Mechatronika, část 3 Senzory

Dnes se podíváme na snímače, které elektronickým zařízením nahrazují smysly. Je však třeba podotknout, že sortiment snímačů je velmi obsáhlý, takže se každého typu můžeme jen lehce dotknout. Protože je celý seriál zaměřen na amatérské a začínající konstruktéry, blíže se podíváme na ty jednodušší senzory, u kterých se nepředpokládají žádné problémy. Opak je ale většinou pravdou.

Složitějších senzorů se dotkneme jen lehce, protože autoři vycházejí z předpokladu, že konstruktér, který je chce použít, je již seznámen s jejich funkcí a obsluhou.

V tištěné verzi článku nebyl prostor pro zveřejnění všech informací, proto na konci online verze najdete v části Přílohy odkazy na další doprovodné materiály.

Dvoustavové senzory Mechanický kontakt

Nejjednodušším snímačem je mechanický kontakt (obr. 1). Známe ho všichni; denně pomocí spínačů rozsvěcíme světlo, najdeme je pod klávesami počítačů atd. Konstrukce takového spínače je velice jednoduchá, překlopením páčky nebo stlačením tlačítka se elektricky spojí dva kontakty, buď jen po dobu držení hmatníku (tlačítko), nebo do doby dalšího stisku nebo překlopení páčky (trvalý spínač).

Obr. 1

Přes svou jednoduchost ale má právě mechanický spínač pro začínající konstruktéry mnoho záludností.

Zakmitávání kontaktu

V literatuře tento jev nalezneme pod názvem bouncing. Že kontakt po sepnutí okamžik odskakuje, je známé, ale že je to opravdu problém, si uvědomíme až v okamžiku, kdy takový spínač připojíme k elektronickému zařízení. Zákmity kontaktu, které můžeme přirovnat k odskakování pingpongového míčku upuštěného na desku stolu (obr. 2), trvají často až 5 ms, což je pro elektronické obvody téměř nekonečná doba a kontakt může za tuto dobu odskočit 10× až 100×. Znamená to tedy, že sepnutí kontaktu není vyhodnoceno jako jediné, ale jako celá série po sobě jdoucích sepnutí. A to může způsobit potíže.

Obr. 2

Kromě toho je každý spínač mírně odlišný a i spínače stejného typu mohou vykazovat velmi rozdílné charakteristiky zakmitávání a ty se ještě navíc mohou měnit v závislosti na podmínkách prostředí, především na teplotě a vlhkosti. O nečistotách na kontaktech nedostatečně utěsněného spínače ani nemluvě…

Co s tím?

Jsou v zásadě tři možnosti: buď zákmity kontaktů ošetřit pomocí jednoduchých elektronických obvodů, specializovaným integrovaným obvodem, nebo programem v mikrokontroléru.

Podívejme se na první možnost (obr. 3): Při sepnutí spínače se přes rezistor R2 pomalu vybíjí kondenzátor C1, až napětí na něm dosáhne hodnoty, kdy se překlopí za něj připojený Schmittův klopný obvod, který má na svém výstupu ustálenou logickou úroveň. Při rozpojení spínače se kondenzátor C1 nabíjí přes rezistor R1 a diodu D1 a až na něm napětí dosáhne prahové hodnoty překlopení Schmittova obvodu, jeho výstup přejde do opačného stavu. Právě pomalé nabíjení a vybíjení kondenzátoru zajistí, že bude ignorováno kmitání kontaktu.

Obr. 3

Celkem zajímavé je použití optického oddělovacího členu k potlačení zákmitů (obr. 4). Pokud použijeme ten nejpomalejší optický oddělovač, pak je jeho reakce tak pomalá, že se na jeho výstupu zákmity kontaktu neprojeví. Přispěje k tomu i zvýšení proudu vestavěnou LED, která intenzitou svého svitu přivede fototranzistor do saturace a tím ho ještě více zpomalí. Špatné vlastnosti takové součástky v tomto případě tedy pracují pro nás.

Obr. 4

Specializované integrované obvody pro odrušení spínacích kontaktů vyrábí hned několik firem (Maxim Integrated, ONsemi atd.), bohužel jsou ale v malém množství obtížně dostupné a také poměrně drahé.

O softwarovém odrušení zákmitů mechanických kontaktů se podrobnosti dozvíte v doprovodných materiálech a bude o tom pojednáno i v příští kapitole.

Maximální a minimální proud

Mechanický spínací kontakt má ale ještě další záludnost. To, že jím může protékat jen tak veliký proud, pro který je určen (a často to mohou být nejvýše desítky mA), je všeobecně známo.

Ale málokdo si uvědomuje, že mechanické kontakty pro bezpečné sepnutí potřebují i jistý minimální proud. Je to dáno provedením, materiálem a povrchovou úpravou spínacích kontaktů. Slušný výrobce tento údaj uvádí, ti ostatní bohužel nikoli. Pokud spínačem zapínáme a vypínáme přímo spotřebič, nemusí nás minimální proud zajímat, ale pokud ho po užíváme jako vstupní zařízení pro elektronické obvody nebo mikrokontroléry, je tento údaj velice důležitý.

V případě mikrokontrolérů je většinou při konfiguraci digitálních vstupů nabídnuta volba připojení interního pull-up nebo pull-down rezistoru (obr. 5). Hodnota tohoto rezistoru se pohybuje ve vyšších desítkách kΩ, proud protékající připojeným spínačem je tedy nepatrný. Mechanické spínací kontakty spínačů renomovaných výrobců však vyžadují minimální proud 0,5 až 1 mA, u těch méně renomovaných se osvědčil proud 5 mA. Pokud tedy připojíte ke spínači externě rezistor o hodnotě 1 až 5 kΩ, zmizí možná některé „podivné“ chyby, které se u zařízení objevovaly. Vedlejším efektem je ještě zvýšená odolnost proti vnějšímu elektrickému rušení, protože impedance vstupu elektronického zařízení se tímto opatřením zmenšila.

Obr. 5

Mechanické enkodéry

Mezi mechanické spínače se také řadí enkodéry (tzv. nekonečné potenciometry), které známe z autorádií, mikrovlnných trub nebo některých dalších domácích spotřebičů.

U těchto enkodérů je ošetření zákmitů kontaktů mimořádně důležité a výrobci používají jak hardwarová, tak i softwarová ošetření, která zajistí jejich správnou funkci.

Dvoustavové spínače bezkontaktní

Tyto spínače, které indikují přítomnost či nepřítomnost objektu, konkrétního materiálu, barevné značky atd., jsou velice oblíbené u amatérů i v průmyslu a je jich nepřeberně druhů.

Optické snímače

Optické snímače pracují buď jako transmisní, tedy přerušuje se světelný paprsek vysílače (obr. 6), který svítí na přijímač, nebo reflexní, kde přijímač vyhodnocuje světlo odražené od překážky (obr. 7).

Právě reflexní senzory jsou v amatérské praxi velice často používané, v robotice například pomocí nich vozítko vyhledá a pak sleduje tmavou čáru na světlém podkladu (nebo naopak). V této kategorii, které se říká Stopař, se často soutěží.

Jako zdroj světla se používají především LED vyzařující v infračervené oblasti spektra a jako přijímače fototranzistory, často s pouzdrem nepropouštějícím viditelné světlo, aby se alespoň částečně eliminovaly rušivé vlivy okolního osvětlení. Bez důkladného zastínění však není spolehlivost takového spínače příliš veliká, takže u těch sofistikovanějších se vysílaný světelný paprsek moduluje určenou frekvencí a na výstupu přijímače je zapojen demodulační obvod.

Typickým příkladem reflexního senzoru určeného pro amatérské použití je modul na obr. 8. Jeho elektrické schéma je na obr. 9.

Komparátor LM393, který je k fototranzistoru připojen, má nastavitelnou napěťovou úroveň referenčního napětí a vyhodnocuje, zda se před senzorem objevil objekt, který odráží infračervený paprsek, nebo se v dosahu nevyskytuje překážka. Je zřejmé, že kvalita detekce je velice ovlivněna odraznými vlastnostmi detekovaného předmětu a samozřejmě také jeho polohou. Šikmá plocha odrazí paprsek mimo přijímač a k její detekci vůbec nedojde.

Zajímavou aplikací infračervených senzorů v amatérské praxi je jejich použití ke snímání srdečního tepu, kdy se rytmicky mění odrazivost či propustnost tkáně v průběhu jednoho srdečního stahu (obr. 10).

Obr. 10

Indukční senzory

Indukční senzory jsou jedny z nejpoužívanějších v průmyslu (obr. 11).

Obr. 11

Ty běžné, se kterými se amatér nejčastěji setká, jsou určeny pro detekci kovů a pracují na vzdálenost 2 až 10 mm. Princip jejich činnosti naleznete v doprovodných materiálech, ale pro amatérské použití ve spojení s mikrokotroléry Arduino, Raspberry nebo micro.bit se nejlépe hodí ty, jejichž výstup je označen jako NO NPN. Napájecí napětí takových senzorů bývá v rozmezí 10 až 30 V.

Senzory magnetického pole

Prvním senzorem magnetického pole byl jazýčkový kontakt, což není nic jiného než dva pružné pásky feromagnetického kovu, zatavené v miniaturní skleněné baňce naplněné inertním plynem.

Po přiblížení magnetu se přes pásky uzavře magnetický tok, pásky se dotknou a uzavřou elektrický obvod. Tyto kontakty se často používají v zabezpečovací technice jako okenní nebo dveřní kontakty, protože jejich hlavní výhodou je, že fungují bez napájení (obr. 12). Druhou výhodou je, že mohou spínat mnohem větší napětí než polovodiče, ale spínaný proud je naopak většinou omezen na několik desítek mA.

Obr. 12

Hallovy senzory

Snadné použití nabízejí polovodičové senzory magnetického pole pracující na principu Hallova jevu. Protože se tyto senzory široce využívají v automobilovém průmyslu, je k dispozici mnoho různých provedení a funkcí.

Hallovy senzory mohou fungovat jako prostý spínač, který sepne přiblížením magnetu k obvodu a rozpojí se po jeho oddálení, nebo jako klopný obvod, který sepne po přiblížení jednoho z pólů magnetu a rozepne po přiložení pólu opačného. Spínače s touto funkcí se často používají jako snímače otáček v kombinaci s radiálně magnetovaným diskem, který spínač střídavě spíná a vypíná.

Velmi zajímavé jsou magnetické enkodéry od společnosti Austria Microsystems (obr. 13), které dokážou rozlišovat polohu miniaturního diskového magnetu s přesností na zlomky úhlových stupňů.

Obr. 13

Místo magnetu je možno u takového senzoru použít i správně magnetovaný pásek a pak se z rotačního senzoru stane lineární.

Výstup těchto senzorů je digitální a v základním nastavení inkrementální, což znamená, že neposkytují přímou informaci o poloze, ale jen impulzy, které je nutno čítat externím obvodem.

Analogové senzory Odporové snímače

Tyto senzory pracují na společném principu změny elektrického odporu.

Příkladem takových senzorů jsou fotorezistory, které reagují na změnu intenzity světla, nebo termistory, které reagují na změnu teploty. Takovéto senzory jsou dvojího druhu: levné, u nichž není nijak zaručena lineární závislost změny odporu při lineární změně vstupní veličiny a je tedy třeba je kalibrovat a vytvořit převodní tabulku popisující závislost, a drahé laboratorní, u kterých jsou parametry zaručeny.

Na principu změny elektrického odporu pracují i jednoduché ohybové snímače, snímače vlhkosti půdy nebo senzory deště.

Mezi odporové převodníky se řadí i platinové teploměry PT100 a PT1000. Jsou velmi přesné, ale pro vyhodnocení vyžadují ještě následné zpracování elektronickým obvodem, protože změna jejich odporu při změně teploty je velmi malá.

Odporovými převodníky jsou i tenzometry, které měří síly v konstrukcích nebo hmotnost ve vahách.

Změna odporu tenzometru je ale tak malá, že pro další zpracování je nutné přizpůsobení jednoúčelovým elektronickým obvodem s napěťovým výstupem a to znamená, že tenzometry se řadí spíše do následující kategorie.

Převodníky s napěťovým výstupem

Tyto převodníky jsou v amatérské praxi asi nejběžnější. Elektrické napětí je možno měřit jednoduchým voltmetrem a mikrokontroléry mohou na některých ze svých vstupů poměrně přesně měřit napětí a převádět ho na digitální údaj, který je dále možno programově zpracovávat.

Nejjednodušším takovým převodníkem je potenciometr, který při správném zapojení převádí polohu běžce na elektrické napětí. Kromě zadávání veličiny se potenciometry používají třeba také jako zpětnovazební členy v servomechanismech – viz minulá kapitola, kde jsou popisována modelářská serva.

Výše zmíněné Hallovy senzory existují i v lineárním provedení; na jejich výstupu se objevuje proměnné napětí, které odpovídá intenzitě magnetického pole, do kterého jsou vloženy. Nulovou hodnotou je polovina napájecího napětí, které při vložení senzoru do magnetického toku v jednom směru stoupá, ve druhém směru klesá. Takovým způsobem se dá celkem snadno zkonstruovat miniaturní bezkontaktní analogový joystick.

Teplota

Pro měření teploty se často používají speciální integrované obvody. Příkladem může být levný obvod LM335 (obr. 16).

Obr. 16

Výstupní napětí tohoto senzoru odpovídá přímo okolní teplotě v Kelvinech, což znamená, že při 0 °C je výstupní napětí 2,73 V a při 100 °C pak 3,73 V. Je pochopitelné, že u tak levného obvodu nemůžeme očekávat nijak vysokou absolutní přesnost, ale lze ho kalibrovat pomocí trimru připojeného na vstup adj. Velkou výhodou proti výše zmíněným termistorům je ale lineární závislost na teplotě, postačí tedy kalibrace v jediném bodě. Na trhu jsou i podobné polovodičové teploměry už kalibrované, jejich cena je ale mnohonásobně vyšší než u tohoto jednoduchého senzoru.

Elektrické napětí v závislosti na teplotě poskytují také termočlánky. Termoelektrické napětí u nich vzniká na spoji dvou různých kovů, je ale nepatrné, takže pro následné použití je třeba ho upravit elektrickým obvodem, který na svém výstupu poskytne veličinu lineárně odpovídající okamžité teplotě termočlánku. Tou veličinou může být elektrické napětí (většinou 0 až 10 V), elektrický proud (0 nebo 4 až 20 mA), obdélníkový digitální signál o proměnné frekvenci či střídě nebo obsahují přímo komunikační rozhraní různých typů.

Senzory vzdálenosti nebo přiblížení

Tyto senzory se používají v amatérské robotice i v chytrých domech.

Optické senzory

Nejjednodušším z nich je reflexní infračervený senzor zmíněný výše. Na kolektoru fototranzistoru se objevuje napětí, které s velikým přimhouřením oka můžeme považovat za odpovídající vzdálenosti odrazné plochy.

Dokonalejší infračervené dálkoměry vyrábí v mnoha provedeních firma Sharp (obr. 17). Pracují na principu triangulace – infračervený paprsek se odráží od překážky a zaostřený čočkou dopadá na pole fotodiod (obr. 18). Vestavěná elektronika vyhodnotí, která z fotodiod byla nejvíce osvícena, a z tohoto údaje vyhodnotí vzdálenost překážky. Senzor ale funguje dobře jen v případě, že překážka dobře odráží infračervené záření a je natočena alespoň přibližně kolmo na paprsek. Výstupem tohoto senzoru je stejnosměrné napětí, které odpovídá vzdálenosti překážky, tedy snadno zpracovatelná veličina.

V současnosti se na amatérském trhu objevily miniaturní laserové dálkoměry, které pracují na podobném principu jako dálkoměry Sharp. Jejich výhodou je kromě nižší ceny, menších rozměrů a snazší dostupnosti též to, že laser pracuje ve viditelném spektru, takže je dobře vidět, kam přesně míří.

Ultrazvuk

Pro měření vzdálenosti se používá také ultrazvuk. Pracuje na stejném principu jako optický dálkoměr, ale díky tomu, že frekvence ultrazvukového paprsku je přibližně 40 kHz a jeho rozptyl je značný, je tento dálkoměr schopen detekovat rozměrnější překážky. Protože pracuje na principu odrazu, potýká se se stejnými překážkami jako dálkoměry infračervené, tedy pohlcení impulsu měkkou plochou nebo jeho odklonění od přijímače (obr. 19, 20).

Zatímco infračervené dálkoměry pracují nepřetržitě, ultrazvukový musí pracovat v dávkách. Vysílá vždy několik zvukových impulsů (ping), pak „naslouchá“ ozvěně (echo) a měří čas, za který se echo vrátí. V okamžiku návratu zaznamená řídicí obvod čas a na svém výstupu vygeneruje obdélníkový impuls proporcionální vzdálenosti překážky (obr. 21).

Obr. 21

Dokonalejší (a dražší) ultrazvukové dálkoměry vzdálenost přímo vypočtou a pak po sériové lince posílají údaj v centimetrech.

Ultrazvukové měření vzdálenosti objektu je celkem jednoduché a levné, ale potýká se s častými chybnými údaji způsobenými vlivem prostředí.

Komplexní senzory

Pod tímto názvem si můžeme představit senzory, které využívají jednoduchý snímač, za kterým je zařazen vyhodnocovací obvod. Jsou to už výše zmíněné reflexní senzory s komparátorem, termočlánky a odporová čidla se svými přizpůsobovacími obvody nebo induktivní senzory, vybavené opět řídicími a vyhodnocovacími obvody.

Na trhu se v nabídce pro amatéry objevují velmi často takzvané „arduino senzory“. Většinou to jsou některé ze snímačů zmíněných výše, které jsou doplněny jednoduchým komparátorem, který umožní převést jejich spojitý, avšak těžko vyhodnotitelný výstup do digitálního tvaru detekuje – nedetekuje.

Elektrické zapojení takového komparátoru je většinou shodné se schématem na obr. 22.

Obr. 22

Dalším stupněm „komplexnosti“ jsou senzory vybavené vlastní – byť i minimální − inteligencí. Příkladem mohou být výše zmíněné ultrazvukové dálkoměry nebo výše zmíněné Hallovy enkodéry od firmy Austria Microsystems.

Amatéry často používaný senzor DHT11 nebo DHT22 je kombinací teploměru a vlhkoměru. Tento senzor, podobně jako téměř všechny ostatní komplexní senzory, komunikuje po digitální komunikační lince vlastním protokolem. Znamená to tedy, že je použitelný jen s některým z amatéry používaných mikrokontrolérů, ale pro všechny běžné typy existuje mnoho příkladů a programových knihoven, které práci s ním usnadňují.

Tohle ostatně platí i pro všechny složitější senzory, které jsou amatérsky použitelné.

Závěr

Rozsah článku neumožňuje ani vyjmenovat všechny senzory použitelné v amatérské praxi, natož je popsat, ale protože k němu přísluší i další doprovodná literatura, tak je možno informace a znalosti načerpat tam.

david.obdrzalek@mff.cuni.cz | rotta@jederobot.cz
www.robodoupe.cz | www.dps-az.cz/zajimavosti/mechatronika

 
Přílohy

Černá nebo bílá
V mnoha oborech potřebujeme jednoznačně rozlišit tmavou barvu od světlé, v převážné většině případů pak černou od bílé. Příkladem takového exaktního rozlišování mohou být robotické soutěže „Stopař“ a „Mini Sumo“.
Odkaz na celý článek

Jak se volá, tak se ozývá
Ultrazvukový dálkoměr je mezi amatérskými robotiky jedním z nejpopulárnějších senzorů, protože je relativně levný, přesný a jednoduše připojitelný k mikrokontroléru.
Odkaz na celý článek

Knihovna Button Debounce
Knihovna ButtonDebounce je určena pro ošetření zákmitů mechanických kontaktů spínačů.
Odkaz na celý článek

Knihovna DHT sensor
Knihovna pro obsluhu senzoru teploty a vlhkosti typů DHT11, DHT12 nebo DHT21, DHT22 a AM2301.
Odkaz na celý článek

Knihovna Encoder
Knihovna Encoder je určena pro zpracování signálu z dvoukanálových kvadraturních enkodérů, které se používají v automatizační technice ke snímání pozice nebo rychlosti a směru pohybu objektů a ve spotřební elektronice k zadávání údajů do zařízení.
Odkaz na celý článek

Knihovna ezButton
Knihovnu ezButton (easy button) lze použít pro tlačítka, momentové spínače, přepínače, spínače s magnetickým kontaktem (dveřní senzor)...
Odkaz na celý článek

Knihovna NewPing
Knihovna umožňuje současnou obsluhu většího množství ultrazvukových senzorů.
Odkaz na celý článek

Knihovna SharpIR
Minimalistická knihovna Arduina pro obsluhu infračervených analogových dálkoměrů firmy Sharp.
Odkaz na celý článek

Měření vzdálenosti ultrazvukem
Změřit bezkontaktně vzdálenost tak, aby výsledek měření nebyl příliš závislý na okolních podmínkách není úplně snadný úkol. K takovému účelu se používají – mimo jiné – také ultrazvukové dálkoměry.
Odkaz na celý článek

micro:mag 05/2018
Občasník pro uživatele micro:bitu
Odkaz na celý článek