Infracrveni senzori daljine

Infracrveni senzori koriste infracrvene zrake za detekciju predmeta u okruženju i izvora toplote. Princip merenja udaljenosti do objekta se zasniva na merenju upadnog ugla reflektovanog infracrvenog zraka. Postoje analogni i digitali senzori. Analogni senzori na izlazu daju kontinualan napon u zavisnosti od daljine objekata, dok digitalni imaju u sebi A/D konvertor koji konvertuje analogni signal u digitalni i tako je lakše prilagodljiv mikrokontrolerima.

  Primer digitalnog infracrvenog senzora je GP2Y0D02YK. Služi za detekciju prisutnosti nekog objekta. Opseg detekcije je od 20 do 150cm. Na slici 1. prikazan je jedan način povezivanja senzora sa mikrokontrolerom.

Slika 1. Kolo digitalnog infracrvenog senzora

  Tranzistor Q1 predstavlja izlazni tranzistor u senzoru. Otpornik R3 od 10k je pull-up otpornik. Tačka A predstavlja izlaz iz IC senzora.  Naime, kada  senzor detektuje neki objekat izlazni tranzistor u kolu senzora se koči. Zbog toga provede tranzistor Q2 i led dioda provede i zasvetli. Tada je u tački  A otprilike 3,5 V što je dovoljno za logičku jedinicu mikrokontroleru. Kada objekat nije detektovan, odnosno infracrveni zrak nije prekinut,  Q1 je provodan i tačka A je spojena na masu.

  Primer analognog senzora je GP2D120. Ovaj senzor detektuje predmete na udaljenosti od 4 do 30cm. Pošto je izlazni signal senzora analogan, da bi se iskoristilo njegovo merenje, potrebno je da se njegov izlaz veže na ulaz nekog AD konvertora. Na slici 2. prikazana je sprega infracrvenog senzora, A/D konvertora i mikrokontrolera.

   Primenjen je A/D konvertor ADC0804LCN. Analogni napon sa infracrvenog senzora se dovede na pin 6 AD konvertora, a osmobitni izlaz AD konvertora se prosleđuje mikrokontroleru na port 0, pinovi 11 – 18. Otpornik od 10k i kondenzator od 120pF služe kao generator clock-a. Kondenzator od 10μF je filtarski kondenzator. Ovaj AD konvertor može da radi sa ulaznim analognim naponom od 0V do 5V, pri asimetričnom napajanju od 5V. LSB bit ima vrednost od 19,53mV, ako je na pin Vref/2  priključeno 2,5V. Konverzija počinje kada se signal na pinu 3, odnosno napon, promeni sa niskog na visok, a dotle je konvertor resetovan. Tu promenu, kao što se vidi na slici 12.1.,  izaziva mikrokontroler i tada počinje konverzija. Pošto su Cs i Rd  konstantno na logičkoj nuli izlaz od 8 bita ka mikrokontroleru je stalno aktivan, odnosno podaci sa AD konvertora su dostupni mikrokontroleru u svakom trenutku.

  Drugi način povezivanja infracrvenog senzora je pomoću elektronskog kola koje konvertuje izlazni napon senzora u vreme, odnosno korišćenjem komparatora dobijamo na izlazu impulsni signal čije dužine trajanja impulasa nam govore o udaljenosti predmeta od senzora.

  Izlazna karakteristika infracrvenog senzora  GP2D120 prikazana je na slici 3.

  Slika 3. Izlazna karakteristika koja pokazuje zavisnost izlaznog analognog napona od udaljenosti

  Sa karakteristike (Slika 3.) se vidi da u delu od 4cm do 40cm senzor ima približno karakteristiku oblika  1/x. Da bi se odavde dobila linearna karakteristika potrebno je da se na neki način dobije recipročna vrednost izlaznog napona. Jedan od načina realizacije je upotreba konvertora napona u struju U/I. Električna šema jedne od realizacija konvertora je na slici 4. Naime, ako je napon sa izlaza senzora, Vin, viši biće veća i struja I koja puni kondezator C1,  pa će se on brže puniti. To znači da je vreme punjenja kondezatora C1 kraće (slika 4.). Znači za veći napon kraće je vreme punjenja kondezatora, što nam je recipročnua vrednost.

  Slika 4. Električna šema konvertora daljine u vreme

  Polazi se od startnog A/D konvertora sa jednostrukim nagibom (treba nam konvertor napona u vreme), odnosno sa dva praga komparacije (slika 5.). Problem kod njega je taj što pri početku konverzije setuje se flip flop, koji unosi malo kašnjenje, dok komparator unosi značajno kašnjenje i to izaziva grešku. Zato se često  koristi modifikovana metoda za merenje vremena, sa dva nagiba (slika 6.).

Slika 5. Metoda konvertora sa dva praga komparacije

  Slika 6. Metoda konvertora sa jednim pragom komparacije

  Merenjem trajanja pravougaonog impulsa, koji se dobija ako se izlazi komparatora dovedu na  ulaze EXILI kola, (kolo 74HC86), može da se izračuna nagib. Izlaz EXILI kola povezuje se sa mikrokontrolerom, tačnije sa njegovim ulazom za tajmer. Ideja je da se kondezator C1 (slika 4) puni konstantnom strujom koja je linearno srazmerna naponu sa senzora Vin, po ovoj jednačini I=KVin. K je neka konstanta srazmernosti između napona i struje, a Vin  je napon sa izlaza senzora. Vrednost kondezatora C1 će uticati na nagib, jer ona direktno utiče na brzinu punjenja istog.

  Pitanje je kako da se generiše ulazna struja punjenja kondezatora C1, I koja treba da bude srazmerna ulaznom naponu Vin. To  se ostvaruje upotrebom strujnog ogledala slika, koga čine tranzistori Q2, Q3 i otpornik R2 (Slika 4). Struju koja protiče kroz R2, strujno ogledalo “prebacuje” u kolektorsku granu Q3.

Važi:

Ako se pretpostavi da su tranzistori u strujnom ogledalu identični, sledi da je:

Zbog toga važi:

zahvaljujući velikom pojačanju tranzistora. Sa druge strane se izračunava:

  Pošto je pretpostavljeno da su naponi baza pnp i npn tranzistora isti po apsolutnoj vrednosti samo suprotni po znaku konačno važi da je:

   To je struja punjenja kondezatora C1. Takođe se dobija i temperaturna kompenzacija napona VBE2 i VEB1 jer se oni ponište. Prednost strujnog ogledala je da bez obzira šta na ulazu radimo da na izlazu imamo pun opseg izlaznog napona.

  Dodatni problem je što je ulazni napon tj. izlaz senzora Vin počinje već od vrednosti približno 0,2V (Slika 3.), Tako da pri tom naponu u slučaju da nema tranzistora Q1, tranzistor Q2 ne bi mogao da provede jer bi imao napon Vbe manji od praga provodjenja, koji iznosi približno 0,6V. Zbog toga bi Q2 bio zakočen pri niskom ulaznom naponu sa senzora i ne bi bilo preslikavanja  struje u drugoj grani. Tranzistor Q1, sa otpornikom R1 predstavlja emiterfolover, koji obezbeđuje veliku ulaznu impedansu kola i ujedno pomeranje nivoa signala naviše za –Vbe1. Zahvaljujući tome Q2 može da provodi i pri ulaznom naponu od 0,2V. Ovim je obezbeđeno da kolo koje je asimetrično napajano u odnosu na masu (postoji samo jedan izvor napajanja od +5V) može da obradi i ulazni signal skoro jednak nuli. Na otporniku R se onda dobija tačno napon Vin.
Tako se dobija linearna zavisnost vremena od udaljenosti. T predstavlja  vreme, a X udaljenost.

Na bazu Q1 dovede se izlaz sa senzora tj. napon Vin. Napon Vin se petvori u struju punjenja kondenzatoraC1. Punjenje kondenzatora C1 se kontroliše pomoću  tranzistora Q4 koji služi za pražnjenje kondenzatora C1, a rad Q4  kontroliše se sa mikrokonrolerom. Na bazu Q4 dovede se  signal sa mikrokontrolera. Kada je taj signal nizak Q4 vodi i tada treba da je u zasićenju. Time se osigurava da na kondezatoru C1, pa i na kolektoru Q3  napon u svakom ciklusu rada uvek počinje da se menja od iste vrednosti.

   Kolektorska struja tranzistora Q4 je relativno velika tako da će on brzo prazniti kondezator C1 u fazi vraćanja kola u osnovno stanje. Utrenutku kada signal  mikrokontrolera poraste na visoku vrednost Q4 prestaje da vodi i počinje konverzija ulaznog napona tj. C1 počinje da se puni strujom I. Ako se kao početni trenutak usvoji vreme kada signal sa mikrokontrolera skače na visoku vrednost, početak punjenja kondenzatora C1, napon Vlin je

odnosno

gde je, s obzirom na konstantnost struje I

promena napona na kondezatoru C1, sa usvojenim referentnim smerom za punjenje odozgo.

pa važi

Trenutak dostizanja neke vrednosti napona Vlin(t) je

Kada se C1 napuni na Vcc tj. 5V, Q3 odlazi u zasićenje. Za pun kondenzator u tački 6  vrednost napona Vlin je  približno 0.1V što je napon Vces. Kada se C1 prazni, napon Vlin u tački 6 će početi da raste tako da će on opet proći kroz pragove EXILI  kola, tada može da dođe do pojave kratkotrajnog  pravougaonog impulsa koji ne treba da se meri kao impuls pri konveziji. To će morati da se  izbegne softverski.
Tranzistor Q5 je emiterfolover, koji služi kao odvojni stepen. On odvaja struju punjenja kondenzatora C1 od razdelnika napona koga čine otpornici R5 i R6  (da oni ne bi kvarili struju I). Emiterfolover unosi pomeranje nivoa, ali ono ne utiče na rezultat. Loša osobina Q5 je njegova temperaturna zavisnost. Punjenjem kondenzatora C1, napon VLIN opada sve dok Q3 ne ode u saturaciju, tj. dok napon VLIN ne dostigne Vces3. Taj napon linearno opada, jer se kondenzator C1 puni  konstantnom strujom I. Opadanjem napona VLIN opadaju  i  naponi  Vlin1 i Vlin2  kao
što se vidi na karakteristici na slici 11.4. Napon  Vlin2 opada sa manjim nagibom od napona Vlin1 zbog otporničkog razdelnika napona koga čine R5 i R6.

Za Vlin1 (t1) = Vth  dobija se:

Zbog toga će napon Vlin1 prvi dostići prag, prvog EXILI kola (Koristi se 74HC86. To integralno kolo ima 4 ista EXILI kola u sebi. Između Vcc i mase vezuje se jedan kondezator od 47nF zbog filtriranja ulaznog napona). Zbog različitih vrednosti signala na ulazima prvog EXILI kola na njegovom izlazu će biti visok napon, odnosno na izlazu će se pojaviti logička jedinica. Kada napon Vlin2 u tački 8 dostigne prag EXILI kola, onda će zbog postojanja dve logičke jedinice na ulazu EXILI kola njegov izlaz postati nizak.

Takođe za Vlin2(t2) = Vth  dobija se t2. Dužina trajanja pravougaonog impulsa je:

Pretpostavi se da karakteristiku senzora možemo da pretstavimo u ovom obliku:

gde je L udaljenost merenog objekta od senzora, a Vsenzor je izlazni napon sa senzora. Tada očitavanjem sa grafika na slici 3. može da se odredi kolika je konstanta K.

  Drugo EXILI kolo služi za baferovanje. Naime posle prvog EXILI kola ne dobija se baš pravilan pravougaoni impuls, ivice nisu baš najbolje, a to je važno jer se njegov izlaz vodi na ‘’tajmer mikrokontrolera’’ koji reguje na opadajuću ivicu. Pošto je jedan ulaz drugog EXILI kola uzemljen on radi kao I kolo samo što pojača svoj ulazni signal, tako da se posle njega dobije lepo uobličen pravougaoni impuls. Trimerom od 100  kod otpornika R  od 680  može da se namešta trajanje dobijenog pravougaonog impulsa na izlazu drugog EXILI kola .