. Zupełnie jak opornik, tylko że jego rezystancja jest sterowana światłem - zmniejsza się i to znacznie, gdy jest jaśniej. Moim zdaniem na tym zalety tego typu elementu się kończą. Fotooporniki są bardzo zależne od temperatury, słabo powtarzalne, wolne, drogie (a w każdym razie droższe niż fototranzystory), nieliniowe oraz - co ważne - są montowane w obudowach zupełnie nieprzystosowanych do zawężania pola widzenia. Nie znajdziemy tu żadnych plastikowych soczewek, szerokiej gamy dostępnych kątów dobrej czułości itd. Fotorezystor patrzy mniej więcej w półsferę, no może w 120°, łapie co mu się uda i zmienia swoją rezystancję. Podłączyć go łatwo - robimy dzielnik napięcia ze zwykłym opornikiem i już.

Szczerze mówiąc wolałbym skupić się na fototranzystorach. W zasadzie, póki nie wchodzimy w szczegóły, to ten element też jest "prosty". Bierzemy zwykły tranzystor bipolarny npn, odrywamy mu bazę a całość zamykamy w przezroczystej obudowie. Zamiast wpychania prądu w bazę i oczekiwania, że tranzystor go wzmocni i wyśle go nam w emiter mamy teraz strumień światła. No i to właściwie wszystko. Żeby umieć samemu dobrze wykorzystać fototranzystor wystarczy tylko wiedzieć jak konfigurować i obliczać układy ze zwykłym tranzystorem 🙂

Weźmy dla przykładu pierwszy z brzegu fototranzystor: BPW96 i podłączmy go jak na rysunku:

Z pozoru jest to normalny dzielnik napięcia i rzeczywiście, dwa elementy połączone szeregowo dają na wyjściu jakieś napięcie ale co do szczegółów - od typowych dwóch rezystorów układ różni się bardzo. Najważniejsze z czego musimy sobie zdać sobie sprawę to to, że fototranzystor (podobnie jak jego "zwykły" trzynóżkowy brat) nie jest zmiennym opornikiem. W wyniku reakcji na światło zmienia się tu prąd kolektora a cały element zachowuje się jak źródło prądowe. Trochę poważnie brzmi ale oznacza to tylko tyle, że niezależnie od przyłożonego między kolektor a emiter napięcia, płynący prąd przy danym oświetleniu będzie stały.

Dowód? Widzcie go powyżej. Jest to tzw. charakterystyka wyjściowa, zaczerpnięta z danych katalogowych naszego fototranzystora. Mamy tu pokazaną rodzinę krzywych zdjętą dla różnych natężeń oświetlenia. Przyjrzyjmy się jednej z nich, niech to będzie ta oznaczona 0.2mW/cm². Parametr ten oznacza, że nasz fototranzystor oświetlono promieniowaniem o natężeniu takim, że na każdy cm² przypadało 0.2mW mocy. Sama struktura fototranzystora jest oczywiście dużo mniejsza, pewnie ma ułamek mm², załóżmy, że 1/4 czyli jak łatwo policzyć absorbowała

0.2mW/cm² * 1/400cm² = 5µW

mocy, ale nie to jest ważne. Spójrzmy na wielkości na osiach. Na poziomej mamy napięcie między kolektorem a emiterem a na pionowej prąd kolektora - a więc i emitera, bo przecież to samo wpłynie górą co i wypłynie dołem. Jak wygląda krzywa? Podnosząc powoli napięcie najpierw mamy szybki wzrost - to jasne, przy zbyt małych napięciach fototranzystor nie działa normalnie. Mówimy, że jest w nasyceniu. Chciałby przepuszczać przez siebie większy prąd - taki, jaki wynika z aktualnego oświetlenia ale brakuje mu odpowiedniego napięcia. Najciekawsze jest jednak dopiero przed nami. Przy napięciu Uce około 0.4V prąd osiąga wartość ok. 1mA i.. zostaje praktycznie na tym samym poziomie przy prawie stukrotnej zmianie napięcia: od 0.4V do 30V! Czy któryś opornik tak potrafi? Oczywiście, że nie (hm, i dobrze). Zgodnie z prawem Ohma, N-krotna zmiana napięcia na oporniku spowoduje N-krotną zmianę płynącego prądu. Tutaj tak nie jest. Mamy źródło prądowe sterowane światłem - kolejne krzywe są coraz wyższe, bo zdejmowane są dla coraz większych mocy promieniowania. Gdybyśmy na ten wykres spojrzeli inaczej: zatrzymali się na jednym napięciu Uce, np. 10V a zmieniali tylko natężenie światła czyli skakali po kolejnych krzywych w górę i w dół, to dostalibyśmy różne prądy kolektora. Dla 0.05mW/cm² płynęłoby ok. 0.2mA, dla 0.1mW/cm² mielibyśmy 0.5mA, dla 0.2 już 1mA i tak kolejno w górę. Dla silniejszych oświetleń krzywe nie są już tak fajnie poziome, ale tak mają wszystkie tranzystory - nikt nie jest idealny. Na szczęście zakres wykorzystywanych w praktyce natężeń promieniowania jest raczej dużo niższy.

Czy wiedząc już co nieco o fototranzystorze możemy przewidzieć zachowanie się układu z rysunku? Przyjmijmy, że opornik R1 ma 1k. Podłączamy Vcc=5V i robimy kompletną ciemność. Jak łatwo się domyślić przez fototranzystor nie płynie nic. W rzeczywistości może tam coś ciurkać, ale producent gwarantuje, że jest tego naprawdę bardzo mało.

Dla ciekawskich: w tabelce "Basic Characteristics" możecie znaleźć wiersz "Collector Dark Current" i wartość typową 1nA a max. 200nA. Podejrzewam, że przez topnik zostawiony po lutowaniu nóżek tranzystora popłynie więcej.

A wracając do układu: prąd=0 powoduje zerowy spadek na rezystorze R1 i napięcie wyjściowe też jest równe 0V. Za to na fototranzystorze mamy różnicę tego co zostało z Vcc po odjęciu spadku na oporniku:

VT + VR = Vcc

więc:

VT = Vcc - VR

czyli:

VT = 5V-0V = 5V

No to teraz świecimy. Niech będzie to znane już 0.1mW/cm². Jak już wiemy, w takich warunkach możemy oczekiwać prądu kolektora na poziomie 0.5mA. Co to oznacza w układzie? Na oporniku R1 powstaje spadek napięcia 0.5mA * 1k = 0.5V. Fajnie, dostaliśmy jakiś sygnał wyjściowy a opornik robi nam za "przetwornik" prądu tranzystora na napięcie wyjściowe. Ile napięcia "zostało" dla tranzystora? Wiadomo, 4.5V ale jemu to nie przeszkadza, to wciąż daleko od minimum. Dalej jest tak samo.: dla mocniejszego oświetlenia dostaniemy większy prąd, to da większe napięcie na R1, mniejsze na T1 itd. Kiedy osiągniemy koniec zakresu? To proste. Wtedy, gdy napięcie wyjściowe osiągnie ok. 4.5V bo wtedy na fototranzystor zostanie już tylko 0.5V a to jest granica przy której prąd już nie może dalej rosnąć. Ile to będzie prądu kolektora? Żeby na R1 zrobić 4.5V musi przez niego płynąć 4.5V/1k=4.5mA.

Dla łatwiejszej analizy producent zrobił też inny ciekawy wykres: Figure 4, gdzie pokazał jak rośnie prąd kolektora przy zmianach - tym razem - oświetlenia. Narysowano tu wykresy dla trzech różnych grup czułości A, B i C. Pewnie jak zwykle, poszczególne grupy różnią się też i ceną. Jak można zauważyć, zmiany prądu są praktycznie idealnie proporcjonalne do wzrostu natężenia promieniowania i to w zakresie dwóch rzędów wielkości, tutaj od 0.01 do 1mW/cm². To dobra wiadomość bo oznacza, że nasz słaby sygnał odebrany w zupełnej ciemności oraz ten sam sygnał odebrany w obecności włączonego żyrandola będą takie same. Ten drugi będzie co prawda wymieszany z dużą składową stałą plus delikatne mruganie 100Hz ale wciąż gdzieś tam będzie taki sam co do kształtu. To z kolei oznacza, że jeśli uda nam się w jakiś sposób odfiltrować żyrandolowe zakłócenia to to co zostanie będzie bardzo podobne do naszego pierwotnego sygnału. Liniowość to jedna z podstawowych cech systemów przetwarzania sygnałów.

A teraz dwa eksperymenty. Można je przeprowadzić w myślach, ale zachęcam każdego do testów praktycznych. Należy tylko pamiętać, że fototranzystor jak każdy element elektroniczny ma swoje ograniczenia. Np. omawiany tu BPW96 nie zniesie napięcia wyższego niż 30V i prądu kolektora 50mA - wszystko jest w danych katalogowych.

Do dzieła:

Pierwsza próba polega na zmianie napięcia Vcc przy stałym oświetleniu. Jak zachowa się napięcie wyjściowe? Na pewno każdy już wie: skoro fototranzystor jest źródłem prądowym nieczułym na przyłożone napięcie, to będzie wciąż "produkował" ten sam prąd. Z kolei niezmieniony prąd płynący przez R1 nie zmieni napięcia na nim odkładanego i napięcie wyjściowe też się nie zmieni. Super, prawda? Nasz czujnik jest niewrażliwy na zmiany zasilania 🙂 Jakby zachował się w tym przypadku układ z fotorezystorem? Oczywiście napięcie wyjściowe wzrosło by wprost proporcjonalnie do zmiany Vcc.

Eksperyment nr 2 polega na zmianie wartości R1. Co to daje? Rozpatrzmy dwa przypadki. W obu z nich wykorzystamy zakres natężenia oświetlenia taki, żeby wywoływał za każdym razem zmiany prądu fototranzystora np. od 10uA do 1mA. Mając opornik 100R dostajemy napięcia wyjściowe od 1mV do 100mV. Zwiększając R1 do np. 2.2k otrzymujemy zakres zmian napięcia wyjściowego (przy tym samym oświetleniu) od 22mV do 2.2V a więc układ nasz jest znacznie czulszy (dokładnie: 22 razy). Fajnie, odpowiednio dobierając R1 możemy zmieniać czułość naszego układu. Czy powinna być jak największa? A to już zależy od tego co chcemy dalej z tym sygnałem robić 🙂

Właśnie. Miało być o odejmowaniu sygnałów, wzmacniaczach itp a skończyło się zaledwie na fototranzystorach i rzeczach, które pewnie macie w małych palcach. Trudno, spróbuję dopisać coś jutro, czyli..

CDN 🙂

[OldSkull]

Rozumiem teraz o co chodzi, aczkolwiek nie uważam, aby uznawanie pomiaru z niedoświetlającego czujnika za aktualne zakłócenia za całkiem dobre rozwiązanie. Problemem są skrajne czujniki oraz sytuacja, w której nie znajdują się one w linii prostej. Wtedy takie uogólnienie nie działa (albo działa wystarczająco tylko dla środkowych czujników). Poza tym do tego czujnika po pierwsze może wpadać część światła z innych czujników, po drugie jest problem z jego umiejscowieniem - jeśli będzie w linii z pozostałymi to będzie dziłać jak przerwa. Jeśli będzie wysunięty (lub schowany) to będzie dostawać inną ilość zakłóceń niż inne czujniki.

Możliwe, że pewnym rozwiązaniem byłoby połączenie tych dwóch metod. Kluczować załączenia diod i od każdego pomiaru odjąć pomiar z czujnika kontrolnego. a potem to o czym już wcześniej pisałem. Ale to wyeliminowałoby tylko problem doświetlania naszego czujnika przez pozostałe. Problem umiejscowienia go pozostaje.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[Sabre]

Eksperyment nr 2 polega na zmianie wartości R1. Co to daje? Rozpatrzmy dwa przypadki. W obu z nich wykorzystamy zakres natężenia oświetlenia taki, żeby wywoływał za każdym razem zmiany prądu fototranzystora np. od 10uA do 1mA. Mając opornik 100R dostajemy napięcia wyjściowe od 1mV do 100mV. Zwiększając R1 do np. 2.2k otrzymujemy zakres zmian napięcia wyjściowego (przy tym samym oświetleniu) od 22mV do 2.2V a więc układ nasz jest znacznie czulszy (dokładnie: 22 razy). Fajnie, odpowiednio dobierając R1 możemy zmieniać czułość naszego układu. Czy powinna być jak największa? A to już zależy od tego co chcemy dalej z tym sygnałem robić

Marku, nie wiem czy zapomniałeś, czy celowo pominąłeś pewien fakt. Otóż przy zmniejszaniu prądu fototranzystora spada szybkość jego reakcji na zmianę oświetlenia. I jak do tej pory spotkałem się z wykresem takiej zależności tylko w przypadku KTIRów.

[marek1707]

OldSkull: oczywiście masz rację. Fajną stroną tej metody jest łatwe pozbywanie się zakłóceń pod warunkiem... że ma się te zakłócenia podane na talerzu. To z kolei zależy wprost od położenia i orientacji czujnika. Być może nie jest to dobre rozwiązanie dla LFów. Może lepiej byłoby pisać o myszach lub sumo? Tam czujniki patrzą do przodu/na boki i są dużo bardziej narażone na oświetlenie zewnętrzne. W każdym razie metoda jest układowo dość prosta i bez ograniczeń szybkościowych jak inne, korzystające z filtrów - dlatego nie sposób było o niej nie napisać.

BTW: Pisaliśmy razem, a moje nowe dopisało się ułamek sekundy wcześniej do poprzedniego postu 🙂

Sabre: Pisanie o szybkościach zostawiłem sobie na później. Na razie jesteśmy w przedszkolu.

[Sabre]

Sabre: Pisanie o szybkościach zostawiłem sobie na później. Na razie jesteśmy w przedszkolu.

Ok, ale czy warto rozważać pewne dane nie biorąc pod uwagę innych kluczowych parametrów. Rozumiem, że nie ma sensu zalewanie ogromną ilością wiedzy na początku, ale o pewnych faktach warto wspomnieć chociażby, aby nie wejść w ślepą uliczkę kierując się tylko np. czułością kosztem właśnie szybkości reakcji.

[Treker (Damian Szymański)]

Być może nie jest to dobre rozwiązanie dla LFów. Może lepiej byłoby pisać o myszach lub sumo?

Wydaje mi się, że to słuszne podejście, ponieważ w LFach czujniki przewidziane są troszkę do innych zadań niż szukanie przeciwnika. Dobrze by było, gdyby wypowiedzieli się tutaj konstruktorzy *sumo/MM. Ja dopiero zaczynam przygodę z MM, więc jeszcze nie mam dużo do powiedzenia. Co do linefollowerów to nigdy nie używałem filtrów i "dawało radę", teraz dopiero próbuję się bawić z takimi rzeczami. Na dobrą sprawę wystarcza tutaj prosty filtr medianowy.

Na upartego, znając ułożenie czujników oraz charakterystykę trasy - szerokość linii, można pokusić się nawet o jakąś predykcję. Skoro linia jest widoczna na prawych skrajnych czujnikach, to nie realne jest, aby w kolejnym pomiarze pojawiła się po przeciwnej stronie itd. Pobawię się, zrobię testy i dam znać 🙂

[marek1707]

I o to mi właśnie chodzi. O to, by pokazać pewne możliwości i przekonać do własnych eksperymentów. Nie chcę skupiać się na szczególnych rozwiązaniach i dawać przepisów "na czujnik linii" czy "detektor ściany". Przykłady jakie przywołuję mają tylko pomóc w wyobrażeniu sobie konkretnej sytuacji przestrzennej. Nie traktujcie ich jak warunku stosowania tej czy innej metody. Każdy kto będzie robił coś własnego i tak napotka na mnóstwo nowych problemów i pytań, których teraz nie przewidzimy. Niech przynajmniej wie, że istnieje coś więcej niż KTIR i komparator. Jednym zależy na prostocie a inni mają żyłkę badacza, ale niech obaj wiedzą co mogą zyskać a co jest w danym rozwiązaniu nieosiągalne. Ostateczny wybór i tak będzie należał do autorów projektów.

[marek1707]

Skoro już wiemy jak podłączyć fototranzystor żeby oddawał napięcie proporcjonalne do oświetlenia, spróbujmy jakoś ten sygnał wykorzystać.

W najprostszym (powiedziałbym desperackim) układzie można spróbować podłączyć to wprost do procesora. Napięcie oddawane przez czujnik opisany wcześniej jest co prawda "analogowe", czyli może przyjmować dowolne wartości z zakresu 0-Vcc, ale cyfrowe wejście procesora ma swoje progi odróżniania zera od jedynki, więc powinno zadziałać. Rzeczywiście, dobrze zaciemniając fototranzystor, dobierając dużą czułość (opornik R1!) i mając kontrastowy obraz da się to uruchomić. Musimy tylko zadbać o to, by czujnik patrząc na białe podłoże dawał większe napięcie niż procesor wymaga dla stanu wysokiego, a na czarnej taśmie musimy mieć mniej niż próg detekcji stanu niskiego. Dla procesora ATmega8 na przykład, poziomy te wynoszą odpowiednio 0.2*Vcc i 0.6*Vcc, co przy zasilaniu 5V przekłada się na 1V i 3V. Jeśli nasz czujnik jest w stanie oddać więcej niż 3V na białym i mniej niż 1V na czarnym - zadziała.

Niestety, są też grabie. Zwykle im bardziej prymitywna metoda tym więcej ma ograniczeń a ta jak widać komplikacją nie grzeszy. Przede wszystkim nie mamy tu wpływu praktycznie na nic. Oprócz oczywistych spraw jak dobranie jasności oświetlającej diody LED oraz czułości samego czujnika, reszta jest poza kontrolą. Procesor ma jakieś progi, ale nie wiemy dokładnie jakie one są. Producent gwarantuje, że poniżej 1V procesor na pewno wczyta stan niski ale co się stanie odrobinę powyżej? A co w ogóle dzieje się w przedziale między 1V a 3V? W sumie nie wiemy nawet, czy przełączanie miedzy stanem niskim a wysokim odbywa się na jednym poziomie (np. 2V) w obie strony, czy "w górę" jest inaczej a "w dół" inaczej? Mała niesymetria nie zaszkodzi ale szeroka spowoduje, że podczas najazdu na czarną linię czujnik będzie musiał ją prawie całą zobaczyć by wczytał się wreszcie stan niski a z kolei podczas opuszczania linii będziemy musieli poczekać, aż prawie całe pole widzenia zajmie białe podłoże by wczytać jedynkę. Kolejny problem to oświetlenie zewnętrzne. Tylko gdy czujnik jest w całkowitej ciemności mamy szansę na małe napięcie (<1V) i pewny stan niski na wejściu procesora. Gdy tor zostanie lepiej doświetlony i pod podwozie dostanie się trochę światła, koniec. Nic nie możemy zrobić. Zmniejszenie czułości spowoduje, że co prawda napięcie spadnie, ale spadnie zarówno dla "czarnego" jak i dla "białego" a to już może nie wystarczyć do wczytania jedynki. Możemy podkręcić jasność diody LED ale to z kolei spowoduje przesunięcie wszystkich napięć w górę. Owszem, być może da się znaleźć jakiś złoty środek i tak prymitywny układ będzie działał, ale będziemy musieli bawić się w kontrolowanych warunkach oświetlenia, z kontrastowym torem i dobrze schowanymi czujnikami. Nie polecam.

W większości schematów mamy więc komparatory. Jak sama nazwa wskazuje są to układy (złożone zwykle z kilku-kilkunastu tranzystorów) porównujące napięcia. Komparator ma dwa wejścia (+) i (-). Jeżeli napięcie na tym pierwszym jest większe od drugiego, na wyjściu komparatora mamy stan wysoki. Jeżeli napięcie na pierwszym jest mniejsze - mamy stan niski. A co się stanie gdy są równe? - zaraz ktoś zapyta. Cóż, w uproszczeniu komparator to nic innego jak wzmacniacz o dużym wzmocnieniu. Ponieważ interesuje go wyłącznie różnica napięć między wejściami (+) a (-) to po prostu wzmacnia ją i wypuszcza na wyjście. Napięcie wyjściowe nie może oczywiście przekroczyć napięć zasilania więc jeśli zasilamy go podobnie jak procesor z 5V to na wyjściu możemy spodziewać się w skrajnych przypadkach albo 0V w stanie niskim albo 5V w stanie wysokim. Dzięki bardzo dużemu wzmocnieniu (np. 100 tys razy) komparator przez większość swojego życia znajduje się właśnie w takim skrajnym przypadku. No bo jeśli na wejściu (+) będzie np. 1.2V a na (-) podamy 1V to różnica wyniesie +0.2V. To wzmocnione 100 tys. razy daje co prawda +20000V ale ponieważ górnym ograniczeniem wyjścia jest zasilanie, to na wyjściu zobaczymy po prostu stan wysoki, tj. 5V przy Vcc=5V. I odwrotnie, gdy na (+) zapodamy 2.55V a na (-) 2.9V to tym razem różnica wyniesie -0.35V. Mnożymy przez 100tys. co daje -35000V więc na wyjściu widzimy 0V - stan niski. Teraz już mniej więcej wiadomo jak bardzo muszą być równe napięcia wejściowe, by komparator oddał coś "pomiędzy". Wystarczy różnica rzędu 50uV, by napięcie wyjściowe naszego komparatora utknęło w stanie niskim lub wysokim. I dobrze. Nie chcemy przecież, by zamiast "mocnej" jedynki albo zera procesor dostawał coś pośredniego.

Zanim jednak podłączymy komparator do fototranzystora, garść złych informacji i jedna taka sobie.

Po pierwsze komparatory nie są idealne. Nie da się zrobić tak symetrycznego układu, by nie miał błędów "przechylających" go w którąś stronę. Typowe komparatory cierpią na tzw. wejściowe napięcie niezrównoważenia, popularnie zwane offsetem. Jest to pewna odchyłka, jaką musimy podać na wejścia by wyjście komparatora było właśnie w stanie "niezdecydowania". Gdyby tego błędu nie było, to przecież zwarcie obu wejść ze sobą dawało by różnicę = zero a na wyjściu powinniśmy widzieć jakieś napięcie pośrednie między 0 a Vcc. Tak oczywiście nie jest. Na dodatek błąd ten jest przypadkowy zarówno co do wielkości jak i znaku. Jeden komparator będzie miał "zero" przesunięte o 1mV w stronę wejścia (+) a inny o 2.5mV stronę wejścia (-). Nie są to duże różnice, ale istnieją i trzeba o tym pamiętać. Oczywiście im lepszy (czytaj: droższy) komparator tym offset jest mniejszy. Naprawdę precyzyjne komparatory mogą zejść z błędem offsetu do poziomu mikrowoltów. Pamiętajmy również, że i wśród tych zwykłych może trafić się prawie idealny. Tu po prostu rozrzut jest większy ale to tylko statystyka. Zwykle też szybsze układy mają napięcia niezrównoważenia większe.

Właśnie: napisałem "szybsze". Komparatory mają niefajną cechę wydłużania czasu odpowiedzi przy zmniejszaniu przesterowania. Przesterowanie to nic innego jak właśnie różnica napięć wejściowych. Jeśli ustawimy ją na np. +0.5V (czyli powiedzmy podajemy 1.5V i 1.0V) a potem zmienimy różnicę nagle na -0.5V to komparator odpowie zmianą stanu wyjścia z 1 na 0 w swoim katalogowym czasie np. 2us. Ale gdy różnicę będziemy zmniejszać, to czas odpowiedzi będzie rósł i przy różnicy np. 10mV może już to być 10us a przy 1mV nawet i 50us. Na szczęście w konstrukcjach czujników, które stosujemy w robotach ani offset ani nawet pogarszająca się szybkość nie są problemem i w większości przypadków nie trzeba z tym walczyć.

Po trzecie komparatory mogą mieć ograniczony zakres napięć wejściowych - to chyba najważniejsza rzecz o jakiej należy pamiętać. Najczęściej stosowane na Forbocie podwójny LM393 lub poczwórny LM339 mają ten zakres ograniczony do Vcc-2V. Oznacza to, że zasilając taki komparator z 5V nie możemy pozwolić, by jego napięcie wejściowe przekroczyło 3V. Powyżej tego napięcia raczej krzywda żadna się nie stanie, ale stopień wejściowy na tranzystorach pnp przestaje działać poprawnie i producent nie gwarantuje działania całego komparatora.

Wiadomość ostatnia to to, że komparatory mogą mieć dwa rodzaje wyjść. Historycznie pierwsze były komparatory z wyjściem typu otwarty kolektor co dla nas oznacza tyle, że same z siebie potrafią wystawić na wyjście tylko stan niski. Żeby taki komparator wysłał nam jedynkę musimy mu pomóc opornikiem podciągającym do jakiegoś napięcia. Z jednej strony jest to wygodne, bo można np. zasilać komparator wprost z niestabilizowanego napięcia akumulatora 8V po to, by dobrze działał z sygnałami wejściowymi nawet 5V a opornik podciągający wyjście dać do 5V i zadowolić procesor zasilany właśnie takim napięciem. Z drugiej strony wyjście z opornikiem podciągającym jest niesymetryczne - stan niski jest "silny" a wysoki "słaby" co w pewnych zastosowaniach może być wadą. Oczywiście istnieje cała masa komparatorów z wyjściami tzw. totem-pole, czyli jednakowo sterującymi swoje wyjście zarówno do stanu wysokiego jak i niskiego.

OK, co daje zastosowanie komparatora w czujniku optycznym? Przede wszystkim możemy prawie dowolnie regulować sobie poziom odcięcia. Na jedno wejście komparatora podajemy zatem sygnał z czujnika a na drugie stałe napięcie odniesienia Vref pochodzące np. z potencjometru lub przetwornika C/A. Mamy zatem kolejny stopień swobody: oprócz zmiany jasności diody LED i zmiany czułości samego czujnika dostaliśmy jeszcze regulowany próg napięcia, przy którym następuje zmiana stanu logicznego podawanego do procesora.

Jak to wykorzystać oraz jakie (niestety) wady ma nasz nowy układ - o tym gdy..

CDN 🙂

[Treker (Damian Szymański)]

marek1707, Twoje niektóre posty zawierają więcej wiadomości niż kilka artykułów i stron razem wziętych. Może dużo osób nie udziela się w tym temacie, jednak na pewno sporo więcej czyta i wyciąga wnioski 🙂

[BlackJack]

Czyli w przypadku mojego procesora wyglądało by to tak ?

[marek1707]

BlacJack: tak, mając komparator w procesorze możesz tak to podłączyć. Widzę, że na wejście (+) możesz zapodać wyjście z DACa. Jeżeli nie wykorzystałeś go już do czegoś innego, to bardzo dobrze nada się do ustalania progu odcięcia komparatora i możesz zrezygnować z potencjometru 🙂

Wracając do przerwanego wątku: skoro wiemy już co nieco o fototranzystorach i komparatorach, to połączyliśmy jeden z drugim pewnie jakoś tak:

Vref - jak już pisałem - możemy wziąć np. z potencjometru. Jeżeli ustawimy go tak, by oddawał nam 1V a przed czujnikiem przesuniemy linię wyklejoną czarną taśmą na białej kartce to układ będzie działał mniej więcej tak:

Na powyższym wykresie napięcie oddawane przez czujnik na białym podłożu wynosi ok. 2V, czyli przez opornik 2.2k musiało wtedy płynąć coś około 1mA. To niemało ale jeśli pole widzenia jest dobrze oświetlone, to całkiem możliwe. Na czarnym nie płynie prawie nic (50uA?) i dostajemy ok. 100mV. Niezależnie od konkretnych napięć ważna jest idea: ustawiamy napięcie odniesienia mniej więcej w połowie między sygnałem "białym" a "czarnym". Do sprawdzenia tego potrzebny jest oczywiście multimetr i bez takiego choćby przyrządu zaczynanie zabawy z elektroniką raczej nie ma sensu. Na szczęście prosty sprzęt można kupić już poniżej 20zł, więc wymówki nie ma.

Czy to już wszystko? Jeszcze nie 🙂

Zapalamy w pokoju mocniejsze światło albo zza chmur wychodzi piękne, jesienne słońce. To na pewno fajny widok ale naszemu układowi wcale się nie spodoba. Jaśniejsze zrobiło się nie tylko białe podłoże ale i czarna taśma. Przy takim oświetleniu wszystkie napięcia oddawane przez czujnik jadą w górę i w końcu możemy dostać coś takiego:

Nawet przy najechaniu czujnikiem na linię, napięcie nie spada teraz poniżej 1V progu komparacji - nasz robot oślepł bo do procesora nie dochodzi nawet ślad obecności czarnej taśmy. W tej przykrej sytuacji rzucamy się do naszych skrzynek narzędziowych w poszukiwaniu jakiegoś małego wkrętaczka i próbujemy nerwowo ustawić nowy próg Vref taki, by znów komparator miał szansę odróżniać białe od czarnego. W sytuacji przedstawionej na wykresie powyżej widać, że jest to jeszcze możliwe. Wystarczy podkręcić Vref do poziomu ok. 2.5V i wszystko wraca do normy.

To był przypadek w którym sam czujnik, mimo przesunięcia tzw. punktu pracy nadal był w stanie prawidłowo przenieść nasz sygnał. Gdyby jednak ktoś chciał cieszyć się dużymi zmianami sygnału i przesadził z czułością (czyli dał za duży R1), to mógłby skończyć w takiej dziurze:

Tutaj, niezależnie od tego co znajduje się w polu widzenia fototranzystora pracuje on w nasyceniu. Napięcie nan nim spadło do ok. 0.5V ale większy prąd już nie może płynąć z powodu zbyt dużej wartości R1. Na nim to właśnie odłożyło się prawie cale Vcc i dostaliśmy z czujnika 4.5V. Dużo gorsze jest to, że w tym czymś wcale nie widać naszej czarnej linii. Bezpowrotnie straciliśmy tę informację i nawet najbardziej wymyślne algorytmy ani układy jej nie odzyskają. Wniosek z tego taki, że należy tak dobierać wartość opornika szeregowego, by czujnik mógł bez nasycenia przenieść wszystko to co przewidujemy, że może zobaczyć. Dopiero tak ustawiona czułość daje szansę, że gdzieś tam w sygnale odnajdziemy naszą linię, ścianę lub przeciwnika.

Skoro sprawę czułości mamy za sobą zastanówmy się, czy można coś poradzić na zwykłe oświetlenie i przesuwanie punktu pracy czujnika. Spróbujmy zastosować metodę BlackJacka: bierzemy drugi czujnik i ustawiamy go tak, by widział tylko oświetlenie zewnętrzne a nie odbite od czegoś promieniowanie naszej diody LED.

Mamy zatem teraz dwa fototranzystory, każdy z własnym opornikiem - możemy niezależnie regulować czułość jednego i drugiego. Wydaje się, że najlepiej byłoby dobrać czułości tak, by czujnik oświetlenia oddawał nam dokładnie tyle napięcia, o ile przesunął się punkt pracy czujnika linii. Wtedy po odjęciu dostalibyśmy czysty sygnał nadający się dla komparatora.

Cóż, dotarłem do miejsca, gdzie prezentowane układy przestają być trywialne a zaczynają być ciekawe. Żeby opisywać je na takim stopniu szczegółowości jak dotychczas, powinienem chyba przerzucić się na tworzenie kolejnego podręcznika elektroniki a tego bardzo nie chcę i zapewne nie umiem. Ograniczę się więc do prezentacji moich pomysłów i niezbędnego ich opisu.

Zacznijmy od sumowania sygnałów analogowych. Wykorzystamy do tego wzmacniacz operacyjny. Brzmi groźnie, chyba nawet bardziej niż komparator, ale każdy kto choć raz spróbował świadomie użyć tego elementu już nigdy nie zapomni o zaletach i łatwości jego stosowania.

Podobnie jak komparator, OA ma wejście nieodwracające (+) i odwracające (-). Zwiększanie napięcia na pierwszym powoduje wzrost napięcia na wyjściu a zwiększanie napięcia na drugim powoduje spadek na wyjściu. Czyli jak zwykle: ważna jest różnica napięć.

W jednej z konfiguracji OA (Operational Amplifier - tak go będę nazywał) służy do sumowania prądów. Układ na rysunku poniżej realizuje w czystej formie pierwsze prawo Kirchoffa w stosunku do węzła A. Żeby zrozumieć jak działa wystarczy wiedzieć, że OA nie pobiera prądu ze swoich wejść więc zostają nam tylko 4 druty: I1+I2+I3+Ifb=0

Jedyną istotną różnicą między układami z komparatorami a tymi na OA jest fakt, że wzmacniaczom nie pozwalamy na opieranie wyjścia o zasilanie lub masę. Dzięki odpowiednim sprzężeniom, OA pracuje zawsze w obszarze liniowym i dzięki temu dostajemy z niego coś więcej niż tylko stan niski lub wysoki - i całe szczęście. Zobaczmy zatem jak to działa. Na wejście (+) podałem pewne napięcie Ux a wzmacniacz odpowiedział takim ustawieniem wyjścia, by w punkcie A napięcie było takie samo. Dlaczego? Wszystko dzięki opornikowi tzw. ujemnego sprzężenia zwrotnego Rfb (R feedback). Łączy on wyjście OA z jego wejściem (-) więc jakakolwiek różnica napięć między wyjściem wzmacniacza a węzłem A spowoduje przepływ prądu przez Rfb i wywoła spadek napięcia na nim zgodnie z prawem Ohma. Ponieważ jednak na razie wszystkie prądy wejściowe I1=I2=I3=0, to żaden prąd przez Rfb nie płynie (bo nie miałby dokąd: wejście OA nie pobiera prądu więc jakby go nie było) i spadek napięcia na nim jest zerowy. Co więcej: gdyby cokolwiek zakłóciło poziom napięcia w węźle A to wzmacniacz zrobi wszystko, by tę odchyłkę zniwelować. A wszystko co może zrobić, to machać wyjściem w górę lub w dół - zależy od kierunku zaburzenia. No to spróbujmy: wpuszczamy do węzła A prąd In1=100uA. Zmiana taka spowoduje, że napięcie w punkcie A będzie chciało wzrosnąć ale przecież OA ma wzmocnienie bardzo duże. W takich analizach można uznać, że praktycznie nieskończone. Wejście jest odwracające czyli wzrost powoduje spadek napięcia wyjściowego. Napięcie wyjściowe spadnie dokładnie o tyle, by Rfb "wyssał" nadmiarowy prąd z węzła A. O ile? Łatwo policzyć: 100uA * 10k = 1V. Napięcie na wyjściu spadnie o 1V w stosunku do "zerowych" 2V panujących w warunkach ustalonych. Jeżeli prąd z węzła będziemy wyciągać (będzie wypływał na zewnątrz), to wzmacniacz swoje wyjście podniesie powyżej 2V by pokryć ubytek. W praktyce można pamiętać zasadę, że w prawidłowo zaprojektowanym liniowym układzie ze wzmacniaczem operacyjnym napięcie między jego wejściami jest zawsze równe zero.

Jasne już chyba jest, że OA zamienia nam sumę prądów In1+In2+In3 na prąd Ifb czyli pośrednio na napięcie na Rfb. Wykorzystajmy to w praktyce i podłączmy do węzła A kilka ciekawych rzeczy.

Po pierwsze dajmy tam fototranzystor. Ten będzie naprawdę zadowolony z nowych warunków pracy a to dlatego, że będzie miał stałe napięcie Uce=2V. Jako drugi podłączmy prosty potencjometr. Jeśli ustawimy na nim wcześniej 2V, to jego dołączenie niczego nie zmieni, bo żaden prąd nie będzie w jego stronę płynął ani był przez niego "wysysany". Trzecie wejście zostawimy sobie na deser:

Załóżmy, że jest kompletna ciemność i przez fototranzystor nie płynie nawet 1uA prądu a potencjometr ustawiliśmy tak, by jego 2V kompletnie nie dodawały żadnego prądu do/z węzła A.

Mamy sytuację początkową, gdzie napięcie na wyjściu OA wynosi 2V. Zaczynamy świecić, prąd tranzystora rośnie a z węzłą A zaczyna wypływać prąd. Wzmacniacz zasypuje ten brak podnoszeniem napięcia na wyjściu i - hurra, mamy to co poprzednio z jednym opornikiem R1 za 5 groszy? No, nie tylko. Zobaczmy co się stanie, gdy zaczniemy kręcić potencjometrem. Możemy prąd do węzła sumacyjnego wpuszczać (gdy suwak będziemy przesuwać w górę schematu) co obniży napięcie na wyjściu, lub prąd wyciągać (suwak w dół), co napięcie podniesie. Zauważcie, że ta regulacja przesuwa sygnał z fototranzystora w górę i w dół i jest to zupełnie niezależne od pracy samego czujnika. Nie skalujemy jego wyjścia czyli nie zmniejszamy amplitudy sygnału użytecznego. Fototranzystor widzi tylko swoje 2V na kolektorze i nie obchodzą go inne prądy kłębiące się w obcych doprowadzeniach do węzła A. Możemy więc ustawić sobie zupełnie dowolnie pewien początkowy poziom napięcia na wyjściu, zacząć bawić się fototranzystorem a jeszcze mamy w zanadrzu jeden drut wyciągnięty z węzła A w zapasie. Ten niepozorny kabelek posłuży nam do automatycznej regulacji poziomu napięcia wyjściowego z OA i podawanego dalej na komparator gdy..

CDN 🙂

[marek1707]

Ojej, mam nadzieję, że nie zrezygnowaliście z czytania i że powyższe wpisy nie stały się waszą lekturą do snu 🙂

Omawiając problem odejmowania sygnałów doszliśmy ostatnio do wzmacniacza sumującego (ze znakiem) prądy, który twardo trzymając napięcie w węźle sumacyjnym pozwalał na odseparowanie źródeł od siebie i zamianę prądu na napięcie. Do pełni szczęścia brakuje nam jeszcze czujnika oświetlenia. Wykorzystam tutaj tę samą konfigurację OA, bo cóż w dzisiejszych czasach znaczy jeden wzmacniacz więcej?

Układ ten "za darmo" robi nam pewną bardzo ważną rzecz. Otóż jeśli na wejście (+) dostanie takie samo napięcie co czujnik linii (tutaj: 2V), to na wyjściu wzmacniacza również dostaniemy to samo. To z kolei oznacza, że w zupełnej ciemności, gdy fototranzystor nie będzie wysysał żadnego prądu, na wyjściu będzie dokładnie tyle ile potrzeba by nie zaburzać równowagi we wzmacniaczu czujnika linii. Nie musimy niczego kalibrować itd. Jeżeli jednak jakieś światełko w tunelu się pojawi, Ic zrobi się > 0, to samo popłynie przez Rfb i na wyjściu wzmacniacza napięcie wzrośnie. Wyjście wzmacnaicza jest źródłem napięciowym tzn. będzie trzymało swój potencjał niezależnie od prądu zeń pobieranego a to niedobrze. Stopnień czujnika linii ma bowiem wejście prądowe. Na szczęście nie trzeba wiele kombinować: korzystając z tego, że węzeł sumacyjny ma stały potencjał wystarczy wstawić rezystor szeregowy a prąd w nim płynący będzie wprost proporcjonalny do różnicy napięć.

Mamy więc sytuację taką: jeden czujnik otoczenia - ten na powyższym rysunku - oddaje napięcie Uo = 2V+(Ic*Rfb). Przy Ic=0 jest ono równe 2V. Wyjście tego wzmacnaicza podłączamy przez rezystor do węzła sumacyjnego czujnika linii. Jeżeli chcemy miec wpływ na każdy czujnik linii osobno, każdy musi dostać osobny potencjometr:

Regulacje całości zaczynamy od Rfb we wzmacniaczu czujnika otoczenia. Zmieniamy nim czułość mierząc napięcie na wyjściu OA, umieszczając czujnik w różnych położeniach i zapalając różne światła w pokoju. Wszystko po to, by nie dopuścić do nasycenia tranzystora i wzmacniacza.

W zależności od typu użytego OA będziemy dysponować różnymi zakresami napięć wyjściowych. Jedne pracują np. tylko do Vcc-1.5 a inne potrafią na wyjściu dociągnąć praktycznie do swojego Vcc. Trzeba to każdorazowo sprawdzić w danych katalogowych i jest to zupełnie niezależne od zakresu napięć wejściowych, o któych pisałem wcześniej. Dzisiaj już tłumaczenie względami ekonomicznymi ("A bo był tani to wziąłem") raczej nie ma sensu. Istnieją całkiem fajne i niedrogie wzmacniacze typu RRIO (Rail-to-rail In/Out), które jak sama nazwa wskazuje radzą sobie z sygnałami o pełnym zakresie GND-Vcc zarówno na wejściu jak i na wyjściu.

Załóżmy jednak, że ktoś ma nieprzebrane zasoby LM324 i bardzo daleko do sklepu. Przy zasilaniu tego wzmacniacza z 5V musimy liczyć się z tym, że nie dostaniemy na wyjściu więcej jak 3.5V. Trudno, musi wystarczyć. Jeśli utrzymamy napięcie węzła sumacyjnego na 2V, to mamy jedynie 1.5V zakresu zmian na wyjściu i w tym musimy się zmieścić przy regulacji czułości. Zakładając, że w najgorszych waunkach nasz fotranzystor zrobi sobie np. Ic=800uA, to nasz Rfb=1.5V/800uA czyli 1.8k. Wtedy na wyjściu dostaniemy Uo=3.5V. Fajnie, mamy już źródło sygnału jaki będziemy odejmować od czujników linii.

Następne, nie podłączając jeszcze właśnie skalibrowanego czujnika otoczenia do czujników linii musimy odpowiednio ustawić czułość tych ostatnich. Zaczynamy od potencjometrów regulujących położenie punktu pracy, czyli zmieniających wyjściowe napięcie wzmacniacza w ciemności. W tym celu możemy odłączyć fototranzystory lub tak je pochować, by zrobić im czarną dziurę. Ponieważ LM324 całkiem dobrze radzi sobie na wyjściu z niskim napięciami, możemy wszystkim ustawić np. 200mV. Dołączamy fototranzystory, te zaczynają wysysać ze swoich węzłów prąd, więc napięcia na wyjściach wzmacniaczy rosną. Teraz naszym zadaniem jest kręcić ich Rfb tak, by potrafiły przenieść wszystko bez nasycania. Wszystko, czyli najgorszy przypadek: białe podłoże plus najjaśniejsze oświetlenie przy którym robot ma jeszcze jeździć. Oczywistym jest, że pod podwozie powinno się go dostawać jak najmniej ale zupełne stłumienie może być bardzo trudne. Coś będzie "przeciekać" przez szczeliny z boku, coś przez samo PCB itd. Obserwując napięcia na wyjściach wzmacniaczy i regulując Rfb doprowadzamy do sytuacji, w której żaden z czujników nie dojeżdża zbyt blisko 3.5V. Dla pewności możemy sprawdzić, czy najechanie na czarną linię coś w ogóle zmienia 🙂 Moim zdaniem różnica mniejsza niż 200-300mV będzie oznaczać jakiś problem w założeniach lub w konstrukcji czujnika. W założeniach, jeśli wymyśliliśmy sobie zbyt duży zakres światła z otoczenia. Wtedy nasz sygnał z linii po prostu w nim ginie i może być zbyt mały do prawidłowego odtworzenia go w kompratorze. Możemy jasniej świecić diodą LED - wtedy lepiej sygnał linii "wydobędziemy" z ogólnego oświetlenia (które względnie przygaśnie) lub tak zmienić konstrukcję czujnika by lepiej widział światło LED odbite od trasy niż to stałe, które przychodzi z zewnątrz. Czarne rurki termokurczliwe, zabudowanie boków podwozia itp. Jeżeli jednak amplituda sygnału z linii jest wystarczająca, dalej jest już prosto.

Podłączamy czujnik otoczenia przez osobne potencjometry do węzłów sumacyjnych wzmacniaczy linii. Stawiamy robota na jasnym podłożu, unieruchamiamy i włączamy diody LED. Sytuacja będzie opanowana, gdy uda nam się tak ustawić potencjometr danego czujnika, by napięcie na wyjściu jego wzmacniacza nie zmieniało się podczas zmian oświetlenia. Jeśli napięcie rośnie to znaczy, że opornik jest za duży i za mało prądu z czujnika otoczenia wchodzi do węzła. Jeśli napięcie maleje to znaczy, że przesadziliśmy i zbyt dużo prądu otoczenia "zasypuje" węzeł czujnika. W szczwególnym przypadku, gdyby czyjnik otoczenia widział dokładnie to samo światło rozproszone co czujnik linii, to tyle samo sygnału zakłóceń dostaniemy z jednego jak i z drugiego czujnika a to oznacza, że potencjometr szeregowy powinien mieć taką samą wartość jak Rfb czujnika otoczenia. Twedy przez oba będzie płynął ten sam prąd: jeden do węzła czujnika otoczenia, drugi do węzła czujnika linii. Ponieważ oba węzły są na tym samym potencjale to i prądy będą równe.

Cóż, układ wyszedł trochę większy niż zwykle widzę tu na schematach ale i możliwości ma niezłe. Gdyby ktoś miał ochotę pobawić się czymś podobnym, niech pyta o szczegóły. Dopóki nie wnikamy w zjawiska dynamiczne lub szczegóły dotyczące prądów polaryzacji czy stabilności termicznej, liczenie czegoś takiego sprowadza się do czterech działań i paru prostych praw fizyki, prawda? 🙂

Gdy teraz czytam co napisałem widzę, że zostały tu jeszcze pewne ważne a nie omówione wcześniej szczegóły. O nich oraz o tym jak zacząć odróżniać sygnał nasz od obcego w sytuacji braku osobnego czujnika zakłóceń opowiem gdy..

CDN 🙂

[marek1707]

Hm, jakoś tak wątek zdechł..

No nic, korzystając z chwili czasu zkleciłem układzik opisany powyżej.

Z typowego LM324 🙂 wykorzystałem dwa wzmacniacze zasilane z 5V. Rezystorowy dzielnik napięcia 43k/22k robi mi napięcie odniesienia 1.7V podane na wejścia (+) obu wzmacniaczy. Dwa fototranzystory L-93DP3C podłączone do wejść (-) są czujnikami. Jeden trasy, drugi oświetlenia. Wzmacniacz czujnika trasy dostał Rfb=10k a temu od otoczenia wystarczyło sprzężenie zwrotne przez 2.2k. Wyjście czujnika otoczenia połączyłem z węzłem czujnika trasy trymerem wieloobrotowym 5k. Białą kartkę z wyklejonym kawałkiem czarnej taśmy oświetliłem LEDem podczerwonym LD271.

Wszystkie elementy optoelektroniczne dostały czarne koszulki termokurczliwe ale ich nie podgrzewałem, wystarczyło samo nasunięcie.

Całość została zmontowana na małej płyteczce uniwersalnej i zawieszona ok. 8 cm nad podłożem, oczywiście fototranzystorami w dół 🙂 Przeprowadziłem opisaną procedurę kalibracji a potem zacząłem się bawić. Różnica napięcia otrzymywanego z czujnika między białą kartką a czarną taśmą wynosiła ok. 400mV co jest zupełnie wystarczające do pracy komparatora (którego już nie zrobiłem). Wszystko odbywało w deszczowe popołudnie więc było raczej szaro, ciemno i smutno. Po zapaleniu lampy biurkowej czujnik zwariował i oddawał głównie wielkie 100Hz z zasilanej z sieci żarówki. Gdzieś tam na tym tle był sygnał z linii ale zakłócenia sieciowe nie dawały szans na jego prawidłowe odtworzenie. Nie mówiąc już o 1.5V przesunięciu w górę składowej stałej. Żaden komparator by tego nie łyknął. Pokręciłem trymerem i.. wszystko jak ręką odjął 🙂 Zniknęło 100Hz, zniknęło przesuwanie punktu pracy itd. a sygnał z czarnej linii stał jak wmurowany. Mogłem dowolnie zapalać i gasić żyrandol, oddalać i przybliżać lampę na biurku i dopiero bezpośrednie trafienie żarówą 100W (już chyba zabronioną) pokonało mój zestaw. Takich warunków jednak chyba raczej nikt nie przewiduje pod podwoziem LFa więc raczej jestem spokojny o działanie w mniej drastycznych sytuacjach.

Wsiadłem więc na rower i z radości zrobiłem ze 30km dodatkowo 🙂 Ech, jesień idzie.