سنسورهای فاصله و لمس

سنسور اولتراسونیک

سنسور اولتراسونیک یکی از دو حسگر است که جایگزین دید ربات می شود. حسگر اولتراسونیک به ربات اجازه می دهد تا اشیا را ببیند و تشخیص دهد. همچنین می‌توان از آن برای فعال کردن ربات برای اجتناب از موانع، تخمین و اندازه‌گیری فاصله، و گرفتن حرکت یک جسم استفاده کرد.

خوانش سنسور اولتراسونیک بر حسب سانتی متر و اینچ اندازه گیری می شود. این سنسور می‌تواند فواصل 0 تا 255 سانتی‌متر را با دقت +/-3 سانتی‌متر اندازه‌گیری کند. حسگر اولتراسونیک بر اساس همان اصل مکان یاب خفاش کار می‌کند: با محاسبه زمان بازگشت موج صوتی پس از بازتاب کردن فاصله، فاصله را اندازه‌گیری می‌کند. یک شی، شبیه به اکو.

اجسام بزرگ با سطوح سخت به بهترین وجه تشخیص داده می شوند. اشیاء از مواد نرم(پارچه) یا گرد (توپ) و همچنین بسیار نازک، کوچک و غیره می تواند مشکلات خاصی را برای سنسور هنگام کار ایجاد کند.

لطفاً به یاد داشته باشید که دو یا چند سنسور اولتراسونیک که در یک اتاق کار می کنند ممکن است باعث تداخل و کاهش دقت نتایج شوند.

نمونه‌هایی از استفاده از حسگرهای فاصله اولتراسونیک شامل استفاده در اتومبیل‌ها برای سیگنال‌های هشدار به راننده یا کنترل خودکار بر اساس سیگنال‌های حسگرهایی است که موقعیت‌های خطرناک را شناسایی می‌کنند و در اتصالات شبکه با رابط انسان و ماشین (HMI) ترکیب می‌شوند.

عکس. 1

اصل اولتراسونیک تشخیص مانع بر اساس اصل اکو است. سنسور از دو مبدل تشکیل شده است: یک مبدل امواج مافوق صوت را ساطع می کند و امواج منعکس شده توسط یک یا چند مبدل دیگر شناسایی می شوند. از همان مبدلی که امواج مافوق صوت را ارسال می کند نیز می توان برای تشخیص موج بازتابی استفاده کرد. هدف اصلی سنسورها تشخیص وجود یا عدم وجود مانع است، اما این اصل (زمان پرواز) همچنین اجازه می دهد تا فاصله تا جسم از زمان بازگشت پژواک با سرعت مشخص انتشار صدا محاسبه شود. .

سونوگرافی چیزی بیش از ارتعاش در فرکانس بیش از 20 کیلوهرتز نیست. اکثر مبدل های تجاری موجود در فرکانس های 40-250 کیلوهرتز کار می کنند.

تغییرات در پارامترهای صوتی حسگرها، محیط و اهداف مختلف به طور قابل توجهی بر عملکرد دستگاه ها تأثیر می گذارد.

در حسگر اولتراسونیک، مبدل پالس کوتاهی تولید می کند که به هدف ارسال می شود و به عقب باز می گردد.

مهم است که سرعت صوت تابعی از ترکیب و دمای محیط (هوا) باشد و بر دقت و وضوح سنسور تأثیر بگذارد. دقت اندازه گیری فاصله مستقیماً با دقت سرعت صوت مورد استفاده در محاسبات متناسب است و در شرایط واقعی از 345 متر بر ثانیه در متغیر است. دمای اتاقتا بیش از 380 متر بر ثانیه در دمای حدود 70 درجه سانتیگراد. طول موج صدا

تابعی از سرعت اولتراسوند c است و با فرکانس آن مرتبط است، بنابراین این پارامترها (طول موج و فرکانس) بر وضوح و دقت و همچنین حداقل اندازهاهداف و محدوده فواصل اندازه گیری شده توسط سنسور.

تضعیف صدا تابعی از فرکانس و رطوبت است که بر حداکثر فاصله شناسایی شده توسط سنسور تأثیر می گذارد. امواج بلندتر (فرکانس کمتر) میرایی کمتری دارند. در فرکانس های بالاتر از 125 کیلوهرتز، حداکثر تضعیف در رطوبت نسبی 100٪، در فرکانس های 40 کیلوهرتز - در حال حاضر در رطوبت 50٪ رخ می دهد. از آنجایی که سنسور باید در هر سطح رطوبت کار کند، محاسبات از حداکثر تضعیف برای هر فرکانس استفاده می کنند.

نویز پس زمینه تابعی از فرکانس است و با افزایش فرکانس کاهش می یابد و همچنین بر حداکثر فاصله قابل تشخیص و حداقل اندازه هدف تأثیر می گذارد. وضوح و دقت در فرکانس‌های بالاتر بالاتر است، در حالی که برد با طول موج‌های بلندتر بیشتر است.

حسگر لمسی

حسگر لمسی دکمه ای است که دارای دو حالت ممکن است - فشار دادن و رها کردن. از نظر برنامه‌ریزی، حسگر حالت دیگری را تشخیص می‌دهد: لمس.

در حالت View می توانید واکنش سنسور لمسی را روی صفحه نمایش مشاهده کنید. هنگامی که دکمه سنسور فشار داده نمی شود، 0 بر روی صفحه نمایش ظاهر می شود و با فشار دادن، 1 ظاهر می شود.

با افزودن حسگر لمسی به طراحی ربات (مثلاً به شکل ضربه گیر)، می توانید رفتار ربات را با فعال شدن سنسور تغییر دهید.

حسگر لمسی یکی از حواس لامسه برای ربات ها است که در جاهایی که واکنش ربات به اشیا مورد نیاز است ضروری است.

حسگر لمسی به ربات اجازه لمس می دهد.

سنسور فشار می تواند لحظه فشار دادن چیزی بر روی آن و همچنین لحظه رها شدن آن را تعیین کند.

سنسور لمسی در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 حسگر لمسی

ابزار مرجع و تجهیزات اضافی مورد استفاده

میکرومتر

برای اندازه گیری سرعت بیکار سنسور لمسی به یک میکرومتر (یا نشانگر شماره گیری) ICH-25 نیاز دارید که فاصله گذرانده شده توسط سنسور را تا لحظه کار اندازه گیری می کند.

ICH-25 برای اندازه‌گیری ابعاد خطی با استفاده از روش‌های مطلق و نسبی، تعیین میزان انحرافات از یک شکل هندسی معین و موقعیت نسبی سطوح طراحی شده است.

شکل 3 چندین نوع شاخص را نشان می دهد.

شکل 3.

پارامترهای میکرومتر ICH 25:

محدوده اندازه گیری 0-25 میلی متر

مقدار تقسیم 0.01 میلی متر است.

ابعاد 159x85x51 میلی متر.

سنسور خازنی یکی از انواع سنسورهای غیر تماسی است که اصل عملکرد آن بر اساس تغییر در ثابت دی الکتریک محیط بین دو صفحه خازن است. یک صفحه یک مدار حسگر لمسی به شکل صفحه یا سیم فلزی است و دومی یک ماده رسانای الکتریکی است، به عنوان مثال، فلز، آب یا بدن انسان.

هنگام توسعه یک سیستم روشن شدن خودکاربرای تامین آب توالت برای یک بید، استفاده از حسگر حضور خازنی و سوئیچ با آن ضروری شد قابلیت اطمینان بالا، مقاومت در برابر تغییر دمای خارجی، رطوبت، گرد و غبار و ولتاژ تغذیه. همچنین می‌خواستم نیازی به لمس کنترل‌های سیستم را از بین ببرم. الزامات ارائه شده فقط می تواند توسط مدارهای حسگر لمسی که بر اساس اصل تغییر ظرفیت خازنی کار می کنند برآورده شود. من نتوانستم طرح آماده ای پیدا کنم که شرایط لازم را برآورده کند، بنابراین مجبور شدم خودم آن را توسعه دهم.

نتیجه یک حسگر لمسی خازنی جهانی است که نیازی به پیکربندی ندارد و به نزدیک شدن اجسام رسانای الکتریکی، از جمله یک فرد، در فاصله تا 5 سانتی متر پاسخ می دهد. دامنه کاربرد سنسور لمسی پیشنهادی محدود نیست. به عنوان مثال می توان از آن برای روشن کردن سیستم های روشنایی استفاده کرد دزدگیر، تعیین سطح آب و در بسیاری موارد دیگر.

نمودارهای مدار الکتریکی

برای کنترل آب در بیدی توالت، دو سنسور لمسی خازنی مورد نیاز بود. یک سنسور باید مستقیماً روی توالت نصب می شد؛ باید سیگنال منطقی صفر را در حضور یک نفر و در غیاب سیگنال منطقی یک تولید می کرد. دومین حسگر خازنی قرار بود به عنوان سوئیچ آب عمل کند و در یکی از دو حالت منطقی باشد.

هنگامی که عقربه به سنسور آورده شد، سنسور باید حالت منطقی را در خروجی تغییر می داد - از حالت یک اولیه به حالت صفر منطقی، زمانی که دست دوباره لمس شد، از حالت صفر به حالت منطقی یک. و به همین ترتیب ad infinitum، تا زمانی که سوئیچ لمسی یک سیگنال فعال کننده صفر منطقی را از سنسور حضور دریافت کند.

مدار حسگر لمسی خازنی

اساس مدار حسگر حضور لمسی خازنی یک ژنراتور پالس مستطیلی اصلی است که مطابق با طرح کلاسیک بر روی دو عنصر منطقی ریزمدار D1.1 و D1.2 ساخته شده است. فرکانس ژنراتور با درجه بندی عناصر R1 و C1 تعیین می شود و حدود 50 کیلوهرتز انتخاب می شود. مقدار فرکانس عملاً هیچ تأثیری بر عملکرد سنسور خازنی ندارد. فرکانس را از 20 به 200 کیلوهرتز تغییر دادم و از نظر ظاهری هیچ تأثیری در عملکرد دستگاه مشاهده نکردم.

از پایه 4 تراشه D1.2 مستطیلی شکلاز طریق مقاومت R2 به ورودی های 8، 9 ریزمدار D1.3 و از طریق مقاومت متغیر R3 به ورودی های 12،13 از D1.4 می رود. سیگنال با تغییر جزئی در شیب جلوی پالس به ورودی ریز مدار D1.3 می رسد. سنسور نصب شده، که یک تکه سیم یا صفحه فلزی است. در ورودی D1.4، به دلیل خازن C2، جلو برای مدت زمان مورد نیاز برای شارژ مجدد تغییر می کند. به لطف وجود مقاومت اصلاح کننده R3، می توان لبه پالس را در ورودی D1.4 برابر با لبه پالس در ورودی D1.3 تنظیم کرد.

اگر دست یا یک جسم فلزی را به آنتن نزدیک کنید (سنسور لمسی)، ظرفیت ورودی ریزمدار DD1.3 افزایش می‌یابد و جلوی پالس ورودی نسبت به جلوی پالس به تأخیر می‌افتد. رسیدن به ورودی DD1.4. برای "گرفتن" این تاخیر، پالس های معکوس به تراشه DD2.1 که یک فلیپ فلاپ D است که به شرح زیر عمل می کند، تغذیه می شود. در امتداد لبه مثبت پالس که به ورودی ریزمدار C می رسد، سیگنالی که در آن لحظه در ورودی D بود به خروجی ماشه منتقل می شود در نتیجه اگر سیگنال در ورودی D تغییر نکند، پالس های ورودی در ورودی شمارش C بر سطح سیگنال خروجی تأثیر نمی گذارد. این خاصیت ماشه D ساخت یک سنسور لمسی خازنی ساده را ممکن کرد.

هنگامی که ظرفیت آنتن، به دلیل نزدیک شدن بدن انسان به آن، در ورودی DD1.3 افزایش می یابد، پالس به تاخیر می افتد و این باعث رفع ماشه D و تغییر حالت خروجی آن می شود. LED HL1 برای نشان دادن وجود ولتاژ تغذیه و LED HL2 برای نشان دادن نزدیکی به سنسور لمسی استفاده می شود.

مدار سوئیچ لمسی

از مدار حسگر لمسی خازنی نیز می توان برای کارکرد سوئیچ لمسی استفاده کرد، اما با کمی تغییر، زیرا نه تنها باید به نزدیک شدن بدن انسان پاسخ دهد، بلکه پس از برداشتن دست نیز در حالت ثابت باقی می ماند. برای حل این مشکل، مجبور شدیم یک ماشه D دیگر به نام DD2.2 را به خروجی حسگر لمسی اضافه کنیم که با استفاده از یک تقسیم کننده به دو مدار متصل شده است.

مدار حسگر خازنی کمی اصلاح شده است. برای حذف آلارم های کاذب، از آنجایی که یک فرد می تواند به آرامی دست خود را بیاورد و بردارد، به دلیل وجود تداخل، سنسور می تواند چندین پالس را به ورودی شمارش D ماشه ارسال کند و الگوریتم عملیاتی مورد نیاز سوئیچ را نقض کند. بنابراین، یک زنجیره RC از عناصر R4 و C5 اضافه شد که برای مدت کوتاهی توانایی تغییر ماشه D را مسدود کرد.

ماشه DD2.2 به همان روش DD2.1 کار می کند، اما سیگنال ورودی D نه از عناصر دیگر، بلکه از خروجی معکوس DD2.2 تامین می شود. در نتیجه، در امتداد لبه مثبت پالس که به ورودی C می رسد، سیگنال در ورودی D به سمت مخالف تغییر می کند. به عنوان مثال، اگر در حالت اولیه یک صفر منطقی در پایه 13 وجود داشت، با یک بار بالا بردن دست خود به سمت سنسور، ماشه تغییر می کند و یک منطقی روی پایه 13 تنظیم می شود. دفعه بعد که با سنسور تعامل کردید، پین 13 دوباره روی صفر منطقی تنظیم می شود.

برای مسدود کردن سوئیچ در غیاب فردی در توالت، یک واحد منطقی از سنسور به ورودی R ارائه می شود (تنظیم صفر در خروجی ماشه، بدون توجه به سیگنال های موجود در سایر ورودی های آن). یک صفر منطقی در خروجی سوئیچ خازنی تنظیم شده است که از طریق مهار به پایه ترانزیستور کلید برای روشن کردن شیر برقی در واحد قدرت و سوئیچینگ عرضه می شود.

مقاومت R6 در صورت عدم وجود سیگنال مسدود کننده از سنسور خازنی در صورت خرابی آن یا شکستن سیم کنترل، ماشه را در ورودی R مسدود می کند و در نتیجه امکان تامین آب خود به خود در بیده را از بین می برد. خازن C6 ورودی R را از تداخل محافظت می کند. LED HL3 برای نشان دادن میزان آب موجود در بیده عمل می کند.

طراحی و جزئیات حسگرهای لمسی خازنی

هنگامی که من شروع به توسعه یک سیستم حسگر برای تامین آب در یک بید کردم، به نظرم سخت ترین کار توسعه یک سنسور اشغال خازنی بود. این به دلیل تعدادی محدودیت نصب و راه اندازی بود. من نمی خواستم سنسور به طور مکانیکی به درب توالت وصل شود، زیرا باید به طور دوره ای برای شستشو برداشته شود و تداخلی با آن ایجاد نمی کند. ضد عفونی کردنخود توالت به همین دلیل است که یک ظرف را به عنوان عنصر واکنش انتخاب کردم.

سنسور حضور

بر اساس نمودار منتشر شده در بالا، یک نمونه اولیه ساختم. قطعات حسگر خازنی روی یک برد مدار چاپی مونتاژ می شوند؛ برد در یک جعبه پلاستیکی قرار می گیرد و با یک درب بسته می شود. برای اتصال آنتن، یک کانکتور تک پین در کیس تعبیه شده است؛ یک کانکتور چهار پین RSh2N برای تامین ولتاژ تغذیه و سیگنال نصب شده است. برد مدار چاپی با لحیم کاری به کانکتورها متصل می شود هادی های مسیدر عایق فلوئوروپلاستیک

سنسور لمسی خازنی روی دو ریز مدار سری KR561 LE5 و TM2 مونتاژ شده است. به جای ریز مدار KR561LE5، می توانید از KR561LA7 استفاده کنید. ریز مدارهای سری 176 و آنالوگ های وارداتی نیز مناسب هستند. مقاومت ها، خازن ها و ال ای دی ها برای هر نوع مناسب هستند. خازن C2، برای عملکرد پایدار سنسور خازنی هنگام کار در شرایط نوسانات دما زیاد محیطباید با یک TKE کوچک مصرف شود.

سنسور زیر سکوی توالتی که روی آن نصب شده است نصب می شود مخزندر محلی که در صورت نشتی از مخزن، آب نمی تواند وارد شود. بدنه حسگر با استفاده از نوار دو طرفه به توالت چسبانده شده است.

سنسور آنتن سنسور خازنی یک تکه سیم رشته ای مسی به طول 35 سانتی متر است که با فلوروپلاستیک عایق شده و با نوار شفاف به دیواره بیرونی کاسه توالت یک سانتی متر زیر سطح لیوان چسبانده شده است. سنسور به وضوح در عکس قابل مشاهده است.

برای تنظیم حساسیت سنسور لمسی، پس از نصب آن بر روی توالت، مقاومت مقاومت پیرایش R3 را تغییر دهید تا LED HL2 خاموش شود. بعد، دست خود را روی درب توالت بالای محل سنسور قرار دهید، LED HL2 باید روشن شود، اگر دست خود را بردارید، باید خاموش شود. از آنجایی که ران انسان توسط جرم دست های بیشتر، سپس در حین کار، حسگر لمسی، پس از چنین تنظیمی، تضمین می شود که کار کند.

طراحی و جزئیات سوئیچ لمسی خازنی

مدار سوئیچ لمسی خازنی دارای قطعات بیشتری است و برای قرار دادن آنها به محفظه بزرگتری نیاز بود و به دلایل زیبایی شناختی، ظاهرمحفظه ای که سنسور حضور در آن قرار داشت برای نصب در مکانی قابل مشاهده چندان مناسب نبود. پریز دیواری rj-11 برای اتصال تلفن جلب توجه کرد. اندازه مناسبی داشت و ظاهر خوبی داشت. با حذف همه چیز غیر ضروری از سوکت، یک برد مدار چاپی برای یک سوئیچ لمسی خازنی در آن قرار دادم.

برای ایمن سازی تخته مدار چاپییک پایه کوتاه در پایه کیس نصب شد و یک برد مدار چاپی با قطعات سوئیچ لمسی با استفاده از یک پیچ به آن پیچ شد.

سنسور خازنی با چسباندن یک ورق برنجی به پایین روکش سوکت با چسب Moment ساخته شد و قبلاً پنجره ای را برای LED های موجود در آنها بریده بود. هنگام بستن درب، فنر (که از یک فندک سنگ چخماق گرفته شده است) با ورق برنجی تماس پیدا می کند و بنابراین تماس الکتریکی بین مدار و سنسور را تضمین می کند.

سوئیچ لمسی خازنی با استفاده از یک پیچ خودکار روی دیوار نصب می شود. برای این منظور یک سوراخ در محفظه در نظر گرفته شده است. سپس برد و کانکتور نصب شده و پوشش با چفت محکم می شود.

راه اندازی یک سوئیچ خازنی عملاً با راه اندازی سنسور حضور که در بالا توضیح داده شد تفاوتی ندارد. برای تنظیم آن، باید ولتاژ تغذیه را اعمال کنید و مقاومت را طوری تنظیم کنید که LED HL2 وقتی دستی به سنسور می‌آید روشن شود و با برداشتن آن خاموش شود. در مرحله بعد، باید سنسور لمسی را فعال کنید و دست خود را به سمت سنسور سوئیچ حرکت دهید و بردارید. LED HL2 باید چشمک بزند و LED قرمز HL3 باید روشن شود. هنگامی که دست برداشته می شود، LED قرمز باید روشن بماند. هنگامی که دوباره دست خود را بالا می آورید یا بدن خود را از سنسور دور می کنید، LED HL3 باید خاموش شود، یعنی منبع آب را در بیده خاموش کنید.

PCB جهانی

سنسورهای خازنی ارائه شده در بالا بر روی بردهای مدار چاپی مونتاژ شده اند، کمی متفاوت از برد مدار چاپی نشان داده شده در عکس زیر. این به دلیل ترکیب هر دو برد مدار چاپی در یک برد جهانی است. اگر یک سوئیچ لمسی مونتاژ می کنید، فقط باید قطعه شماره 2 را برش دهید. اگر یک سنسور حضور لمسی مونتاژ می کنید، آهنگ شماره 1 حذف می شود و همه عناصر نصب نمی شوند.

عناصر لازم برای عملکرد سوئیچ لمسی، اما تداخل در عملکرد سنسور حضور، R4، C5، R6، C6، HL2 و R4، نصب نشده اند. به جای R4 و C6، جامپرهای سیمی لحیم می شوند. زنجیره R4، C5 را می توان رها کرد. تاثیری در کار نخواهد داشت.

در زیر نقشه ای از یک برد مدار چاپی برای خنجر کردن با استفاده از روش حرارتی اعمال آهنگ بر روی فویل آورده شده است.

کافی است طرح را روی کاغذ گلاسه یا کاغذ ردیابی چاپ کنید و قالب برای ساخت برد مدار چاپی آماده است.

عملکرد بدون مشکل سنسورهای خازنی برای سیستم کنترل لمسی برای تامین آب در یک بیده در عمل طی سه سال کار مداوم تایید شده است. هیچ نقصی ثبت نشده است.

با این حال، می خواهم توجه داشته باشم که مدار به نویز ضربه ای قدرتمند حساس است. ایمیلی دریافت کردم که برای تنظیم آن کمک می خواهد. معلوم شد که در حین اشکال زدایی مدار یک آهن لحیم کاری با یک کنترل کننده دمای تریستور در نزدیکی آن وجود دارد. پس از خاموش شدن هویه لحیم کاری مدار شروع به کار کرد.

چنین مورد دیگری نیز وجود داشت. سنسور خازنی در یک لامپ نصب شده بود که به همان خروجی یخچال متصل بود. وقتی روشن شد، چراغ روشن شد و وقتی دوباره خاموش شد. با اتصال لامپ به پریز دیگر مشکل حل شد.

نامه ای در مورد کاربرد موفقیت آمیز مدار حسگر خازنی توصیف شده برای تنظیم سطح آب دریافت کردم مخزن ذخیرهساخته شده از پلاستیک در قسمت های پایین و بالایی یک سنسور چسبانده شده با سیلیکون وجود داشت که روشن و خاموش شدن پمپ الکتریکی را کنترل می کرد.

هنگام توسعه سیستمی برای روشن کردن خودکار منبع آب به توالت برای یک بیده، استفاده از یک سنسور حضور خازنی و سوئیچ بسیار قابل اعتماد، مقاوم در برابر تغییرات دمای خارجی، رطوبت، گرد و غبار و ولتاژ منبع ضروری شد. همچنین می‌خواستم نیازی به لمس کنترل‌های سیستم را از بین ببرم. الزامات ارائه شده فقط می تواند توسط مدارهای حسگر لمسی که بر اساس اصل تغییر ظرفیت خازنی کار می کنند برآورده شود. من نتوانستم طرح آماده ای پیدا کنم که شرایط لازم را برآورده کند، بنابراین مجبور شدم خودم آن را توسعه دهم.

نتیجه یک حسگر لمسی خازنی جهانی است که نیازی به پیکربندی ندارد و به نزدیک شدن اجسام رسانای الکتریکی، از جمله یک فرد، در فاصله تا 5 سانتی متر پاسخ می دهد. دامنه کاربرد سنسور لمسی پیشنهادی محدود نیست. می توان از آن برای روشن کردن روشنایی، سیستم های هشدار امنیتی، تعیین سطح آب و در بسیاری موارد دیگر استفاده کرد.