VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS

VYUŽITÍ SENZORŮ PRO MĚŘENÍ VZDÁLENOSTI JAKO ČIDLA PRO POČÍTÁNÍ OSOB

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE AUTHOR

BRNO 2013

MICHAL ENGEL

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS

VYUŽITÍ SENZORŮ PRO MĚŘENÍ VZDÁLENOSTI JAKO ČIDLA PRO POČÍTÁNÍ OSOB USING DISTANCE SENSORS AS SENSOR FOR PEOPLE COUNTING

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

MICHAL ENGEL

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2013

doc. Ing. VÍT NOVOTNÝ, Ph.D.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Teleinformatika Student: Ročník:

Michal Engel 3

ID: 125413 Akademický rok: 2012/2013

NÁZEV TÉMATU:

Využití senzorů pro měření vzdálenosti jako čidla pro počítání osob POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Seznamte se s fyzikálními principy využitelnými pro detekci přítomnosti a směru pohybu osob ve dveřních prostorech. Zaměřte se na techniky pro počítání osob procházející dveřním prostorem s využitím čidel pro měření vzdálenosti objektů od čidla. V závislosti na dostupném vybavení navrhněte testovací pracoviště, zkonstruujte přípravek a navrhněte software pro zpracování signálů z čidla / čidel. Proveďte řadu měření za různých podmínek, získaná data zpracujte a zhodnoťte dosažené výsledky. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] Passenger Counting Systems : A Synthesis of Transit Practice. San Diego, California : TRB, 2008. 74 s. [2] Ďaďo, S., Kreidl, M.: Senzory a měřicí obvody. Monografie, ČVUT, Praha, 1996 [3] Ludvík Bejček: Senzory neelektrických veličin. VUT v Brně, ČR, 2005. http://www.umel.feec.vutbr.cz/VIT/images/pdf/studijni_materialy/ing/Senzory_neelektrickych_velicin_S.p df Termín zadání:

11.2.2013

Termín odevzdání:

5.6.2013

Vedoucí práce: doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. Konzultanti bakalářské práce:

prof. Ing. Kamil Vrba, CSc. Předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

ABSTRAKT Předmětem této práce je využití senzorů na měření vzdálenosti pro počítání osob. Nejprve se zaměřuji na obecný popis a fyzikální principy optických senzorů a na jejich parametry. Poté se zaměřuji na obecný popis a fyzikální principy ultrazvukových senzorů a jejich parametrů. Následuje popis senzorů, které se dají použít k počítání osob. Následuje návrh měřícího pracoviště a jeho realizace. V poslední části se věnuji návrhu algoritmu pro zpracování naměřených hodnot.

KLÍČOVÁ SLOVA optické senzory, ultrazvukové senzory, počítání osob

ABSTRACT The subject of this work is the use of sensors to measure distance for counting people. First, I focus on the general description and physical principles of photo sensors and their parameters. Then I focus on the general description and physical principles ultrasonic sensors and their parameters. Follows discribe sensors which can be used for counting peoples. Followed by measuring workplace design and it is implementation. The last section is devolted to design algorithms for data processing.

KEYWORDS photo sensors, ultrasonic sensors, counting people

ENGEL, Michal Využití senzorů pro měření vzdálenosti jako čidla pro počítání osob: bakalářská práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav telekomunikací, 2013. 41 s. Vedoucí práce byl doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D.

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Využití senzorů pro měření vzdálenosti jako čidla pro počítání osob jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a/nebo majetkových a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení S 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon), ve znění pozdějších předpisů, včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb.

Brno

...............

.................................. (podpis autora)

PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce panu doc. Ing. Vítu Novotnému, Ph.D. za odborné vedení, konzultace, trpělivost a podnětné návrhy k práci. Rád bych také poděkoval panu Ing. Martinu Koutnému, Ph.D. za čas, který si na mě našel, a za poskytnutí optických senzorů a modelu dveřního prostoru k realizaci měření. Dále bych také rád poděkoval panu Ing. Radimu Čížovy, Ph.D. za poskytnutí měřící karty LabJack UE9.

Brno

...............

.................................. (podpis autora)

OBSAH Úvod

9

1 Senzor 10 1.1 Dělení senzorů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Parametry senzorů 11 2.1 Statické parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2 Dynamické parametry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.3 Prostředí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3 Optoelektronické senzory 3.1 Fyzikální princip . . . . . . . . 3.1.1 Vysílací zařízení . . . . . 3.1.2 Přijímací zařízení . . . . 3.2 Parametry optických senzorů . . 3.2.1 Směrová charakteristika 3.2.2 Výkonová rezerva . . . . 3.2.3 Kontrast . . . . . . . . . 3.2.4 Reakční doba senzoru . . 3.2.5 Výstupní signály . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

4 Ultrazvukové senzory 4.1 Fyzikální princip . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Ultrazvuk . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.2 Rychlost řízení zvuku ve vzduchu . . 4.1.3 Generování ultrazvuku . . . . . . . . 4.2 Parametry ultrazvukových senzorů . . . . . 4.2.1 Vyzařovací a snímací charakteristika 4.2.2 Hystereze snímání . . . . . . . . . . . 4.2.3 Rychlost přeběhu . . . . . . . . . . . 4.2.4 Reakční doba senzoru . . . . . . . . . 4.2.5 Úhel odklonu . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Výstupní signály . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

12 12 13 16 19 19 19 20 20 20

. . . . . . . . . . .

21 21 21 21 21 22 22 23 24 24 24 24

5 Senzory vhodné pro počítání osob 25 5.1 Optické senzory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 5.1.1 Reflexní závora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 5.1.2 Jednocestná závora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5.2

5.1.3 Reflexní senzor . . Ultrazvukové senzory . . . 5.2.1 Reflexní závora . . 5.2.2 Jednocestná závora 5.2.3 Reflexní senzor . .

6 Realizace měření 6.1 Použité senzory . . . . . . 6.2 Návrh přípravku . . . . . 6.2.1 Výpočet . . . . . . 6.2.2 Realizace přípravku

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

. . . .

. . . . .

25 26 26 26 27

. . . .

28 28 30 30 31

7 Vyhodnocení 32 7.1 Grafické vyhodnocení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 7.2 Návrh algoritmu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 8 Závěr

36

Literatura

37

9 Přílohy 9.1 Schéma zapojení přípravku . . . . . . . 9.2 Deska plošných spojů . . . . . . . . . . 9.3 Seznam součástek . . . . . . . . . . . . 9.4 Zdrojový kód k navrženému algoritmu

38 38 39 40 40

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

SEZNAM OBRÁZKŮ 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 4.1 4.2 4.3 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 7.1 7.2 7.3 9.1 9.2 9.3 9.4

Elektromagnetické spektrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Energetické schéma PN přechodu, stav bez proudu . . . . . . . Homogenní struktura polovodičového laseru . . . . . . . . . . . Jednoduchá heterogenní struktura laseru . . . . . . . . . . . . . Dvojitá heterogenní struktura laseru . . . . . . . . . . . . . . . Schéma neosvětleného PN přechodu . . . . . . . . . . . . . . . . Struktura PSD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Velikost osvětlené plochy nemá vliv na přesnost měření . . . . . Směrová charakteristika senzoru MD FQIH/00-0A [9] . . . . . . Průběh výkonové rezervy [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Provedení měničů (a–rovná membrána, b–prohnutá membrána) Příklad směrové vyzařovací charakteristiky . . . . . . . . . . . . Snímací charakteristika senzoru SICK UM18 [8] . . . . . . . . . Reflexní optický senzor SHARP . . . . . . . . . . . . . . . . . . Závislost výstupního napětí na vzdálenosti [10] . . . . . . . . . . Rozmístění senzorů v dveřním prostoru . . . . . . . . . . . . . . Dolní propust 2. řádu s jedním OZ zapojení Sallen–Key . . . . . Osazený přípravek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Průběhy výstupního napětí jednotlivých senzorů . . . . . . . . . Vývojoví diagram navrženého algoritmu (1.část) . . . . . . . . . Vývojoví diagram navrženého algoritmu (2.část) . . . . . . . . . Schema zapojení přípravku z filtry . . . . . . . . . . . . . . . . . Deska plošných spojů (Top) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deska plošných spojů (Bottom) . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deska plošných osazení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12 14 15 15 16 17 18 19 19 20 22 23 24 28 28 29 29 31 32 33 34 38 39 39 40

ÚVOD Tato bakalářská práce se zabývá fyzikálními principy a parametry senzorů pro měření vzdálenosti. A dále jejich možného využitím pro počítání osob a určení směru pohybu v dveřním prostoru. Jsou zde uvedeny fyzikální principy a parametry optických a ultrazvukových senzorů. U optický senzorů je popsána funkce reflexní závory, jednocestné závory a reflexního optického senzoru. Z ultrazvukových senzorů je popsána funkce reflexní ultrazvukové závory, jednocestné ultrazvukové závory a reflexního ultrazvukového senzoru. Z tohoto portfólia je vybrán nejvhodnější senzor využitelný pro počítání osob a určení směru pohybu. Tím se jeví reflexní optický senzor. Je zde popsán způsob umístění senzorů a také zpracování výstupního napětí senzorů, které bylo potřeba upravit filtry. V poslední části je navržený algoritmus, který z výstupního napětí dvojice senzorů určuje počet a směr osob pohybujících se v dveřním prostoru.

9

1

SENZOR

Senzor je zdroj informací pro řídící systém. Přesněji řečeno, jedná se o zařízení v přímém styku 1 s měřeným prostředím, které získává informace o měřené veličině pro zbytek měřícího řetězce s elektronickým zpracováním signálu. Mnohdy se místo označení senzor používá snímač, převodník či detektor. Senzor snímá danou fyzikální, chemickou či jinou potřebnou neelektrickou veličinu a dle předem definovaného principu ji převede na měřící veličinu. Měřící veličinou jsou v současné době nejčastěji analogový nebo číslicový elektrický signál.

1.1

Dělení senzorů

Senzory se dělí dle různých parametrů do několika skupin. • Dle měřené veličiny: senzory teploty, tlaku, průtoku, optických veličin, mechanických veličin (posunutí, polohy, rychlosti, zrychlení, síly, mechanického napětí aj.), chemické a biologické senzory, senzory elektrických a magnetických veličin. • Dle fyzikálního principu: senzory odporové, indukční, indukčnostní, kapacitní, magnetické, piezoelektrické, pyroelektrické, optické, chemické, biologické. • Dle použité technologie: elektromechanické, mechanické, pneumatické, elektrické, elektronické, elektrochemické, polovodičové, mikroelektromechanické, optoelektrické. • Dle styku senzoru s měřeným prostředím: bezdotykové, dotykové • Dle transformace signálu: aktivní = senzor, který se při snímání dané fyz. veličiny chová jako zdroj energie pasivní = senzor ke své funkci potřebuje zdroj energie (napájení) • Dle výstupu: analogový: amplituda, frekvence, střída napětí nebo amplituda proudu číslicový dvoustavový(např. polohový nebo teplotní snímač)

1

Pouze pokud se nejedná o bezdotykový snímač.

10

2

PARAMETRY SENZORŮ

Senzor je elektronická součástka, tudíž se jeho parametry dělí na tři skupiny podobně jako u ostatních elektronických součástek. Parametry: Statické Dynamické Prostředí

2.1

Statické parametry

1. Přesnost 𝜖𝑎 = 100 ·

𝑋 𝑚 − 𝑋𝑡 𝑋𝐹 𝑆𝑂

(2.1)

2. Citlivost 3. Práh citlivosti Neboli minimální detekovatelný signál (MDS=Minimum Detecable Signal). 4. Dynamický rozsah 5. Rozlišovací schopnost 6. Aditivní a multiplikativní chyby 7. Hystereze 8. Reprodukovatelnost 9. Linearita

2.2 1. 2. 3. 4. 5.

2.3

Dynamické parametry Odezva senzoru Časová konstanta Šíře frekvenčního pásma Rychlost číslicového přenosu Parametry šumu

Prostředí

Prostředím se myslí všechny vnější vlivy působící na senzor od atmosférických až po mechanické.

11

3

OPTOELEKTRONICKÉ SENZORY

Tyto senzory jsou v současnosti nejvíce rozšířené, protože mají mnoho aplikačních možností a to díky svému funkčnímu rozsahu. Optoelektrické senzory jsou stále menších rozměrů a přitom vyšší výkonnosti. Výhodou těchto senzorů je hlavně necitlivost vůči rušivým vlivům magnetického pole a hluku. A také možnost spínání na velké vzdálenosti. Avšak nevýhodou je menší odolnost vůči vlhkosti, znečištění a vnějšímu infrazáření.

3.1

Fyzikální princip

Základním principem používaným u těchto senzorů je přeměna elektrického proudu na elektromagnetické vlnění (světlo) a naopak. Jako světlo se bere spektrum elektromagnetického vlnění (Obr. 6.1) od ultrafialové oblasti (𝜆 = 0, 3 𝜇m) přes oblast viditelného světla (0, 38 < 𝜆 < 0, 78 𝜇m) až po infračervenou oblast (𝜆 = 1, 2 𝜇m). Hlavní části optoelektrického senzoru tvoří vysílač a přijímač. Dále budou popsány prvky, které se dnes používají jako vysílače a přijímače senzoru.

Obr. 3.1: Elektromagnetické spektrum Důležitými pro dimenzování otických čidel jsou radiometrické veličiny: • Zářivý tok Φ𝑒 [ J/s = W ] Představuje energii vyzářenou zdrojem Δ𝐸 za jednotku času Δ𝑡. Φ𝑒 =

12

Δ𝐸 [7] Δ𝑡

(3.1)

• Zářivost 𝐼𝑒 [ W/sr ] Je definován jako podíl zářivého toku ΔΦ a velikosti prostorového úhlu ΔΩ, do kterého je tento tok vyzařován. 𝐼𝑒 =

ΔΦ [7] ΔΩ

(3.2)

• Intenzita vyzařování (ozařování) 𝑀𝑒 [ W/m2 ] Je definována jako podíl zářivého toku ΔΦ, který je vysílán z plochy zdroje (dopadá na plochu snímače) a tohoto obsahu Δ𝑆. 𝑀𝑒 =

3.1.1

ΔΦ [7] Δ𝑆

(3.3)

Vysílací zařízení

Jako vysílací zařízení se používají elektronické polovodičové součástky, které mění elektrický proud na elektromagnetické vlnění (generují světelný paprsek). Vysílací prvky se dělí na dvě provedení: • Prvním je provedení s rovinným sklem. Tyto prvky mají velký vyzařovací úhel, ale menší zářivost. Když se k nim přidá dodatečný optický systém, tak dovolují dobré zobrazení. Nejčastěji se používají u reflexních závor. • Druhým je provedení s čočkou. Zde je zářivost velká, ale vyzařovací úhel je malý. Tyto prvky se nejčastěji používají pro reflexní senzory pro krátký a střední dosah. Luminiscenční dioda Luminiscenční diody známější spíše jako LED1 diody jsou elektronické polovodičové prvky, které obsahují pouze jeden PN přechod (Obr. 6.4). LED dioda vyzařuje (emituje) nekoherentní světlo s poměrně úzkým spektrem (max. 100 nm) dané vlnové délky 𝜆. Po přiložení napětí v propustném směru prochází diodou proud 𝐼𝑑 a na přechodu dochází ke vstřikování elektronů do pásma P a děr do pásma N. Elektronu se musí dodat minimální energie 𝐸𝑔 , aby se dostal z valenčního pásma 𝐸1 na úroveň pásma vodivostního 𝐸2 . 𝐸𝑔 = 𝐸2 − 𝐸1 [3]

(3.4)

Při obráceném procesu, tento proces se nazývá rekombinace elektronu s dírou, musí být tato energie opět uvolněna. V jaké formě se tato energie uvolní závisí na druhu rekombinace. Při nepřímé rekombinaci se energie vyzáří formou tepla, ale při přímé 1

LED=z anglického "Light Emitting Diode"

13

Obr. 3.2: Energetické schéma PN přechodu, stav bez proudu rekombinaci vzniknou fotony a energie se uvolní pomocí světla. Frekvence 𝑓 či vlnová délka 𝜆 emitovaného záření se dá vypočítat 𝑓=

𝐸𝑔 [3] ℎ

(3.5)

𝜆=

𝑐·ℎ [3] 𝐸𝑔

(3.6)

případně

kde ℎ je Planckova konstanta2 . Z toho plyne že vyzařovaná spektrum diody je závislé na chemickém složení použitého polovodiče. Pro konstrukci optoelektrických senzorů je nejvhodnější infradioda. U materiálu GaAs s energií 𝐸𝑔 = 1, 43 eV a při rychlosti světla 𝑐 = 299 792 458 m/s ve vakuu vychází vlnová délka vyzařovaného světla 𝜆0 = 0, 9 𝜇m. Tato hodnota již leží v blízkosti infračervené oblasti a proto je tento materiál nejvhodnější a dnes nejvíce používaný na konstrukci diod s infračerveným zářením. Pro zvýšení okamžitého vyzářeného výkonu se ze statického provozu přechází na spínací (impulzní) provoz. To znamená, že do luminiscenční diody jsou pouštěny krátké proudové impulzy o dané šířce a s danou periodou. Infradiody mají doby náběhu a sestupu v rozpětí 400 ns až 1 𝜇s. Laserová dioda Laserová dioda, nebo také polovodičový laser, generuje koherentní3 světlo, které má stejné vlastnosti jako laser. Emisní spektrum laseru je velmi úzké (max. 3nm) 2 3

ℎ = 6, 626176 · 10−34 Js kvanta světla mají stejnou frekvenci i fázi

14

a skládá se z diskrétních čar harmonických násobků základní vlny, na rozdíl od LED, kde je spektrum spojité. Základem laserové diody je vysoce dotovaný přechod PN z materiálu GaAs. Jako u luminiscenční diody je základem vstřikování nosičů

Obr. 3.3: Homogenní struktura polovodičového laseru náboje. Aby bylo docíleno koherentního paprsku musíme využít ještě dva jevy, stimulovanou emisi a optickou rezonanci. Ke stimulované emisi dochází v případě, že do PN přechodu přijde foton s energií rovnou rozdílu příslušných hladin. Ten budí elektron již se stejnou frekvencí a ve stejné fázi. Optický rezonátor nám zajistí, že primární slabé záření nám bude indukovat silné sekundární záření. V rezonátoru vzniká stojaté vlnění o stejné frekvenci jako na PN přechodu. Aby tento proces pokračoval musíme vytvořit optickou zpětnou vazbu. Ta je řešena čelními plochami PN přechodu, které vzniknou štípáním materiálu v krystalografických rovinách.

Obr. 3.4: Jednoduchá heterogenní struktura laseru Problémem homogenní struktury laseru (Obr. 3.3) bylo silné zahřívání krystalu, proto se dají používat jen v pulzním režimu. Kvůli tomu se tento typ laseru v praxi příliš nepoužívá. Problém se zahříváním krystalu byl vyřešen nahrazením homogenní

15

struktury za jednoduchou heterogenní strukturu tzv. SH4 laser (Obr. 3.4). Tato struktura již dovoluje trvalý provoz polovodičového laseru. Dalšího zlepšení vlastností polovodičového laseru se docílilo dvojitou heterogenní strukturou tzv. DH5 laser (Obr. 3.5). Laserové diody mají doby náběhu a sestupu od 1 do 5 ns a proto jsou vhodné pro vysokofrekvenční optickou modulaci (max. jednotky Gb/s).

Obr. 3.5: Dvojitá heterogenní struktura laseru

3.1.2

Přijímací zařízení

Jako přijímací zařízení se u optoelektronických senzorů používají polovodičové součástky závislé na světle. Fotodiody PN a PIN Jedná se o plošnou polovodičovou diodu, která je konstrukčně upravena tak, aby do oblasti přechodu PN dopadalo světlo. Na základě různých koncentrací nosičů v oblasti P a N se na přechodu vytvoří zóna bez pohyblivého náboje tzv. zóna prostorového náboje (Obr. 3.6). Pokud má foton dostatečnou energii po dopadu vnikne do struktury a blízko přechodu PN vytvoří pár elektron-díra. Páry nosičů jsou zde odděleny a přeneseny na druhou stranu. Díry směřují do oblasti P a elektrony do oblasti N. Tento pohyb má za následek že diodou v závěrném směru protéká proud 𝐼𝑑 , ten se nazývá driftový proud.Páry nosičů, které vzniknou mimo zónu s prostorovým nábojem, musí nejprve difundovat a potom zde být odděleny a k proudu připojeny. Tímto vzniká v diodě difuzní proud. Druh proudu a dynamické vlastnosti se dají ovlivnit vnitřním uspořádáním diody. PN dioda: Zde je zóna prostorového náboje velmi úzká a proto se nábojové páry vytváří především v okrajových částech mimo zónu. S toho plyne že zde převažuje 4 5

SH=z anglického "Single Heterostructure" DH=z anglického "Double Heterostructure"

16

Obr. 3.6: Schéma neosvětleného PN přechodu difuzní proud. PN diody se tak vyznačují relativně nízkým mezním kmitočtem a dlouhou dobou náběhu proudu. Naproti tomu mají malý proud bez osvětlení a nezavádí tak zbytečný nežádoucí šum. PN diody se proto hodí pro měření malých intenzit osvětlení. PIN dioda: Je tvořena přechodem, který má vrstvu s vlastní vodivostí vloženou mezi vrstvy P a N. Tím dojde k převaze driftových proudů. Tím dioda získá vyšší rychlost a kmitočet a kratší dobu náběhu. Dále také širší zóna prostorového náboje má za následek zmenšení kapacity přechodu v závěrném směru a tím zlepšení dynamického chování systému. Proud 𝐼𝑑 procházející diodou je ve velkém rozsahu lineárně závislý na dopadajícím světelném výkonu Φ. 𝐼 = 𝑆(𝜆) · Φ [3] (3.7) Napětí naprázdno 𝑈 je však oproti proudu závislé na dopadajícím světelném výkonu dle logaritmické funkce. Stejně jako u luminiscenčních diod lze i u fotodiod rozlišovat dvě provedení. Jedno je s rovinným okénkem a druhé se zabudovanou čočkou. První mají širokou směrovou charakteristiku a proto jsou vhodné pro měření intenzity osvětlení a také se používají v reflexních závorách. Druhé mají úzkou směrovou charakteristiku a proto se používají v kombinaci ze světlovody. Fototranzistor Jedná se v zásadě o bipolární tranzistor u kterého je dopadající světlo přivedeno na přechod báze - emitor. Tento přechod se chová jako fotodioda. Zde vzniklé volné elektrony se pohybují do báze. Báze je jen tenká vrstva a díky kladnému náboji v kolektoru jsou volné elektrony přeneseny přes bázi do kolektoru. Tranzistorem začne protékat elektrický proud. Na rozdíl od fotodiody není zde závislost mezi dopadajícím světelným výkonem Φ a z toho vytvořeného proudu 𝐼 zcela lineární. Z toho vyplývá, že při stejném dopadajícím světelném výkonu dokáže tranzistor

17

vytvořit vetší proud 𝐼 než fotodioda. Dynamické vlastnosti jsou horší než u fotodiody a nepříznivá je taktéž teplotní závislost. Liniový optoelektrický prvek PSD Jedná se o diodu s laterálním6 efektem a jedná se o modifikaci PIN diody. PSD7 představuje fotodiodu se světlocitlivou částí ve tvaru proužku (liniový). Na obou stranách tohoto pásku jsou umístěny kontakty k1 a k2. Ze spodní strany je umístěn signálový kontakt k0 a ten je společným kontaktem substrátu (Obr. 3.7). PSD má

Obr. 3.7: Struktura PSD mimo odporu tvořeného přechodem ještě odpor kolmý na tento směr. A ten se měří mezi okrajovými kontakty k1 a k2. Jestliže je PSD osvětlena bodovým světlem, pak v místě osvětlení vznikne proud 𝐼0 . V tomto místě se rozdělí odpor plochy a tudíž se rozdělí i proud 𝐼0 . Dílčí proudy se odebírají z okrajových kontaktů. Z těchto proudů se dá dále vypočítat poloha osvětleného bodu 𝑥1 . 𝑥1 =

𝐼1 [3] 𝐼1 + 𝐼2

(3.8)

Důležitou vlastností je, že kolísání dopadajícího světelného výkonu neovlivní výpočet polohy, protože toto kolísání působí na oba proudy současně. A dále také neovlivní výsledek ani velikost osvětlené plochy. Tohoto speciálního polovodičového optického prvku se využívá především u optických senzorů na měření vzdálenosti s optoelektronickou triangulací. 6 7

Laterální=stranový PSD=Position Sensitive Detector

18

Obr. 3.8: Velikost osvětlené plochy nemá vliv na přesnost měření

3.2 3.2.1

Parametry optických senzorů Směrová charakteristika

Tato charakteristika je uzavřená plocha ve které bude detekován předmět, pokud splní požadavky snímání (příklad směrové charakteristiky reflexního senzoru je uveden na Obr. 3.9). Na vodorovné ose se vynáší vzdálenost senzoru od odrazné plochy a na svislé ose se vynáší šířka aktivního paprsku. Pro testování reflexních senzorů slouží definovaná referenční jednobarevná odrazná karta s 90 % reflexí (pro srovnání bílý papír má reflexi 80 %). Z charakteristiky je také patrné jak musí být senzory umístěny daleko od sebe, při paralelním použití více senzorů, aby se navzájem nerušili.

Obr. 3.9: Směrová charakteristika senzoru MD FQIH/00-0A [9]

3.2.2

Výkonová rezerva

Je nadbytek výkonu na přijímacím prvku, který přesahuje minimální hodnotu výkonu pro funkci senzoru.[3] Výkonová rezerva (Gain) je uvedena jako funkce vzdálenosti. Příklad průběhu výkonové rezervy pro reflexní senzor je uveden na Obr. 3.10.

19

Obr. 3.10: Průběh výkonové rezervy [9]

3.2.3

Kontrast

Optické senzory jsou založeny na principu vyhodnocování rozdílu dvou světelných úrovní. Kontrast je tedy poměr mezi ’světlem’ a ’tmou’. Pokud paprsek dopadá na přijímač jde o stav ’světlo’. Ale pokud je paprsek přerušen, jedná se o stav ’tma’. Tohoto jednoznačného definování lze dosáhnout pouze u závory, kdy se snímá naprosto neprůhledný objekt. U většiny průmyslových aplikací tohoto dosáhnout nelze. Proto se stanovila velikost kontrastu=3, pro spolehlivé řešení jakéhokoliv situace.

3.2.4

Reakční doba senzoru

Jedná se o maximální časový úsek mezi vysláním světelného paprsku a sepnutím výstupu senzoru (po detekci objektu).

3.2.5

Výstupní signály

• Digitální (binární) výstup: Jinak také spínací výstup. Jedná se o spínání či rozepínání výstupu senzoru. Digitální výstupy jsou řešeny mnoha variantami PNP/NPN, dvoudrát, napěťové a proudové hodnoty, ochrany. U každého optického senzoru máme možnost volby zda bude výstup aktivován světlem, nebo tmou. • Analogový výstup: Velikost výstupního (analogového) signálu je odvozena od intenzity dopadajícího světla, nebo od polohy světelného bodu na liniovém optoelektrickém prvku (PSD). Výstupní signál může mít, buď proudový charakter (0/4–20 mA), nebo napěťový (0–10 V).

20

4

ULTRAZVUKOVÉ SENZORY

4.1 4.1.1

Fyzikální princip Ultrazvuk

Jedná se o mechanické vlnění s frekvencích nad hranicí slyšitelnosti lidského ucha. Frekvenční rozmezí ultrazvukových vln je přibližně 20 kHz až 1 GHz. Platí pro něj stejné fyzikální zákony jako pro ostatní zvukové vlny. Zvuk vzniká mechanickým kmitáním hmotného tělesa, které toto kmitání předává hmotným částicím prostředí (například vzduchu). Tyto částice se nepřemísťují, pouze kmitají. Z toho plyne, že se zvuk může šířit pouze hmotným (elastickým) prostředím rychlostí 𝑣𝑧 .

4.1.2

Rychlost řízení zvuku ve vzduchu

Rychlost zvuku ve vzduchu se dá spočítat ze vzorce √︃

𝑣𝑧 =

𝐾 [6], 𝜌

(4.1)

kde 𝐾 je modul objemové pružnosti prostředí a 𝜌 je hustota tohoto prostředí. Hustota plynu je závislá na teplotě a tlaku. Při zvyšování teploty hustota plynu klesá. To znamená, že rychlost zvuku ve vzduchu je teplotně závislá. Tato teplotní závislost se dá vyjádřit vzorcem 𝑣𝑧 = 𝑣0 + 0, 61𝑡 [3],

(4.2)

kde 𝑣0 = 331, 6 m/s je rychlost zvuku při teplotě 𝑡 = 0 ∘ C a 𝑡 je teplota ve ∘ C. Vedle teplotní závislosti je rychlost závislá také na tlaku vzduchu. Při rostoucím tlaku se rychlost šíření snižuje. Navíc je ještě rychlost závislá na složení vzduchu a na relativní vlhkosti, tato závislost však nemá takový vliv jako teplota a tlak. Tyto závislosti bychom měli brát v potaz při návrh senzorů, abychom dosáhly co největší přesnosti měření.

4.1.3

Generování ultrazvuku

Jako generátory ultrazvuku se u senzorů používají piezokeramické měniče. Jejich základem jsou piezoelektrické krystaly. Tyto krystaly dokáží měnit elektrickou energii na mechanickou a naopak. Protože samotné piezoelektrické krystaly je obtížné vyrábět, přešlo se na výrobu piezokeramiky. Ta vzniká sintrovacím procesem piezoelektrických mikrokrystalů s pojidly. Tímto vzniklý materiál se musí

21

ještě vystavit vysokému polarizačnímu napětí a vysoké teplotě. Při tomto procesu dojde k polarizaci dříve volně rozložených dipólů piezoelektrických mikrokrystalů. Aby bylo možné účinně vyzářit ultrazvuk do vzduchu, musí zdroj vybudit velkou amplitudu. Proto se musí měnič přizpůsobit aby se jeho velké síly a malé amplitudy přeměnily na velké amplitudy potřebné k účinnému vyzáření. Dnes se prakticky využívají dva způsoby tohoto přizpůsobení.

Obr. 4.1: Provedení měničů (a–rovná membrána, b–prohnutá membrána) a: Zde je piezokeramický kotouček spojen s kovovým kotoučkem (jak je vidět na Obr. 4.1a). Při přiložení napětí se u piezokeramického kotoučku změní průměr, vzniklé síly prohnou celý systém a vzniká velká amplituda. Tento způsob má širokou vyzařovací charakteristiku a lze jej uzavřit, ale na druhou stranu dlouhou dobu doznění. Tento způsob byl vylepšen tím, že se kovová destička vyměnila za destičku která je ze směsi skleněných kuliček a pryskyřice (Obr. 4.1a). Tento materiál je daleko odolnější proti vnějším vlivům a dosáhlo se tím i větší účinnosti přenosu. Toto vylepšení zkrátilo i dobu doznění a oddělilo piezokeramiku nevodivou vrstvou. b: U tohoto způsobu je prohnutá kovová destička buzena piezokeramickou destičkou (Obr. 4.1b). Má podobné vlastnosti jako způsob a, ale tento měnič nelze uzavřít.

4.2 4.2.1

Parametry ultrazvukových senzorů Vyzařovací a snímací charakteristika

V ultrazvukové senzorové technice má zásadní význam zvukové pole. Toto pole je prezentováno směrovou vyzařovací charakteristikou (Obr. 4.2). Graf vyjadřuje závislost hladiny akustického tlaku na úhlu natočení od osy senzoru při konstantní vzdálenosti.

22

Obr. 4.2: Příklad směrové vyzařovací charakteristiky Snímáním odraženého ultrazvukového signálu vznikne snímací charakteristika (Obr. 4.3). Tvar této charakteristiky je závislí na druhu, rozměrech a tvaru předmětu od kterého se zvukové vlny odrazily. Plocha snímací charakteristiky se dělí na několik částí. 1. Aktivní rozsah: Je maximální dosah, ve kterém je senzor schopen detekovat normovaný předmět. Tímto normovaným předmětem je tuhá, hladká a čtvercová destička o velikosti 100×100×1 mm. Aktivní rozsah (maximální dosah) senzoru je závislý na jeho pracovním kmitočtu. Při nižších pracovních kmitočtech je dosah větší. Ultrazvukové senzory s pracovní frekvencí asi 200 kHz mají dosah max. 2 m. Při frekvencích asi 40 kHz se dosahuje teoretického maxima 10 m. 2. Slepá zóna: Je oblast mezi čelem senzoru a spínacím rozsahem. Zde v důsledku dokmitu měniče nemůže senzor přijímat. Tato oblast nesmí být používána pro detekci objektů. Při velikosti spínacího rozsahu do 500 mm má slepá zóna velikost 0 až 70 mm. Z rostoucí velikostí spínacího rozsahu roste také velikost slepé zóny. Ta má již velikost až 400 mm, při velikosti spínacího rozsahu 3500 mm 3. Spínací rozsah: Je zvolená část aktivního rozsahu, ve které je zaručeno sepnutí výstupu při detekci běžně odrazivého předmětu s dostatečnou rezervou spolehlivé funkce. Proto se tato část používá jako oblast pro detekci objektů. Jednotlivé části snímací charakteristiky jsou zobrazeny na Obr. 4.3.

4.2.2

Hystereze snímání

U binárních senzorů je definována jako rozdíl vzdáleností předmětu od čela senzoru mezi výstupními stavy sepnuto a rozepnuto. Velikost této hodnoty se dá u některých senzorů nastavovat v širokém rozsahu.

23

Obr. 4.3: Snímací charakteristika senzoru SICK UM18 [8]

4.2.3

Rychlost přeběhu

Je maximální rychlost v radiálním směru, kterou se ještě může pohybovat předmět, aby jej senzor spolehlivě zachytil.

4.2.4

Reakční doba senzoru

Je maximální doba mezi vysláním zvukového impulzu ze senzoru a aktivováním jeho výstupu (po zachycení odraženého signálu). Od tohoto parametru je odvozena maximální spínací frekvence senzoru.

4.2.5

Úhel odklonu

Jedná se o přípustné odklonění roviny snímaného předmětu od roviny čela senzoru.

4.2.6

Výstupní signály

Stejně jako u optických senzorů existují dva typy výstupů. • Digitální výstup: Také existuje v mnoha variantách jako u optických senzorů. • Analogový výstup: Zde je velikost výstupního (analogového) signálu odvozena od časového intervalu mezi vysláním a přijmutím ultrazvukového signálu.

24

5

SENZORY VHODNÉ PRO POČÍTÁNÍ OSOB

5.1

Optické senzory

Optické senzory se dělí do tří základních skupin: • Reflexní závory • Jednocestné závory • Reflexní senzory

5.1.1

Reflexní závora

U reflexní optické závory je vysílač i přijímač uložen do jednoho pouzdra. Světelný paprsek se vyzařuje z vysílače a od reflektoru (odrazky) se vrací zpět k přijímači. Pokud dojde k přerušení dráhy paprsku, aktivuje se výstup senzoru. Reflexní optické závory mají dosah 0,1 až 10 m, ale dovolují detekci pouze netransparentních1 objektů (pokud by se jednalo o průhledný objekt, nedošlo by k přerušení paprsku). Nedílnou součástí je odrazka. Ta je základnou efektivního paprsku vysílače senzoru. Je vyrobena z lisovaného plastu a skládá se z malých trojbokých hranolů.

5.1.2

Jednocestná závora

U jednocestné optické závory je vysílač a přijímač uložen každý ve vlastním pouzdře. Vysílač vyzařuje světelný paprsek směrem k přijímači, který je umístěn proti vysílači. Pokud je světelný paprsek přerušen aktivuje se výstup senzoru (v tomto případě přijímače). Opět se může detekovat pouze netransparentní objekt. Jednocestné závory mají dosah až stovky metrů, při zaručené stabilitě přijímače i vysílače.

5.1.3

Reflexní senzor

Reflexní optické senzory se dělí na několik provedení: 1. Difuzní provedení Světlo vyzářené vysílačem je difuzně odraženo (reflexe) od opticky hrubého předmětu zpět k přijímači. Při překročení nastavené úrovně amplitudy přijímaného signálu je aktivován výstup senzoru. Snímací vzdálenost je závislá na odrazivosti objektu a na citlivosti senzoru. Zde se využívá čoček pro kolimaci paprsku, aby se vrátilo co nejvíce světla. 1

neprůhledných, matný

25

2. Divergentní provedení U tohoto typu nejsou kolimační čočky. Tím se zkrátí spínací vzdálenost (jen asi na 2 cm). Ale sníží se závislost na úhlu odklonu.

5.2

Ultrazvukové senzory

Dělí se stejně jako optické senzory do tří skupin: • Reflexní závory • Jednocestné závory • Reflexní senzory U všech ultrazvukových senzorů je vysílač i přijímač řízen jednou vyhodnocovací jednotkou. Ta vyšle taktovací impulz, ze kterého se ve vysílači odvodí série impulzů a v přijímači napětí potřebné k regulaci zesílení.

5.2.1

Reflexní závora

Opět je vysílač i přijímač uložen do jednoho pouzdra. U reflexní závory se měří čas, od vyslání ultrazvukové vlny z vysílače, až po přijetí jejího odrazu od reflektoru či objektu přijímačem. Ze změřeného času se určuje vzdálenost. Pokud vyhodnocovací zařízení zjistí, že vzdálenost je jiná, než vzdálenost reflektoru, okamžitě přepne výstup senzoru. Vzdálenost se nedá měřit naprosto přesně kvůli atmosférickým změnám. Proto se využívá časového okénka 𝑡𝑟 ± 𝑑𝑡 ve kterém by měla odezva od reflektoru dorazit zpět. Výhodou je možnost snímání i naprosto průhledných objektů. Nevýhodou reflexních závor je realizace jen krátkých hlídaných vzdáleností z důvodu ztrát při průchodu ultrazvukové vlny prostředím.

5.2.2

Jednocestná závora

Tak jako u optické jednocestné závory i zde je vysílač a přijímač oddělen a jsou uloženy do samostatných pouzder. Vysílač a přijímač jsou umístěny proti sobě. V okamžiku vyslání ultrazvukového signálu se začne měřit čas, který signál potřebuje k překonání vzdálenosti mezi vysílačem a přijímačem. Tato doba se nazývá doba běhu 𝑡𝑝 . Elektronika vyhodnocuje jen signály přijaté přijímačem v tomto čase. Pokud elektronika nedetekuje žádný signál, to znamená přerušení závory, přepne se výstup senzoru. Nový měřící signál se z vysílače vyšle až po uplynutí času 𝑡𝑝 + 𝑑. Když elektronika detekuje signál, tak se nový měřící signál vysílá ihned po uplynutí 1 , nebo 𝑓 = 𝑡1𝑝 . Z toho vyplývá, že při času 𝑡𝑝 . Opakovací frekvence je 𝑓 = (𝑡𝑝 +𝑑𝑡) obou případech zůstává opakovací frekvence skoro stejná (konstantní).

26

5.2.3

Reflexní senzor

Podle počtu měničů signálu dělíme tyto senzory na: 1. Senzory s jednoduchým systémem Pro vysílání i přijímání se využívá jediného měniče. Tato varianta je dnes nejpoužívanější. Jeho nevýhodou je čekání senzoru po vyslání signálu na dokmitání měniče. Až když amplituda přijímaného signálu vetší než dokmity měniče, zjistí se hodnota přijímaného signálu. V důsledku tohoto jevu vzniká u senzoru slepá zóna. 2. Senzory s dvojitým systémem Pro vysílání a přijímání se využívají dva samostatné měniče. Zde se dá slepá zóna podstatně zúžit za předpokladu, že maximální citlivost přijímače i vysílače budou nastaveny přesně na stejnou frekvenci. Měnič vyšle v čase 𝑡0 krátký ultrazvukový pulz. Tento pulz se šíří jako signál prostředím rychlostí 𝑣𝑧 . Pokud signál narazí na nějaký objekt, jeho část se odráží zpět k senzoru. Odezva, která dorazí zpět k senzoru v čase 𝑡1 , je snímána opět měničem a dále zesílena na potřebnou úroveň pro další zpracování. Vyhodnocovací elektronika zjistí vzdálenost předmětu z naměřených časových údajů.

27

6 6.1

REALIZACE MĚŘENÍ Použité senzory

Nevýhodou závor je neschopnost rozpoznat dvě osoby procházející vedle sebe. Senzor to zaznamená jako jedno přerušení paprsku. Proto se jako vhodný senzor, pro řešení tohoto problému, jeví optický reflexní senzor. Z dostupných senzorů byly použity infračervené reflexní optické senzory SHARP 2Y0A02 F 9Y (Obr. 6.1).

Obr. 6.1: Reflexní optický senzor SHARP Tyto senzory mají měřící dosah až 150 cm a jejich napájecí napětí má rozmezí 4,5–5,5 V. Údaje o vzdálenosti jsou prezentovány prostřednictvím analogového výstupu u kterého se mění velikost napětí v závislosti na vzdálenosti měřeného objektu (graf této závislosti je na Obr. 6.2).

Obr. 6.2: Závislost výstupního napětí na vzdálenosti [10]

28

Pro počítání osob a určování směru jejich pohybu jsem použil 6 výše uvedených optických senzorů. Senzory jsem umístil na model dveřního prostoru tak, aby byli nad hlavami procházejících osob. Rozmístil jsem je po dvou ve třech řadách, jak je vidět na Obr. 6.3. Vzdálenost 𝑦, mezi jednotlivými dvojicemi, je zvolena o něco menší než je průměrná šířka ramen dospělého člověka (přibližně 50 cm). Já volil hodnotu 𝑦=45 cm. Tato vzdálenost zaručí, že člověk procházející přesně středem mezi dvojicemi senzorů bude zachycen všemi čtyřmi senzory. A nenastane případ, kdy by nebyl zachycen ani jednou dvojicí. Počet dvojic (počet senzorů) se následně zvolí dle šířky daného dveřního prostoru a vzdálenosti 𝑦.

Obr. 6.3: Rozmístění senzorů v dveřním prostoru Při prvotním testování bylo zjištěno zkreslení výstupního signálu senzorů vysokofrekvenčním rušením. Toto rušení je způsobeno vnějšími světelnými zdroji, které vysílají elektromagnetické vlnění (světlo) a to dopadá na přijímač společně s elektromagnetickým vlněním (infrazářením) z vysílače. Z toho důvodu bylo nutné tento výstupní signál dále upravit filtrem.

Obr. 6.4: Dolní propust 2. řádu s jedním OZ zapojení Sallen–Key

29

6.2

Návrh přípravku

Pro odfiltrování vysokofrekvenčního rušení bylo nutné navrhnou filtr typu dolní propust. Zvolil jsem aktivní dolní propust 2. řádu s jedním operačním zesilovačem (OZ) zapojení Sallen–Key (schéma zapojení je na Obr. 6.4).

6.2.1

Výpočet

Zadání: 𝑓𝑝 =50 Hz, 𝑄 = √12 =0,707 1. Zvolil jsem hodnotu 𝐶 následujícím empirickým vztahem. √ 0, 2 · 10−7 2 10−7 10−7 . √ = √ · 10−8 = 2 · 10−8 𝐹 = 15 𝑛𝐹 𝐶∼ = √︁ = √ = 50 2 2 𝑓𝑝 2. Vypočetl jsem poměrovou veličinu 𝑚 a z ní hodnoty kapacit. 1 1 1 𝑚≤ 2 = 1 2 = =2 𝑄 0, 5 ( √2 ) 𝐶 𝐶2 = √ = 𝑚 𝐶4 = 𝐶 ·

√

√

𝑚=

2 · 10−8 √ = 1 · 10−8 𝐹 = 10 𝑛𝐹 2

√

2 · 10−8 = 2 · 10−8 𝐹 = 20 𝑛𝐹

3. Vypočetl jsem poměrovou veličinu 𝑛 a z ní hodnoty odporů filtru. 1 1 1 𝑛≤ = =1 1 2 = 2 √ 𝑚·𝑄 2 · 0, 5 2 · ( 2) 𝑅=

1 1 √ = = 225, 1 · 103 Ω 2 · 𝜋 · 𝑓𝑝 · 𝐶 2 · 𝜋 · 50 · 2 · 10−8

225, 1 · 103 𝑅 √ 𝑅1 = √ = = 225, 1 · 103 Ω = 225, 1 𝑘Ω 𝑛 1 𝑅2 = 𝑅 ·

√

𝑛 = 225, 1 · 103 ·

√

1 = 225, 1 · 103 Ω = 225, 1 𝑘Ω

4. Vypočetl jsem poměrovou veličinu 𝑟 a z ní hodnoty odporů zesilovače. 1 1 1 =2 𝑟= 2 = 1 2 = √ 𝑄 0, 5 ( 2) 𝑅𝐴 = 103 ·

√ √ 𝑟 = 103 · 2 = 1, 414 · 103 Ω = 1414 Ω

103 103 1 𝑅𝐵 = √ = √ = √ · 103 = 0, 707 · 103 Ω = 707 Ω 𝑛 2 2 𝐾0 = 𝐴 = 1 +

𝑅𝐵 707 =1+ = 1, 5 𝑅𝐴 1414

30

(6.1)

(6.2)

(6.3) (6.4)

(6.5)

(6.6) (6.7) (6.8)

(6.9)

(6.10) (6.11) (6.12)

Z řady jmenovitých hodnot E 12 jsem pro jednotlivé součástky vybral tyto hodnoty. 𝐶2 =10 nF 𝑅1 =220 kΩ 𝑅𝐴 =1,5 kΩ 𝐶4 =22 nF 𝑅3 =220 kΩ 𝑅𝐵 =820 Ω K filtru bylo nutné přidat stabilizátor napětí, který z napájecího napětí OZ +15 V stabilizuje napětí 5 V potřebné k napájení senzorů. Potřebnými údaji pro volbu stabilizátoru je výstupní napětí 𝑉𝑂 =+5 V a maximální odebíraný proud 𝐼𝑂 . Ten se spočítá z maximálního proudového odběru senzoru 𝐼𝐶𝐶 a počtu senzorů 𝑥. 𝐼𝑂 = 𝐼𝐶𝐶 · 𝑥 = 50 · 10−3 · 6 = 0, 3 𝐴

(6.13)

V závislosti na těchto parametrech jsem vybral stabilizátor 78M05 v pouzdře TO252. Schéma zapojení měřícího přípravku je uvedeno v příloze na Obr. 9.1. Jedná se o bandu šesti filtrů typu dolní propust se stabilizátorem napětí pro napájení senzorů. Dále jsem navrhnul dvouvrstvou desku plošného spoje. Návrh desky je uveden v příloze (Top na Obr. 9.2 a Bottom na Obr. 9.3).

6.2.2

Realizace přípravku

Navrženou desku plošného spoje jsem osadil a oživil. V příloze je uveden osazovací plán (Obr. 9.4) a seznam součástek. Zde je vyobrazen již hotový (osazený) měřící přípravek (Banka DP).

Obr. 6.5: Osazený přípravek

31

7 7.1

VYHODNOCENÍ Grafické vyhodnocení

Jedno z provedených měření jsem vynesl graficky pomocí programu Matlab. Průběhy výstupního napětí jednotlivých senzorů jsou zobrazeny na Obr. 7.1. U jednotlivých průběhů je zřetelně vidět špičky výstupního napětí při průchodu (detekci) osoby v dveřním prostorem. Je zde také vidět stále velké zarušení výstupního napětí.

Obr. 7.1: Průběhy výstupního napětí jednotlivých senzorů

32

7.2

Návrh algoritmu

Pro vyhodnocování jsem zvolil následující postup. V prvním kroku jsem si zvolil prahovou hodnotu výstupního napětí. Tuto hodnotu jsem volil z výšky umístění senzorů nad podlahou a také ze závislosti výstupního napětí na vzdálenosti (Obr. 6.2). Teprve po překročení prahové hodnoty výstupním napětím senzoru dojde k detekci. Tím jsem získal softverový komparátor, který rozhoduje zda se daná špička již začne detekovat jako průchod dveřním prostorem či nikoliv. Tohoto jsem využil při návrhu algoritmu pro zpracování výstupního napětí. Vývojový diagram navrženého algoritmu je uveden níže na Obr. 7.2 a Obr. 7.3.

Obr. 7.2: Vývojoví diagram navrženého algoritmu (1.část)

33

Obr. 7.3: Vývojoví diagram navrženého algoritmu (2.část)

34

Algoritmus je navržen pro dvojici senzorů, jednoho vnějšího senzoru a jednoho vnitřního senzoru. Popis funkce algoritmu Algoritmus je rozdělen na dvě části. V první části (Obr. 7.2) je testováno vnitřní čidlo a v druhé části (Obr. 7.3) je testováno vnější čidlo. Hned na začátku algoritmu je cyklus for, který zajišťuje skenování celého průběhu signálu. V aplikaci s přímím vyhodnocováním (real time aplikaci) by se to vyřešilo snímáním otevření dveří. Tím by vyhodnocování probíhalo pouze po dobu otevřených dveří. Následuje podmínka if. Tato podmínka slouží k porovnávání prahové hodnoty a testovaného signálu. Pokud je podmínka splněna a signál je větší než prahová hodnota. Pokračuje další zpracování signálu. Opět následuje podmínka if. Tato podmínka testuje zda se jedná o prvotní překročení prahové hodnoty, nebo již následující. Poku se jedna o prvotní překročení (podmínka je splněna) změní se hodnota pomocné proměnné na 1. Následuje další podmínka if, která již řeší jestli jde osoba dovnitř či ven. Pokud je podmínka splněna, nastaví se hodnota další pomocné proměnné na 1 a následně se inkrementuje počet osob směrem ven tv. A dále následuje zpracování signálu z druhého senzoru. Poku v první podmínce signál nepřesáhne prahovou hodnotu (podmínka není splněna), následuje podmínka if. Tato podmínka řeší nastavení první pomocné proměnné. Pokud má tato proměnná hodnotu 1, přenastaví se na hodnotu 0. Poku má hodnotu 0, nic se neděje a pokračuje se do druhé části algoritmu. Tento algoritmus jsem přepsal do zdrojového kódu Matlabu. Ten je uveden v příloze 9.4 Zdrojový kód k navrženému algoritmu.

35

8

ZÁVĚR

V práci jsem se věnoval fyzikálním principům a parametrům optických a ultrazvukových senzorů pro měření vzdálenosti. Dále jsem zde uvedl jednotlivé typy senzorů, které se dají využít pro počítání osob v dveřním prostoru. Při rozšíření i pro určování směru pohybu. Jedná se o jednocestné i reflexní optické závory, jednocestné i reflexní ultrazvukové závory. U závor je problémem neschopnost senzoru detekovat více objektů vedle sebe, kdy dojde k přerušení paprsku a senzor to vyhodnotí jako jeden objekt. Při použití dvou závor vedle sebe jsme schopni vyhodnotit i směr pohybu. Závory však musejí být v dostatečné vzdálenosti od sebe, aby se nerušily navzájem. Dalšími použitelnými senzory jsou reflexní ultrazvukové senzory, ty jsou však složité a tím i dražší než poslední typ použitelných senzorů. A tím jsou optické reflexní senzory Tohoto typu senzorů jsem využil k realizaci měření. Optické senzory jsem umístil do dveřního prostoru nad hlavy procházejících osob. Senzory jsem rozmístil do dvou řad po třech senzorech. Dvě řady senzorů umožňují vyhodnocovat směr pohybu osob. A tři senzory na šířku dveřního prostoru zaručí detekci osob v celé šíři tohoto prostoru. Prvním měřením bylo zjištěno zarušení výstupního napětí senzoru. Z toho důvodu bylo nutno navrhnout banku filtrů typu dolní propust. Tyto filtry částečně odstranily zarušení výstupního signálu. Poté bylo možné realizovat měření. Jedno z měření jsem vynesl graficky. Z průběhů výstupního napětí jsou jasně patrné špičky, které představují detekci osob v dveřním prostoru. Je zde také ještě patrné zarušení tohoto signálu. To znamená, že je potřeba výstupní napětí ze senzorů upravit i jiným způsobem. Vhodný způsob úpravy signálu jsem však nebyl schopen zrealizovat. Dále jsem se pokusil navrhnout algoritmus pro zpracování výstupů senzorů. Navržený algoritmus vyhodnocuje dvojici senzorů. Tento algoritmus jsem přepsal do zdrojového kódu Matlabu. Program by měl z výstupního napětí dvou senzorů spočítat počet osob pohybujících se jedním i druhým směrem. Algoritmus se mi nepodařilo rozšířit na více čidel. Nenašel jsem způsob jak propojit tyto dvojice senzorů ještě mezi sebou a vyhodnocovat tak celí dveřní prostor.

36

LITERATURA [1] ĎAĎO, S., KREIDL, M. Senzory a měřící obvody. 2. vydání. Praha: ČVUT, 1999. ISBN 80-01-02057-6. [2] BEJČEK, L. Senzory neelektrických veličin. Brno: VUT Brno, 2005. [3] MARTINEK, R. Senzory v průmyslové praxi. 1. vydání. BEN-technická literatura, 2004. ISBN 80-7300-114-4. [4] RIPKA, P., ĎAĎO, S., KREIDL, M., NOVÁK, J. Senzory a převodníky. 1. vydání. Praha: ČVUT, 2005. ISBN 80-01-03123-3. [5] SOKANSKÝ, K., NOVÁK, T., BÁLSKÝ, M., BLÁHA, Z., CARBOL, Z., DIVIŠ, D., SOCHA, B., ŠNOBL, J., ŠUMPICH, J., ZÁVADA P. Světelná technika. 1. vydání. Praha: ČVUT, 2011, 256 s. ISBN 978-80-01-04941-9. [6] HALLIDAY, D., WALKER, J., RESNICK, R. Fyzika. Vysokoškolská učebnice obecné fyziky. 1. vydání. Brno: VUT, 2000. ISBN 80-214-1868-0. [7] VŠETIČKA, M., REICHL, J. Encyklopedie Fyziky [online]. 2006–2013 [cit. 2013-05-02]. Dostupné z:. [8] Sick AG [online]. 2013 [cit. 2013-05-04]. Dostupné z: . [9] M.D. Microdetectors S.p.A. [online]. [cit. 2013-05-04]. Dostupné z: . [10] Sharp Microelectronics of the Americas [online]. [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: . [11] DOSTÁL, Tomáš. Elektrické filtry: přednášky a numerická cvičení. 1. vydání. Brno: VUT FEKT, 2004, 136 s. ISBN 80-214-2561-x. [12] ZAPLATÍLEK, K., DOŇAR, B. MATLAB pro začátečníky. 2. vydání. Praha: BEN-technická literatura, 2005, 152 s. ISBN 80-7300-175-6. [13] ZAPLATÍLEK, K., DOŇAR, B. MATLAB-tvorba uživatelských aplikací. 1. vydání. Praha: BEN-technická literatura, 2004, 216 s. ISBN 80-7300-133-0. [14] ZAPLATIÍLEK, K., DOŇAR, B. MATLAB-začínáme se signály. 1. vydání. Praha: BEN-technická literatura, 2006, 272 s. ISBN 80-7300-200-0. [15] DOBEŠ, M. Zpracování obrazu a algoritmy v C#. 1. vydání. BEN-technická literatura, 2008, 143s. ISBN 978-80-7300-233-6.

37

9 9.1

PŘÍLOHY Schéma zapojení přípravku

Obr. 9.1: Schema zapojení přípravku z filtry

38

9.2

Deska plošných spojů

Obr. 9.2: Deska plošných spojů (Top)

Obr. 9.3: Deska plošných spojů (Bottom)

39

Obr. 9.4: Deska plošných osazení

9.3

Seznam součástek

Všechny kondenzátory a odpory jsou v provedení SMD 1206. 𝐶12 , 𝐶22 , 𝐶32 , 𝐶42 , 𝐶52 , 𝐶62 =10 nF 𝐶14 , 𝐶24 , 𝐶34 , 𝐶44 , 𝐶54 , 𝐶64 =22 nF 𝑅11 , 𝑅21 , 𝑅31 , 𝑅41 , 𝑅51 , 𝑅61 =220 kΩ 𝑅13 , 𝑅23 , 𝑅33 , 𝑅43 , 𝑅53 , 𝑅63 =220 kΩ 𝑅1𝐴 , 𝑅2𝐴 , 𝑅3𝐴 , 𝑅4𝐴 , 𝑅5𝐴 , 𝑅6𝐴 =1,5 kΩ 𝑅1𝐵 , 𝑅2𝐵 , 𝑅3𝐵 , 𝑅4𝐵 , 𝑅5𝐵 , 𝑅6𝐵 =820 Ω 𝐶1 , 𝐶2 , 𝐶3 , 𝐶4 , 𝐶5 , 𝐶6 =100 nF 𝐶𝐼𝑁 =330 nF 𝐶𝑂𝑈 𝑇 =100 nF 𝐼𝑂1, 𝐼𝑂2, 𝐼𝑂3 – TL072CD (SMD) 𝐼𝐶1 – 78M05 (TO252) X1 – konektor WSL 20W zástrčka úhlová 90° X2 – konektor D-SUB M09 zástrčka úhlová 90°

9.4

Zdrojový kód k navrženému algoritmu

function program(A) x1=0; x2=0; y1=0; y2=0; %vynulování všech použitých proměných s=0; tv=0; td=0; for i=1:1000 %cyklus, který projde celí signál if A(i,1)>2 %vnitrni čidlo, porovnání s prahovou hodnotou if x1==0

40

x1=1; if s==0 s=1; tv=tv+1; %přičtení dalšího ven else s=0; end end else if x1==1 x1=0; end end if A(i,2)>2 %vnejsi čidlo, porovnání s prahovou hodnotou if x2==0 x2=1; if s==0 s=1; td=td+1; %přičtení dalšího dovnitř else s=0; end end else if x2==1 x2=0; end end end tv td

%výpis počtu ven %výpis počtu dovnitř

41