Jednym z urządzeń, które odegrało kluczową rolę w rozwoju inteligentnych systemów, jest czujnik. Pomyśl o wszystkich informacjach, które Twój samochód daje Ci o otaczającym środowisku podczas jazdy. Większość z nich pochodzi z czujników pokładowych. Czujnik zbliżeniowy jest wyjątkowo idealny do takich zastosowań, ponieważ może wykrywać obiekty bez kontaktu fizycznego. Urządzenie nadaje się również do kilku innych zastosowań kontrolnych i przemysłowych, dzięki czemu jest bardzo przydatne.
Przyjrzymy się temu szczegółowo i pokażemy, jak zaprojektować go na płytce drukowanej.
Treść
Co to jest czujnik zbliżeniowy?
Jak działają czujniki zbliżeniowe?
Rodzaje czujników zbliżeniowych
Funkcje czujnika zbliżeniowego
Jak wybrać odpowiedni czujnik zbliżeniowy?
Obwody czujników zbliżeniowych: Jak zrobić czujnik zbliżeniowy
Czujnik zbliżeniowy Arduino Project
Zastosowania czujników zbliżeniowych
Streszczenie
Co to jest czujnik zbliżeniowy?
Czujnik zbliżeniowy to urządzenie, które zapewnia bezdotykowe wykrywanie poruszających się lub nieruchomych obiektów. Następnie przekształca te informacje w sygnał elektryczny.
Czujnik zbliżeniowy
Źródło: Wikimedia Commons.
Ponieważ czujnik nie wymaga kontaktu fizycznego, idealnie nadaje się do pracy z delikatnymi lub niestabilnymi przedmiotami. Ponadto ma długą żywotność ze względu na minimalne zużycie, z wyjątkiem typu magnetycznego.
Jak działają czujniki zbliżeniowe?
Zasady działania ultradźwiękowych i podczerwonych czujników zbliżeniowych są proste, ponieważ działają poprzez transmisję i wykrywanie / odbieranie odbitego sygnału.
Czujnik ultradźwiękowy Lego Mindstorms NXT
Źródło: Wikimedia Commons.
Dlatego przyjrzymy się pozostałym trzem, które działają inaczej.
Indukcyjny czujnik zbliżeniowy Zasada działania
Urządzenie to wykrywa straty magnetyczne spowodowane prądami wirowymi generowanymi przez zewnętrzne pole magnetyczne na powierzchni przewodzącej. Jego cewka detekcyjna generuje pole elektromagnetyczne prądu przemiennego, a za każdym razem, gdy metalowy obiekt zbliża się do niego, impedancja zmienia się z powodu prądów wirowych. Zmiany te tworzą wejście czujnika.
Czujnik i obiekt tworzą relację podobną do transformatora. Istnieją jednak odmiany tej zasady działania, takie jak całkowicie metalowe czujniki, czujniki odpowiedzi impulsowej i aluminiowe czujniki wykrywające.
Pojemnościowy czujnik zbliżeniowy Zasada działania
Czujnik pojemnościowy sprawdza zmiany pojemności między czujnikiem a obiektem wykrywającym, a wartość ta zmienia się w zależności od rozmiaru obiektu i odległości od niego. Zazwyczaj urządzenie ma dwie równoległe płyty, z których jedna jest powierzchnią czujnika, a druga obiektem w trakcie wykrywania. Zmiany pojemności między dwiema płytkami tworzą wejście czujnika.
Magnetyczny czujnik zbliżeniowy Zasada działania
Kontaktrony sterują czujnikami magnetycznymi, włączając je lub wyłączając.
Kontaktron
Rodzaje czujników zbliżeniowych
Czujniki zbliżeniowe są dostępne w pięciu głównych typach, które obejmują:
Indukcyjne czujniki zbliżeniowe
Jak sama nazwa wskazuje, czujniki te działają przy użyciu prawa indukcji, napędzając cewkę i oscylator, gdy metalowy obiekt dotrze do niego. Zawiera cztery elementy: spust Schmitta, cewkę, oscylator i wyjściowy obwód przełączający, a konfiguracja wykrywa tylko metalowe przedmioty. Urządzenie dostępne jest w dwóch wersjach: ekranowanej i nieekranowanej.
Pojemnościowe czujniki zbliżeniowe
W przeciwieństwie do czujników indukcyjnych, czujniki pojemnościowe wykrywają każdy metalowy lub niemetaliczny obiekt, ponieważ sprawdzają zmiany pojemności. Ponadto zastępują cewkę dwiema płytkami ładującymi, wewnętrzną połączoną z oscylatorem i zewnętrzną do wykrywania.
Ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe
Czujniki ultradźwiękowe wykrywają obiekty, emitując zakres ultradźwiękowy o wysokiej częstotliwości, a następnie wykrywając echo. Dlatego składa się z nadajnika ultradźwiękowego i odbiornika i może wykrywać obiekty w cieczach, ciałach stałych lub postaci ziarnistej.
Moduł czujnika ultradźwiękowego
Czujnik zbliżeniowy IR
Czujnik podczerwieni działa poprzez emitowanie podczerwieni, a następnie wykrywanie odbicia za pomocą czujnika / detektora światła. Ponadto posiada wbudowaną jednostkę przetwarzania sygnału do określania punktu optycznego na urządzeniu wrażliwym na położenie (PSD).
Czujnik zbliżeniowy na podczerwień
Źródło: Wikimedia Commons.
Magnetyczne czujniki zbliżeniowe
Jak sama nazwa wskazuje, magnetyczne czujniki zbliżeniowe wykrywają obiekty magnetyczne. Zazwyczaj zawierają kontaktrony, ale mogą działać przy użyciu zmiennej reluktancji, magneto-rezystancyjnych, indukcyjnych lub hallowskich.
Funkcje czujnika zbliżeniowego
Bezdotykowe wykrywanie
Przydatność do szerokiego zakresu zastosowań
Długa żywotność
Szybki wskaźnik odpowiedzi
Warunki powierzchniowe (kolory obiektów, temperatura otoczenia itp.)
Możliwość zastosowania w szerokim zakresie temperatur
Czujniki dwuprzewodowe
Jak wybrać odpowiedni czujnik zbliżeniowy?
Szukając czujnika zbliżeniowego, należy wziąć pod uwagę zamierzone zastosowanie w podziale na następujące kryteria:
Obwody czujników zbliżeniowych: Jak zrobić czujnik zbliżeniowy
Mimo że istnieje pięć rodzajów czujników zbliżeniowych, przyjrzymy się obwodowi podczerwieni, ponieważ jest on mniejszy, bardziej przystępny cenowo i może mierzyć odległości do miękkich obiektów. Wymagane będą następujące składniki:
Dioda LED na podczerwień
Fotodioda w podczerwieni
Czerwona dioda LED
IC LM358 wzmacniacz operacyjny
Zaprogramowany (potencjometr)
Dwa rezystory 220 omów
Jeden rezystor 10k ohm
Zasilanie (5-6V)
Schemat obwodu czujnika zbliżeniowego podczerwieni
Obwód ma dwie diody LED równoległe do siebie. Jednym z nich jest dioda LED emitująca IR, która działa jako nadajnik, a druga to fotodioda (odbiornik). Jeśli napotka przeszkodę przed sobą, emitowane promienie podczerwieni zostaną odbite, a fotodioda je przechwyci.
Po przechwyceniu rezystancja w fotodiodzie zmniejsza się, tworząc sygnał elektryczny. Sygnał ten jest napięciem przechodzącym przez R1 i wprowadzanym do nieodwracającego końca wzmacniacza operacyjnego.
Celem wzmacniacza operacyjnego jest porównanie wejścia z nieodwracającego pinu i napięcia progowego potencjometru wchodzącego z pinu odwracającego. Jeśli napięcie wejściowe z pinu odwracającego jest wyższe niż napięcie wejściowe z pinu nieodwracającego, wyjście wzmacniacza operacyjnego będzie NISKIE. W przeciwnym razie będzie WYSOKI, a to wtedy, gdy czujnik wykryje obiekt.
Wyjście wzmacniacza operacyjnego
Inną funkcją wzmacniacza operacyjnego jest konwersja sygnału analogowego obwodu na sygnał cyfrowy. Cyfrowy sygnał wyjściowy jest wysoki lub niski i można go użyć jako wejścia do silnika robota, aby pomóc w nawigacji po czystych ścieżkach.
Ale możesz również uzyskać wyjście analogowe z obwodu, chociaż nie będzie to przydatne, chyba że przejdzie przez zewnętrzny mikrokontroler. To połączenie eliminuje potrzebę wzmacniacza operacyjnego, ale mikrokontroler wykonuje tę samą funkcję (konwersja sygnału analogowego na cyfrowy).
A co ze światłem otoczenia i światłem słonecznym?
Powyższy obwód ma jedną poważną wadę. Światło słoneczne i światło otoczenia wpływają na jego niezawodność, więc wykrywa dokładnie tylko w ciemnym otoczeniu. Rozwiązaniem jest zbudowanie obwodu, który emituje i wykrywa określoną częstotliwość podczerwieni, aby uniknąć innych częstotliwości światła.
Schemat obwodu czujnika zbliżeniowego na podczerwień jest odporny na światło słoneczne i światło otoczenia.
Jak widać, obwód ma dwie główne sekcje, każda z innym układem scalonym. LM567 jest podstawową częścią, a jego celem jest przesyłanie i odbieranie światła podczerwonego.
Jednak obwód ma bardziej specyficzną emisję IR, ponieważ R3 i C2 określają wewnętrzną częstotliwość oscylatora. Częstotliwość ta ustawia częstotliwość środkową układu, generując stały wysoki poziom na pin8. Następnie przekazują tę częstotliwość do diody IR D1 (LD274) za pośrednictwem sterowanego prądem stopnia składającego się z T1 i R2.
Tymczasem pin3 (wejście) nasłuchuje częstotliwości równych częstotliwości środkowej układu z odbiornika podczerwieni BP104 (D2).
Gdy system zbliża się do obiektu, wiązka podczerwieni transmitowana z D1 zostaje odbita, a D2 odbiera częstotliwość, kierując ją do pin3. Ponieważ częstotliwość ta odpowiada ustawionej częstotliwości środkowej w układzie scalonym, układ rozpoznaje ją i przełącza jej wyjście na pin8 z wysokiego na niski.
Skonfigurowany jako monostabilny, drugi układ (LM555) odbiera niski spust przez pin2, a następnie przełącza swoje wyjście na wysokie i uruchamia brzęczyk.
Ten stan utrzymuje się tak długo, jak długo wiązki częstotliwości podczerwieni ulegają odbiciu. Jednak układ LM555 może wykazywać opóźnienia podczas wyłączania brzęczyka po pokonaniu przeszkody. Opóźnienie to można dostosować za pomocą C5 i R9.
Możesz budować inne odmiany za pomocą samotnego dekodera tonowego 567 lub dwóch układów scalonych LM555, ale obwód ma podobną operację.
Czujnik zbliżeniowy Arduino Project
Ponieważ spojrzeliśmy na czujnik podczerwieni powyżej, tym razem spróbujemy czegoś innego. Zamiast budować niestandardową płytkę od zera, możesz użyć gotowego czujnika, a następnie zintegrować go z Arduino dla swojego projektu. Oto jak opracować indukcyjny czujnik zbliżeniowy.
Indukcyjny czujnik zbliżeniowy
Połączenie indukcyjnego czujnika zbliżeniowego z Arduino:
Potrzebne są następujące składniki:
Arduino Uno R3
Arduino IDE
Indukcyjny czujnik zbliżeniowy DC 3-przewodowy model (LJ12A3-4-Z/BY)
Bateria 9V
Zaciski akumulatorowe z gołymi przewodami
400 tie-point breadboard
Drut zworkowy męski na męski
Dwa rezystory 10k
Obwód
Podłącz rezystory w płytce stykowej. Ich celem jest obniżenie napięcia wejściowego dla Arduino Uno R3 z 9V do 4.5V.
Jak połączyć indukcyjny czujnik zbliżeniowy z Arduino
Indukcyjny czujnik zbliżeniowy Kod Arduino
Po skonfigurowaniu czujnika indukcyjnego otwórz Arduino IDE i prześlij następujący kod:
Kod Arduino do wyświetlania, czy czujnik wykrywa obiekt na ekranie, czy nie
Arduino odczytuje wyjście czujnika co 0,5 sekundy, które powinno być niskie, gdy w pobliżu nie ma obiektu, i wysokie, jeśli istnieje przeszkoda. Pamiętaj jednak, że ten czujnik wykrywa tylko metalowe przedmioty, a wyjściem będzie "brak obiektu" lub "Wykryto obiekt" co pół sekundy.
W zależności od tego, co pasuje do Twojego projektu, możesz wymienić czujnik na dowolny z czterech innych typów czujników.
Zastosowania czujników zbliżeniowych
Zastosowania czujników zbliżeniowych obejmują:
Standardowe wykrywanie położenia obiektu
Robot z dwoma czujnikami ultradźwiękowymi
Źródło: Wikimedia Commons.
Transport, logistyka i łańcuch dostaw
Wykrywanie poziomu
Kontrola procesu
Rolnictwo
Zapewnienie i kontrola jakości
Przetwórstwo spożywcze
Streszczenie
Podsumowując, czujniki zbliżeniowe są krytycznymi urządzeniami w naszym rozwijającym się świecie technologicznym, ponieważ przydają się w kilku zastosowaniach. Kluczowym z nich jest branża motoryzacyjna, gdzie dostarczają dane dotyczące wspomagania kierowcy. Mają one również kluczowe znaczenie w rozwoju pojazdów autonomicznych.
Jeśli potrzebujesz urządzenia do swojego projektu, skontaktuj się z nami ze swoim projektem, a my zmontujemy płytkę drukowaną w rozsądnej cenie.