معماری
خانه / آموزش مجازی / رباتیک / دوره آموزشی ربات مسیریاب / جلسه LF,2.2 : سنسور مادون قرمز و کاربرد آن در ربات مسیریاب

جلسه LF,2.2 : سنسور مادون قرمز و کاربرد آن در ربات مسیریاب

دوره آموزشی ربات مسیریاب ، فصل ۲ : قطعات ربات مسیریاب ، جلسه ۲ : سنسور مادون قرمز و کاربرد آن در ربات مسیریاب

در الکترونیک یکی از قطعات مهم و پرکاربرد که ساختاری ساده نیز دارد سنسور می باشد. برای اینکه از نحوه ی کار یک سنسور حضور ذهن پیدا کنید باید بگوییم که اساس کار کنترل تلویزیون با سنسور صورت می گیرد. در جلوی کنترل ها یک سنسور قرار گرفته که فرستنده می باشد در داخل تلویزیون نیز سنسور گیرنده تعبیه شده است. در برخی از کنترل ها این سنسور در قسمت جلویی کنترل قابل مشاهده است اما در برخی دیگر سنسور در داخل کنترل قرار دارد و مشاهده نمیشود.وقتی شما دکمه ای را فشار می دهید مدار موجود در داخل کنترل تلویزیون یک سیگنال را به سنسور فرستنده ارسال میکند و سنسور فرستنده نیز این سیگنال را به شکل نور مادون قرمز که با چشم معمولی قابل دیدن نیست به سمت تلویزیون ارسال می کند(البته اگر سر کنترل را به طرف تلویزیون گرفته باشید). سنسور گیرنده در داخل تلویزیون نیز این سیگنال را دریافت کرده و مطابق دستوری که داده اید عمل می کند.

سنسور ها انواع گوناگونی دارند. یکی از انواع سنسور ها سنسور نوری می باشد که خود به چند دسته تقسیم می شود. ما در این قسمت قصد داریم شما را با نحوه ی کار سنسور های مادون قرمز که یکی از انواع سنسور های نوری می باشد آشنا کنیم. همچنین با کاربرد آن در ساخت ربات مسیریاب نیز به طور کامل اشنا خواهیم شد. سنسور های مادون قرمز که یک جفت به صورت سنسور گیرنده و فرستنده هستند به شکل زیر می باشند:

سنسور مادون قرمز

سنسور سیاه رنگ گیرنده و سفید رنگ فرستنده می باشد. همانطور که مشاهده می کنید سنسور سفید شبیه همان LED معمولی می باشد با این تفاوت که در LED های معمولی نور ایجاد شده مادون قرمز نیست و برای ما قابل مشاهده است اما در این سنسورها نور مادن قرمز ساطع میشود که با چشم قابل مشاهده نیست. باید بدانید که LED ها جزو عناصر دو طرفه هستند، یعنی دارای یک پایه ی مثبت و یک پایه ی منفی می باشند که همیشه پایه ی بلندتر مثبت و پایه ی کوتاه تر منفی می باشد. در همینجا متذکر می شویم که چند مدل مختلف سنسور مادون قرمز داریم که بعضی از ان ها را در شکل زیر به همراه نام ان ها مشاهده میکنید:

 

اگر دقت کنید متوجه می شوید که تفاوت این سنسور ها با سنسور مادون قرمزی که ما قرار است در ربات خود استفاده کنیم این است که در سنسور های ما سنسور گیرنده و فرستنده جدا از هم هستند و ما در هنگام ساخت ربات ان ها را به صورت جفت در کنار هم به کار خواهیم برد اما در سنسور های TCRT5000 و CNY70 سنسور گیرنده و فرستنده به صورت پک شده به هم متصل هستند. به خاطر صرفه ی اقتصادی و کاربرد راحت تر ما از سنسور های مادون قرمز معمولی در ساخت ربات خود استفاده خواهیم کرد.

در فصل قبل یک دید کلی نسبت به ربات مسیریاب و نحوه ی کار آن پیدا کردید. همانطور که از نامش پیداست هدف ما ساخت رباتی است که بتواند یک مسیر را دنبال کند. البته با توجه به سنسوری که در ربات به کار می رود این مسیر باید توسط خطوط رنگی مشخص شود که معمولا ربات ها در زمینه سفید و با خطوط سیاه حرکت می کنند. اما سوال اینجاست که چه کار باید کرد تا ربات بتواند یک مسیر را دنبال کند؟ پاسخ کلی این است که ابتدا ربات باید بتواند مسیر را تشخیص دهد. اگر ربات بتواند رنگ های سیاه و سفید را از هم تشخیص دهد آن وقت میتواند مسیر سیاه را دنبال کند. ما در ربات مسیریاب از سنسور های مادون قرمز برای تشخیص سطح سیاه و سفید استفاده خواهیم کرد. سنسور های مادون قرمز وقتی کارایی دارند که به صورت جفت به کار بروند. یکی از سنسور ها همیشه فرستنده و دیگری گیرنده می باشد. حال نحوه ی کار یک جفت سنسور را به این شکل شرح می دهیم:

فرض کنید یک جفت سنسور مادون قرمز در مقابل سطحی قرار دارد. سنسور فرستنده نور مادون قرمز را میفرستد. نور به سطح برخورد می کند اگر سطح ما سفید رنگ باشد بیشتر نور مادون قرمزی را که به ان برخورد کرده بازتاب می کند، نور بازتاب شده به طرف سنسور گیرنده باز می گردد و سنسور گیرنده با توجه به شدت نور مادون قرمز بازتاب شده باعث انجام عملی می شود که ربات از روی ان عمل متوجه می شود که سطح سفید رنگ است. گفتیم سنسور گیرنده باعث انجام یک عمل می شود اما این عمل چیست؟ یعنی سنسور گیرنده چه کار می کند که ربات سطح سیاه و سفید را از هم تشخیص می دهد؟ این عمل به یک ویژگی خاص سنسور گیرنده مرتبط می شود که چون ما در این بند به طور مختصر نحوه ی کار سنسور ها را توضیح می دادیم از گفتن این ویژگی خودداری کردیم اما در ادامه به شرح کامل این موضوع خواهیم پرداخت.

اگر نور مادون قرمزی که سنسور گیرنده دریافت می کند کم باشد مقاومت آن زیاد خواهد بود (چیزی حدود ۱۰۰ کیلو اهم) و در مدار مانند یک کلید باز عمل می کند ولی اگر نور مادون قرمزی دریافت می کند زیاد باشد مقاومتش بسیار کم شده و در مدار مانند یک کلید بسته عمل خواهد کرد. این همان ویژگی ای است که در موردش صحبت کردیم. در ادامه ی مطالب به کاربرد این ویژگی خواهیم رسید.

مدار شکل زیر را در نظر بگیرید:

 

 

مدار شکل شماره ی ۱ مدار فعالسازی سنسور فرستنده است که از یک سر به VCC (ولتاژ ۵ ولت) و از طرف دیگر به GND یا همان زمین(ولتاژ منفی یا صفر) وصل شده است. مقاومت ۳۳۰ اهم هم به این دلیل قرار گرفته که جریان را کاهش دهد چون اختلاف پتانسیل ۵ ولت برای سنسور فرستنده زیاد است و به ان اسیب می زند با گذاشتن این مقاومت اختلاف پتانسیل دو سر سنسور را کاهش می دهیم.

شکل شماره ی ۲ مدار سنسور گیرنده را نشان می دهد که اگر دقت کنید سنسور گیرنده در مدار در مقایسه با مدار سنسور فرستنده به صورت بالعکس قرار گرفته است که دلیل این کار بهره گیری از همان ویژگی خاص سنسور گیرنده می باشد.

حال به نحوه ی کار سنسور گیرنده توجه کنید:

اگر نور مادون قرمزی که سنسور گیرنده دریافت می کند زیاد باشد مقاومت ان در حد صفر خواهد بود و کل جریان ورودی از VCC، از ان عبور می کند.

حال اگر نور مادون قرمزی که سنسور گیرنده دریافت می کند کم باشد مقاومت ان در برابر جریان بسیار زیاد خواهد بود(در حدود ۱۰۰ کیلو اهم) بطوریکه اجازه نمی دهد جریانی که از VCC وارد شده از ان عبور کند. به همین علت وقتی جریان به نقطه ای که با ستاره مشخص شده می رسد، مقدار اعظمی از ان از نقطه ی OUT خارج می شود و فقط مقدار بسیار اندکی که قابل چشم پوشی است از سنسور گیرنده عبور کرده به زمین تخلیه می شود. اما دقت کنید که در این حالت ولتاژ نقطه ی OUT  پنج ولت نخواهد بود زیرا در مسیر جریان درست زیر VCC یک مقاومت قرار گرفته که به عنوان یک مصرف کننده باعث می شود ولتاژ نقطه ی خروجی یا همان OUT کمتر از ۵ ولت باشد. ما در اینجا چون از مقاومت ۴٫۷ کیلو اهم استفاده کردیم ولتاژ نقطه ی خروجی چیزی حدود ۴ ولت خواهد بود. اما شاید برای شما سوال پیش بیاید که اصلا چرا باید در مدار سنسور گیرنده مقاومت قرار دهیم؟ در پاسخ به این سوال باید دوباره حالت اول را در نظر بگیرید یعنی فرض کنید نور مادون قرمز دریافتی توسط سنسور گیرنده زیاد باشد. گفتیم که در این حالت مقاوت سنسور گیرنده در حد صفر می شود حال اگر این مقاومت ۴٫۷ کیلو اهم در مسیر جریان قرار نگرفته باشد تمام جریانی که از VCC وارد شده بدون اینکه مصرف شود به طور مستقیم از GND خارج شده و باعث می شود که اختلاف پتانسیل دو نقطه ی VCC و GND یکی شود در این حالت (که به اصطلاح می گویند مدار اتصال کوتاه شده) کل مدار ما قطع می شود و از کار می افتد. پس با قرار دادن یک مقاومت نسبتا بالا به عنوان مصرف کننده در مسیر جریان باعث ایجاد اختلاف پتانسیل بین دو نقطه ی VCC و GND می شویم تا مدار ما قطع نشود. (به کلیه ی عملیات سنسور گیرنده در این دو حالت که در دو بند اخیر توضیح داده شد اصطلاحا PULL UP گفته می شود، برای اشنایی بیشتر عبارت PULL UP را در همین سایت جست و جو کنید). اما این کارکرد چگونه سیاه و سفید بودن سطح را مشخص خواهد کرد؟ در پاسخ به این سوال ابتدا باید به این ویژگی رنگ سیاه و سفید اشاره کرد که رنگ سفید همواره بیشتر نور مادون قرمزی را که به ان تابش می شود، بازتاب خواهد کرد و رنگ سیاه چون قدرت جذب بالایی دارد بیشتر نور مادون قرمز تابشی را جذب کرده و تنها مقدار اندکی را بازتاب می کند. کمی پیش گفتیم که سنسور گیرنده با توجه به مقدار نوری که دریافت می کند باعث انجام عملی میشود که ربات از روی ان عمل به سیاه و سفید بودن سطح پی ببرد. حال به شرح این عمل می پردازیم:

وقتی سطح سفید باشد سنسور گیرنده نور زیادی دریافت می کند، پس مقاومت ان بسیار کم شده و ولتاژ نقطه ی خروجی در حدود ۰ ولت می شود و وقتی این ۰ ولت به مغز ربات یا همان میکروکنترولر (برای آشنایی کامل با میکروکنترلر آموزش “میکروکنترلر چیست” را مطالعه کنید) می رسد، ربات در می یابد که سطح سفید رنگ است. حال اگر سطح سیاه رنگ باشد، نور مادون قرمز بازتاب شده بسیار کم بوده و این باعث می شود که مقاومت سنسور گیرنده بسیار زیاد شود و اجازه ی عبور جریان وارد شده از VCC را ندهد؛ در این حالت ولتاژ نقطه ی خروجی تقریبا ۴ ولت می شود و وقتی این ۴ ولت به میکرو کنترولر می رسد ربات در می یابد که سطحی که سنسور جلوی ان قرار گرفته سیاه است.

برای اینکه کاملا بر نحوه ی عملکرد سنسور گیرنده و فرستنده اگاه شوید ازمایش زیر را طراحی کرده ایم. به مدار شکل زیر توجه کنید:

به مدار یک جفت سنسور مادون قرمز و یک LED نور مرئی وصل کرده ایم. VCC یک منبع ولتاژ در حدود ۵ ولت می باشد. GND یا زمین هم ولتاژ صفر دارد. حال مطالبی که کمی پیش در مورد ان ها صحبت کردیم را با این مدار ساده تست می کنیم.

با توجه به مطالبی که گفته شد می دانیم که اگر جفت سنسور های ما در برابر یک سطح سیاه قرار بگیرند ولتاژ نقطه ی خروجی ۰ ولت خواهد بود که یک سر لامپ LED به ان وصل است. سر دیگر لامپ LED هم به زمین با ولتاژ صفر وصل می باشد پس در کل اختلاف پتانسیل دو سر لامپ نیز همان ۰ ولت خواهد بود و لامپ روشن نخواهد شد. ولی اگر مدار بالا را رو به روی یک سطح سیاه قرار دهیم ولتاژ نقطه ی خروجی ۴ ولت می شود و چون سر دیگر لامپ LED به زمین با ولتاژ صفر متصل است در کل اختلاف پتانسیل دو سر لامپ ۴ ولت می شود و لامپ روشن خواهد شد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

قالب وردپرس