Elektronische Schakelingen ET1 1502 2007-2008
SENSOREN In dit Hoofdstuk leer je over sensoren en hun toepassing in elektronische systemen. De informatie om ons heen is bijna altijd aanwezig in een niet-elektrische vorm. Druk, snelheid, licht intensiteit, en temperatuur zijn enkele voorbeelden. Om deze soorten informatie in elektronische apparaten te kunnen gebruiken, moeten zij in elektrische vorm omgezet worden. Een apparaat dat dergelijke transformaties uitvoert wordt sensor genoemd. Een sensor zet niet-elektrische signalen in stromen en/of spanningen. Het model van een sensor is getoond in Fig. 1; hij is gemodelleerd als een spanningsbron vS met een intern weerstand RS.
RS
vS
Figuur 1: Het simpele model van een sensor. De elektrische signalen worden verwerkt met elektronische schakelingen. Een resultaat van een dergelijke verwerking zou nog in elektrische vorm zijn, terwijl voor mensen eerder licht, geluid, mechanische bewegingn, enz., begrijpelijke vormen zijn. Een apparaat dat elektrische in niet-elektrische signalen omzet wordt actuator genoemd. De sensoren en actuatoren worden gewoonlijk genoemd transducenten. Voorbeelden van de sensoren zijn microfoons, fotocellen, en knoppen op toetsenborden. Luidsprekers, video schermen, en opneemkoppen van DVDs zijn voorbeelden van actuators. De sensoren en actuatoren dienen als interface tussen onze directe omgeving en elektronisch apparatuur. De interactie met de omgeving wordt nochtans uitgevoerd door de elektrische grootheden te verwerken die uit sensoren worden verkregen en 1
indien nodig hen terug te leveren door actuatoren. De functies van de signaalbewerking worden uitgeoefend door elektronische schakelingen (d.w.z., sensorelektronica in het geval van bewerking van spanningen en/of stromen die door sensoren worden opgeleverd). Fig. 2 toont een elektronisch systeem, een sensor-sensorelektronica-actuator systeem.
in p u t n o n -e le c tric a l s ig n a l
sensor
in p u t e le c tric a l s ig n a l
e le c tr o n ic c irc u itry
o u tp u t e le c tric a l s ig n a l
a c tu a to r
o u tp u t n o n -e le c tric a l s ig n a l
Figuur 2: Een elektronisch systeem. De sensoren kunnen worden gebruikt om druk, snelheid, licht, temperatuur te meten. Bijvoorbeeld, temperatuur-sensoren kunnen, afhankelijk van het elektronische deel (sensorelektronica), voor temperatuuraanwijzing, het verwarmen, en/of airconditioning gebruikt worden. Een verscheidenheid aan sensoren kan aan het robotplatform worden vastgemaakt. Een van hen is een infrarood (IR) module om een lijn te volgen, voorwerpen te vermijden, en afstand te meten. Signaalbewerkingschakelingen zijn nodig die IR signalen in digitale logica om kunnen zetten. Daarmee wordt de communicatie met de digitale ingangen en uitgangen op het FPGA-bord mogelijk gemaakt, welke door het robot-platform verder gebruikt wordt. Line Tracker Sensor Een module voor het volgen van een lijn bestaat uit drie paren rode lichtgevende dioden (LEDs) en infrarode fototransistorsensoren die op de aanwezigheid of het ontbreken van een zwarte lijn onder elke sensor wijzen. In plaats van rode LEDs, kunnen infrarode LEDs gebruikt worden. Wanneer de correcte spanningen in een schakeling toegepast worden, werkt een IR fototransistor als een schakelaar. Wanneer het IR licht aanwezig is, is de schakelaar aan, en wanneer er geen IR licht is, schakelt de schakelaar uit. De rode of infrarode LED zendt rood licht dat genoeg IR bevat om de fototransistors aan te zetten. Elke LED en fototransistor in een paar worden geplaatst onder een hoek van 45graden met betrekking tot de vloer, zodat het licht van de LED weerkaatst de vloer en trerugvalt op de IR fototransistors. Voor een betrouwbare werking moeten de LEDs en IR sensoren zeer dichtbij de vloer opgesteld worden. Drie paren van de IR fototransistorsensoren en LEDs, samen met de begeleidende sensorelektronica, leveren drie digitale signalen op (i.e., links, centrum, en rechts), welke gebruikt kan worden om het programmeerbare FPGA bord van het robot systeem aan te sturen. Het FPGA bord stuurt dan de motoren (en hun wielen) van het robotplatform via servos aan.
2
Proximity Detector Het robot-platform kan met een infrarode proximity detector (nabijheidsdetector) uitgerust worden, die door twee off-angle IR LEDs aangestuurd wordt. De detectorschakeling gebruikt in het midden geplaatste infrarode sensor om het van de IR-LED teruggekeerde licht te kunnen registreren zoals aangetoond in Fig. 3.
left LED area left IR LED both LEDs sensor right IR LED
right LED area
Figuur 3: Het gebied van de detectorsensoren. Het elektronischedeel van deze sensormodule wordt getoond in Fig. 4. Deze IR afstandsmodule (proximity detector) gebruikt een oscillator om een draaggolf frequentie te genereren die door de detectormodule onderscheiden kan worden. De detector-module gebruikt een bandfilter om het DC-signaal afkomstig van het omgevings-licht eruit te filtreren. Wanneer het linker LED_Enable signaal (Fig. 4) hoog is (AAN), wordt de kathode van de IR LED verbonden met aarde en kan de stroom lopen door de LED. De inverter tussen de LED en de generator dwingt de stroom door de LED in de ritme van de oscillaties. Met andere woorden, de LED levert IR licht impulsen op de frequentie van de signaalbron. Omdat de IR detector een intern bandfilter heeft, die op de frequentie van belang wordt afgestemd, wordt de detector het meest gevoelig voor het overgebrachte licht. De 5V pull-up weerstand trekt de uitgangen van de IR-detector (open collector) Hoog (Fig. 4), wanneer er geen IR licht is ontvangen. Om tussen het licht afkomstig van de linker en rechter LEDs onderscheid te maken, worden zij afwisselend geschakeld.
3
in v e rte r
s ig n a l g e n e ra to r re s is to r
IR L E D L E D _ E n a b le (H ) in v e rte r
+5V
re s is to r
S ig n a l_ D e te c t (L )
IR d e te c to r
Figuur 4: De lay-out van de circuit van de LED en ontvangersmodule van een infrarode detector. Sonar Ranging Unit De sonarmodule gebruikt ultrasone geluidsgolven om afstanden te meten. De uitgang van het apparaat is een digitaal echosignaal. De timing van de echo geeft de afstand aan van het meest dichtbijzijde voorwerp. De transducent functioneert eerst als een zender door een paar cycli van een signaal met een bepaalde frequentie uit te zenden, en dan functioneert hij als een ontvanger door de geluidsgolven te registreren die door reflectie van nabijgelegen voorwerpen zijn teruggekeerd. De tijd die nodig is voor het overgebrachte signaal om terug te keren kan worden gemeten door een teller op de programmeerbare bord van het robotplatform. De tijd wordt omgezet in afstand omdat geluid zich voortplant met 330m/s. Infrared Distance Sensor Een infrarode afstandsdetector kan afstandsmetingen verstrekken op dezelfde wijze als de sonarsensor. Zoals aangetoond in Fig. 5, kan de afstandsdetector een IR LED en een positie-gevoelige IR detector bevatten. De IR LED zendt een gemoduleerd straal van infrarood licht. Wanneer het licht een voorwerp treft, zal het grootste deel van het licht terug naar LED worden weerspiegeld. Aangezien geen oppervlakt een perfecte optische reflector is, bereikt een deel van de IR straal de oppervlakte van het voorwerp. Voor een deel wordt licht weerspiegeld terug naar de positie gevoelige detector. De plaats waar de verspreide 4
weerspiegelde IR straal de detector raakt is een functie van de reflectiehoek. Op basis daarvan kan de afstand van het voorwerp worden bepaald. far object
near object lens
lens
IR LED
position sensitive IR detector
Figuur 5: Verrichting van een IR-bereik module. Voorbeeld Reflectiesensor Systeem Fig. 6 toont een blokdiagram van een reflectiesensor systeem, welke in vele detectormodules kan worden gevonden (e.g., de sensor voor het volgen van de lijn, afstand detector, ...). Aan de actuator kant bestaat het systeem uit een signaalgenerator, comparator/limiter en een LED. Een fototransistor, versterker/filter, detector, en andere interface schakelingen kunnen aan de sensorkant gevonden worden. Om tussen kunstmatig en natuurlijk licht onderscheid te kunnen maken wordt een gemoduleerde lichtbron vaak gebruikt. Een signaalgenerator wordt gebruikt voor de licht-modulatie. De lichtbron (LED) is het eenvoudigst gemoduleerd met een blokspanning. Een sinus signaal van een generator kan met behulp van een comparator in een blokspanning omgezet worden, als getoond in Fig. 6. Het overgebrachte gemoduleerdelicht-signaal wordt ontvangen (gedetecteerd) door een fototransistor (lichtgevoelige sensor). Als genoeg licht in de richting van een fototransistor wordt uitgestraald, zal het een signaal met een frequentiecomponent van de gemoduleerde signaalbron produceren. Het signaal van deze frequentie wordt dan selectief versterkt (versterker/filter blok), en zijn amplitude gedetecteerd (detector block). Als het gedetecteerde signaal boven een drempel van de comparator zit, zal die van één toestand (laag of hoog) in een andere veranderen. Afhankelijk van de toepassing kan het signaal bij de uitgang van de comparator verder door of analoge of digitale elektronische circuits worden verwerkt.
5
f
f
c o m p a r a to r
c lip p e r LED
g e n e ra to r
f
f
f
1 D C
a m p lifie r
d e te c to r
c o m p a ra to r in te r fa c e
p h o to tra n s is to r
Figuur 6: Het diagram van het blok van een reflectiesensor systeem. Oefening: Integratie van de basissensorfuncties het volgen van een lijn Bouw een interface tussen de LED (zender), IR sensor en FPGA bord, voor de opsporing van de robotpositie met betrekking tot een onderliggende zwarte lijn: de geïntegreerde elektronica ontvangt een overgebracht IR signaal, en versterkt, filtert, en detecteert de uitgangssignalen van de IR fototransistors, die het FPGA bord moeten aansturen. Als de lijn aan de linkerzijde is, wordt een signaal opgeleverd door de elektronische schakelingen, die dan opdracht geeft aan de wielen van het robotplatform om links te draaien. Dit wordt gedaan via het FPGA bord en de motoren. Op dezelfde manier, als de lijn aan de rechter kant wordt ontdekt, wordt de robot naar rechts geleid. Tot slot, als de robot op de lijn is, beweegt die zich vooruit. Praktische Uitvoering: Voor deze oefening heb je transistors, weerstanden, condensatoren, OP AMPs, LEDs, IR detectors beschikbaar. Een volledige lijst van delen en deelaantallen kan gevonden worden op de website http://elca.et.tudelft.nl/. De nodige hulpmiddelen zijn een soldeerbout en een paar striptangen. Voor het testen van sensorelektronica zal je een voltmeter/ampèremeter en een oscilloscoop nodig hebben. Test de functionaliteit van de sensors en sensorelektronica: • volg de sensor uitgangen: bekijk de signalen aan de LEDs als zij door een gemoduleerde signaalbron aangedreven worden. • meet spanningen: verifieer of de spanningwaarden op de diverse locaties van de schakeling juist zijn. • meet de voedingsstroom: verifieer of de stroom door de voeding correct is. • volg de signalen van de bord aansturing: voor verschillende situaties, verifieer of de FPGA-ingangsignalen correct zijn.
6
Voorbeeld Schemabibliotheek Circuit schemas die voor de opdrachten gebruikt kunnen worden zijn hieronder te vinden. Transimpedantie-versterker R1 R2 Rx
120 kΩ 120 kΩ van 10 tot 470 kΩ
R1 R2 R3 C1 C2
2,2 kΩ 39 kΩ 2,2 kΩ 470 nF 1 nF
AC-Versterker
Inverterende comparator R1
2,2 kΩ
7
R2 R3
3,3 kΩ 1,2 kΩ
Top-detector
C1 D1
R1 100k 100nF 1N4448
Top-Top detector R1 C1 C2 D2
100k 470 nF 100 nF D1 1N4448 1N4448
8
DC-levelshifter
R1 R2 C1
4,7 kΩ 3,3 kΩ 220 nF
Ub = 12 volt
Clipper 1 R1 4,7 kΩ D1 1N4448 D2 1N4448 Ub = 5 volt
Clipper 2 R1 5,6 kΩ R2 4,7 kΩ D1 1N4448
9
Schmitt-trigger De 74HCT14 is een Schmitt-Trigger inverter IC. Het IC zit in een 14 pins behuizing waarin zes inverters geïntegreerd zijn. De ingangsspanning mag een waarde hebben tussen de 0,6 volt en (Vcc+0,6 = 5,6 volt).
Lichtsluis
R1 100 Ω R2 10 kΩ C1 100 nF D1 IR-LED TSHA 620 (www.conrad.nl) T1 BPY62 (Infineon) Uin = 5 volt amplitude Ub = 12 volt
Verwijzingen: 10
[1] ELCA Website, http://elca.et.tudelft.nl/. [2] W. A. Serdijn, Electronics, ET 1502. [3] R. R. Spencer and M. S. Ghausi, Introduction to Electronic Circuit Design, Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey. [4] Robot books, kits, motors, http://www.robotbooks.com. [5] A. Ferworn, Lecture Notes with topics on Sensors and Robots, http://www.scs.ryerson.ca/~aferworn/courses/CPS607/CLASSES/CPS607CL.HTML.
11
