Реализация модульной сенсорной системы широкого назначения
Оглавление
Введение
. Обзорный анализ современных методик детектирования и обнаружения объектов, производящих излучение в инфракрасном диапазоне
.1 Обзор специальных средств обнаружения движения
.2 Обзор современных систем технического зрения интегрированных в робототехнические комплексы
. Постановка задачи
. Разработка функциональной схемы устройства
.1 Разработка функциональной схемы устройства на пассивных датчиках
.2 Разработка функциональной схемы устройства системы технического зрения
. Разработка электрической схемы устройства
. Выбор элементной базы
.1 Микроконтроллер
.2 Пассивные SMD элементы
.3 Кварцевый генератор
.4 Линейные регуляторы напряжения
.5 Ультразвуковой сонар
.6 Пироэлектрический инфракрасный датчик
.7 Перечень используемых электронных компонентов
. Модернизация датчиков
.1 Модернизация пироэлектрического датчика
.2 Модернизация ультразвукового сонара
. Проектирование печатной платы
.1 Трассировка печатной платы в САПР Altium Designer
.2 Изготовление печатной платы
. Анализ возможностей модульной сенсорной системы широкого назначения
Заключение
Список литературы
Обозначения и сокращения
ТСТехническое средство
РТКРобототехнический комплекс
СТЗСистема технического зрения
ТВТелевизионный
ДДДатчик движения
ИКИнфракрасный
УЗУльтразвуковой
РТСРобототехническое средство
РТК ВНРобототехнический комплекс военного назначения
МКМикроконтроллер
ИМСИнтегральная схема
ЕСКДЕдиная система конструкторской документации
САПРСистема автоматизированного проектирования
РЭАРадиоэлектронная аппаратура
ПППечатная плата
ПУПечатный узел
Введение
В настоящее время сенсорные системы различного типа широко используются во многих сферах деятельности человека. Подобные технические средства (ТС) могут быть использованы в охранных средствах, военной промышленности, бытовой сфере, индустрии развлечений и т.д. Также стоит отметить, что сенсоры являются неотъемлемой частью робототехнических комплексов (РТК).
Роботизация в современном мире рассматривается как одно из важнейших направлений совершенствования и качественного обновления всех сфер деятельности человека. Таким образом, во многих технологических процессах исключается «человеческий фактор» и повышается производительность и точность выполняемых ТС процессов.
Для задач ориентации в пространстве обычно используются системы технического зрения (СТЗ) основанные на телевизионных (ТВ) камерах и сложном алгоритме распознавания образов. Однако, зачастую, такой сложный процесс не оправдан, и необходимы более простые и дешевые системы.
Также для работы охранных систем, используются датчики движения (ДД) для детектирования объектов в зоне охраны. Но в основном, все методы определения основаны на активных датчиках. Однако, системы, основанные на пассивных датчиках, отличаются своей малой точностью определения расположения излучающего тепло объекта. Такие системы работаю только на определение наличия человека в зоне охраны.
В работе рассматривается реализация модульной сенсорной системы широкого назначения, основанной на пассивных датчиках для целей обнаружения излучающего тепло объекта (человека) в помещении, либо на комбинации инфракрасных (ИК) (пассивных) датчиков и ультразвуковых (УЗ) сонаров для целей ориентации в пространстве, а. также как альтернатива системы технического зрения.
. Обзорный анализ современных методик детектирования и обнаружения объектов, производящих излучение в инфракрасном диапазоне
В современном мире уже нет таких сфер деятельности, где не используются технические средства, они становятся все более усовершенствованными и способны выполнять многие задачи, и в основном те, которые не под силу человеку. Для функционирования многих ТС необходимы системы детектирования человека, технического зрения, а также всевозможные системы, позволяющие оценивать обстановку вокруг ТС, и ориентироваться в пространстве.
.1 Обзор специальных средств обнаружения движения
Для решения этих задач используют различные средства, например, в охранных системах используются ДД, в зависимости от предназначения, в основе используются ультразвуковые, инфракрасные, магнитоконтактные, микроволновые, томографические датчики и т.д. Все эти датчики имеют свои преимущества и недостатки. [1]
Но все ДД можно классифицировать на активные и пассивные. Точность активных датчиков выше по сравнению с пассивными, однако, пассивные датчики практически невозможно обнаружить дистанционно, что является существенным преимуществом применительно к охранным системам. [2]
Активные ДД обычно работают на ультразвуковых сонарах, которые работают по принципу измерения времени отражения ультразвуковой волны от объекта, они являются достаточно точными, недорогостоящими и простыми в использовании, но данные датчики являются активными за счет испускания УЗ волны, что для охранных систем является существенным недостатком. Остальные датчики, кроме инфракрасных, работают по аналогичному принципу и имеют тот же недостаток.
В основе пассивных ДД обычно используются инфракрасные датчики, работающие по принципу анализа теплового (инфракрасного) излучения. Они являются также простыми и дешевыми, но имеют очень широкую диаграмму направленности, следовательно, они определяют наличие теплого объекта (человека) в помещении, но не определяют его конкретное местоположение. [3]
1.2 Обзор современных систем технического зрения интегрированных в робототехнические комплексы
Системы технического зрения обычно используется в робототехнических комплексах.
«Робототехнический комплекс - совокупность функционально связанных между собой технических устройств, включающая робототехническое средство (РТС) и средства его эксплуатации.» [4]
Робототехнические комплексы крепко закрепились в нашей повседневной жизни. Они используются практически во всех сферах деятельности, а зачастую и полностью заменяют человека. Из этого вытекает ряд положительных моментов, т.к. роботы могут вести рутинную работу исключая «человеческий фактор», что повышает качество и точность выполняемых роботом задач. Главное преимущество РТК заключается в том, что они могут работать в труднодоступных и опасных для человека местах. [5]
Робототехнические комплексы можно подразделить на автономные и управляемые. Для управления РТК без возможности автономного движения для оценки окружающий среды и ориентации в пространстве используются ТВ камеры, с помощью которых оператор оценивает ситуацию и подает команду через средства связи на управляющий модуль РТК. [6]
Но для правильного функционирования автономного робототехнического комплекса, ему необходимо оценивать окружающую среду вокруг для ориентации в пространстве. Для этих целей и используют систему технического зрения, основанную на ТВ камерах и сложном алгоритме распознавания предметов. Такие системы затрачивают значительные вычислительные ресурсы, и как следствие, являются дорогостоящими. [7]
Зачастую, бывают задачи, при решении которых необходимо однократно использовать РТК с дальнейшим его разрушением. В основном это робототехнические комплексы военного назначения (РТК ВН) [8]. Для таких задач, целесообразно использовать недорогостоящие роботы, с целью экономии средств, затраченных на их производство. Также следует отметить, что зачастую ТВ камеры, используемые в СТЗ при выполнении ряда задач, имеют избыточные функции. [9]
Поэтому систему технического зрения можно упростить, таким образом, чтобы РТК смог самостоятельно передвигаться и выполнять поставленные ему задачи. Предлагается для решения данной задачи использовать комбинацию из ультразвуковых сонаров, с помощью которых РТК сможет определять наличие препятствий вокруг него, и инфракрасных датчиков, по средствам которых РТК сможет различать живые объекты среди данных препятствий.
электрический ультразвуковой сонар датчик
2. Постановка задачи
Таким образом, использование инфракрасных датчиков имеет исключительные достоинства наряду с другими датчиками. Но широкая диаграмма направленности не позволяет использовать их с целью определения расположения человека в пространстве. Диаграмма направленности датчиков, использующихся в настоящее время показана на рисунках 1 и 2.
Рис. 1 Горизонтальный сектор обзора ИК датчика
Рис. 2 Вертикальный сектор обзора ИК датчика
Таким образом, если модернизировать ИК датчик и уменьшить его диаграмму направленности, то можно использовать группу из модернизированных датчиков, с целью определения местоположения излучающего тепло объекта. Следовательно, данное устройство может пригодиться для охранных систем, а также роботизированных комплексов. Также, помимо инфракрасных датчиков, модернизации можно подвергнуть и ультразвуковые сонары уменьшив диаграмму направленности с целью увеличения точности детектирования. [10]
Предлагается создать сенсорную систему, основанную на модернизированных инфракрасных датчиках и, исходя из целей, ультразвуковых сонарах. Данная система должна иметь разъемы для подключения датчиков, управляющий контроллер, а также разъем для подключения к другому контроллеру. Таким образом, будет возможно использовать несколько сенсорных систем, управляемых единым контроллером, следовательно, будет увеличена площадь детектирования.
У данной системы нет аналогов, она конструктивно проста, а также является недорогостоящей. Данная сенсорная система широкого назначения сможет стать альтернативой для многих систем и использоваться во многих сферах. [11]
3. Разработка функциональной схемы устройства
Разработка функциональной и электрической схем устройства производилось в программном комплексе RuSplan. Программа предназначена для создания электрических и функциональных схем, разработанная немецкой фирмой ABAKOM. Интерфейс программы очень прост и удобен, т.е. позволяет освоить программу за короткое время. Программа имеет внутреннюю библиотеку, содержащую необходимые элементы, которые при построении схемы нужно перетащить на лист и соединить между собой. Все элементы библиотеки могут быть отредактированы и сохранены, их можно группировать, вращать, перемещать, а также можно создавать новые элементы и сохранять их в библиотеку. При переносе элемента на лист они автоматически привязываются к сетке листа. Таким образом, программа позволяет рисовать схемы любой сложности. [12]
Рис. 3 Интерфейс программы RuSplan
Библиотека RuSplan включает в себя такие группы элементов как:
-Акустика (микрофон, громкоговоритель и т.д.);
-Антенны;
-Генераторы (импульсный, синусоидальный, пилообразный);
-Диоды, тиристоры;
-Заземление;
-Индуктивности;
-Клеммы, вилки;
-Конденсаторы;
-Корпуса транзисторов;
-Лампы (люминесцентная лампа, неоновая лампа и т.д.);
-Операционные усилители;
-Оптроны;
-Переключатели;
-Питание (батарея, аккумулятор, солнечный элемент и т.д.);
-Полевые транзисторы;
-Приборы (ваттметр, индикатор, амперметр, вольтметр и т.д.);
-Разное (пьезоэлектрический резонатор, экран, экранированный провод и т.д.);
-Разъемы;
-Резисторы;
-Реле;
-Сигнальные устройства (лампа, звонок);
-Символы (различные условные знаки);
-Структурные схемы (преобразователь, заземление, модулятор и т.д.);
-Транзисторы;
-Трансформаторы;
-Цифровые интегральные схемы (далее ИМС).
Предполагается, что сенсорная система широкого назначения будет включать в себя:
-Единый управляющий микроконтроллер (МК), с помощью которого будет осуществляться сбор и обработка данных полученных с датчиков, а также передача этой информации на устройство следующего уровня, либо общий контроллер;
-Датчики, в зависимости от поставленной задачи.
Тип и быстродействие МК, выбирается исходя из необходимого количества датчиков, которое в свою очередь определяется исходя из требуемого сектора обзора самого устройства
Также стоит отметить, что для правильного функционирования пироэлектрических датчиков, им необходимо усиливающее и управляющее устройство, которое будет в дальнейшем передавать информацию на управляющий контроллер. [13]
Функциональная схема устройства предполагает два варианта реализации.
3.1 Разработка функциональной схемы устройства на пассивных датчиках
Первый вариант, показанный на рисунке 4, предполагает наличие только ИК датчиков, таким образом сенсор является пассивным и может быть использован в охранных системах, с целью детектирования производящего ИК излучение объекта в зоне работы сенсора, а также с дальнейшим определением расположения данного объекта.
Количество ИК датчиков зависит от поставленной задачи. С увеличением точности работы устройства уменьшается площать детектирования (Рисунок 5)
Рис. 4 Функциональная схема сенсорной системы широкого назначения, основанной на ИК датчиках
.
Рис. 5 Принцип расположения датчиков
.2 Разработка функциональной схемы устройства системы технического зрения
Функциональная схема устройства системы технического зрения, показанная на рисунке 6, предполагает наличие инфракрасных датчиков и ультразвуковых сонаров в соотношении, зависящем от поставленной задачи. Данный сенсор будет способен ориентироваться в пространстве, строить карту местности, а также определять излучающие тепло объекты, которые предположительно могут быть людьми. Такой сенсор может стать альтернативой системы технического зрения для робототехнических комплексов.
Рис. 6 Функциональная схема сенсорной системы широкого назначения, основанной на ИК датчиках и УЗ сонарах
При уменьшении диаграммы направленности ультразвукового сонара, можно добиться одинакового угла обзора двух датчиков. Таким образом, расположив их в непосредственной близости, мы можем наблюдать за перемещением объекта в более узких секторах, что значительно повысит точность определения расположения детектируемого объекта. Следовательно, заплатив избыточностью датчиков в схеме, но подключая их по мере надобности, можно добиться значительного уменьшения затрачиваемой мощности, что является положительным моментом, в изолированных системах. [14]
Рис. 7 Пример устройства модуля секторообразующей системы
4. Разработка электрической схемы устройства
Электрическая схема была разработана в соответствии с рекомендациями подключения элементов от производителя, а также в соответствии с единой системой конструкторской документации (ЕСКД).
«ЕСКД - комплекс стандартов, устанавливающих взаимосвязанные нормы и правила по разработке, оформлению и обращению конструкторской документации, разрабатываемой и применяемой на всех стадиях жизненного цикла изделия (при проектировании, изготовлении, эксплуатации, ремонте и т.д.)» [15]
ЕСКД используется с целью унификации конструкторской документации, назначение стандартов ЕСКД заключается в установлении единых правил на выполнение и оформление конструкторской документации. Таким образом, повышается качество изделий, за счет оптимальной комплектности документации и возможности взаимообмена документов на изделие среди изготовителей.
Схема электрическая принципиальная разрабатывалась в комплексной системе автоматизированного проектирования (САПР) Altium Designer.
«Схема электрическая - документ, содержащий в виде условных изображений или обозначений составные части изделия, действующие при помощи электрической энергии, и их взаимосвязи.». [16]
На принципиальной схеме изображают все электрические элементы или устройства, необходимые для осуществления и контроля в изделии установленных электрических процессов, все электрические взаимосвязи между ними, а также электрические элементы (соединители, зажимы и т.д.), которыми заканчиваются входные и выходные цепи.
«Altium Designer - комплексная система автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств.»
В настоящее время Altium Designer позволяется разрабатывать проекты электронных средств практически любой сложности. Отличительной особенностью программы является проектная структура и сквозная целостность ведения разработки на разных уровнях проектирования.
Рис. 8 Интерфейс схемного редактора Altium Designer
Приступая к проектированию проекта, необходимо разработать библиотеку элементов в Altium Designer, это позволит использовать элементы при построении принципиальной схемы устройства, а в дальнейшем и при трассировке платы.
Так как разработка проекта в Altium Designer является сквозной, необходимо не только начертить элемент для принципиальной схемы устройства, но также разработать footprint исходя из конструктивных особенностей элемента, описанных в datasheet.
На рисунке 9 показана разработка библиотечного элемента на примере фильтра питания MC78M00. Каждый вывод элемента в схемном редакторе синхронизирован с выводом в редакторе печатной платы. [17]
Прототипом данной системы является «системы датчиков для универсальной роботизированной платформы» [18], которая является основой для модуля секторообразующей системы. Электрическая схема системы была разработана в соответствии с рекомендациями подключения отдельных элементов и их обвязки, а также подключения этих элементов к микроконтроллеру.
Рис. 9 Редактор библиотек Altium Designer
Система датчиков, которая уже прошла апробацию, имеет разъемы для трех пироэлектрических датчиков, двух сонаров, а также гироскопа и акселерометра. Так как, имеющаяся система построена на микроконтроллере ATmega 328, то количество датчиков варьироваться не может, но для секторообразующей системы гироскоп и акселерометр являются лишними, и поэтому вычислительные ресурсы, а также освободившиеся выводы контроллера можно задействовать для подключения дополнительных датчиков. Схемы включения контроллера (МК) была построена исходя из особенностей работы контроллера и благодаря представленным справочным материалам на него.
Базовая схема включения микроконтроллера (далее МК) состоит из цепи синхронизации (ZQ1, C9, C10), цепи автосброса (С14, R12), фильтра электропитания (С7, С8) и разъема программирования ISP (Х2). [19]
На рисунке 10 представлена цоколевка микроконтроллера AТmega328 с указанием адресации выводов, используемых в плате Arduino, что позволяет использовать базовые программы при программировании, и как следствие, существенно упрощает процесс программирования. AТmega328 имеет 14 цифровых выводов и 8 аналоговых.
Рис. 10 Цоколевка микроконтроллера ATmega328
Для загрузки микропрограммы используется разъем ISP (In System Programming), также ставшим стандартом для плат Arduino. На рисунке 11 показана схема цоколевки разъемов.
-Masterout/ Slavein (MOSI) -Данные;
-Slaveout/ Masterin (MISO) -Данные;
-Syncclock (SCK) - Синхросигнал;
-TargetVoltage (VCC) - Питание;
-RESET - Сброс;
-0V Groung (GND) - Общая шина.
Исходя из особенностей работы микроконтроллера и благодаря представленным справочным материалам на него, была построена схема включения, представленная на рисунке 12.
Рис. 12 Схема включения микроконтроллера ATmega328
В данном проекте будет использован ультразвуковой дальномер HC-SR04 [18], который имеет 4 вывода:
-5V Supply (VCC) - Питание;
-Trigger Pulse Input (Trig) - Триггерный импульсный вход;
-Echo Output (Echo) - Аналоговый выход;
-0V Ground (GND) - Общая шина.
Также будет использован пироэлектрический датчик D203B, который имеет 3 вывода:
-5V Supply (VCC) - Питание;
-Echo Output (Echo) - Аналоговый выход;
-0V Ground (GND) - Общая шина.
Таким образом, разъем для внешних датчиков будет универсальным, но при использовании пироэлектрического датчика вывод Trig будет не подключен.
Еще одно отличие, которое будет содержать новая электрическая схема, это блок схемы, отвечающий за питание всей системы. Так как, в системе, содержащей гироскоп и контроллер, стояла острая необходимость решения проблемы согласования датчиков, так как, гироскоп и акселерометр имели меньшее напряжение питания относительно управляющего контроллера [20]. Сонары и инфракрасные датчики имеют такое же напряжение питания как микроконтроллер - 5В, таким образом, проблема согласования питания в данном случае нет.
Получившаяся электрическая схема показана на рисунке 13.
Рис. 13 Схема электрическая принципиальная
5. Выбор элементной базы
Выбор элементной базы для модуля секторообразующей системы осуществлялся исходя из элементной базы прототипа, о котором писалось выше, и исходя из функциональности элементов, их размеров, а также доступности на рынке и экономической составляющей. Так как прототип удачно прошел испытания, можно с уверенностью сказать, что при работе с этими элементами устройство будет функционировать стабильно.
.1 Микроконтроллер
Микроконтроллер ATmega328 (рис.14) является базовым звеном платформы ArduinoUNO. Микроконтроллер является управляющим ядром устройства, так как в его функции входит сбор и обработка информации с датчиков, а также дальнейшая передача сигналов управляющему модулю.
Рис. 14 Микроконтроллер ATmega328
Микроконтроллер ATmega328 имеет 32кБайта встроенной flash памяти, 32 вывода, из них 8 аналоговых и 15 цифровых, из них 6 вывода ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Сам котроллер является достаточно миниатюрным, что является важным фактором при учете задачи микроминиатюризации конструкции.
Рис. 15 Конфигурация контактных площадок для микроконтроллера ATmega328
Конфигурация контактных площадок для микроконтроллера показана на рисунке 15.
Таблица 1 Характеристики микроконтроллера ATmega328
ПараметрЗначениеДиапазон напряжения1,8 -...- 5,5 ВМаксимальная тактовая частотадо 20 МГцПамять: Flash32 Кб Память: RAM2 КбПамять: EEPROM1 Кблинии ввода/вывода I/O23Таймеры: 8-бит2 штТаймеры: 16-бит1 шт12Таймеры: Каналов ШИМ6 штТаймеры: RTCДа Интерфейсы: UART1 штИнтерфейсы: SPI1 штИнтерфейсы: I2C1 штАналоговые входы: Разрядов АЦП10 битАналоговые входы: Каналов АЦП8 штАналоговые входы: Быстродействие АЦП76.9 kSPSАналоговые входы: Аналоговый компаратор2 штСохранность информации20 лет при 85°С / 100 лет при 25 °С
5.2 Пассивные SMD элементы
При разработке устройства было решено использовать компоненты для поверхностного монтажа в корпусе типоразмера - 0805 (рис. 16), так как такие компоненты являются миниатюрными (рис. 17), но в тоже время поддаются ручному монтажу. [21]
Рис. 16 SMD компонент в корпусе типоразмера 0805
Рис. 17 Размер SMD компонента
Где для резистора:
·L = 2 мм;
·L1 = 0.4 мм;
·H = 0.4 мм;
·W = 1.2 мм.
Для конденсатора:
·L = 2 мм;
·L1 = 0.5 мм;
·H = 0.9 мм;
·W = 1.25 мм.
Конфигурация контактных площадок для SMD компонентов показана на рисунке 18.
Рис. 18 Конфигурация контактных площадок для SMD компонентов
Бескорпусные толстопленочные резисторы, предназначены для работы в цепях постоянного и импульсного тока, они являются доступными и экономически выгодными, а также, диапазон номинальных сопротивлений (1 Ом - 10 MОм) позволяет подобрать необходимый резистор. Такие резисторы используются при поверхностном монтаже и имеют номинальную мощность 0.125 Вт.
Керамические ЧИП конденсаторы являются доступными и недорогими, диапазон возможных емкостей колеблется в пределах от 0,3 пФ до 100 мкФ, а также, данные конденсаторы имеют низкий уровень собственных шумов, за счет низкого уровня импеданса на высоких частотах.
Таблица 2 Характеристики SMD резистора
ПараметрЗначениеНоминальная мощность0.125 ВтРабочее напряжение150 ВМаксимально допустимое напряжение300 ВДиапазон рабочих температур-55..125°СТочность5%Диапазон номинальных сопротивлений1 Ом - 10 MOм
Таблица 3 Характеристики SMD конденсатора
ПараметрЗначениеНоминальная мощность0.125 ВтРабочее напряжение50 ВДиапазон рабочих температур-55..125°СТип диэлектрикаC0G; C0H; P2H; S2H; T2H; U2J; SL; X5R; X7R; Z5U; Y5VДиапазон номинальных емкостей0,3 пФ - 100 мкФ
5.3 Кварцевый генератор
Для стабильной работы микроконтроллера ATmega328 необходим кварцевый генератор с тактовой частотой 16 МГц. Он предназначен для получения колебаний фиксированной частоты. Для конструирования устройства был выбран кварцевый генератор KX-7T (рис. 19) на 16 МГц, выполненным в SMD корпусе для поверхностного монтажа. [22]
Рис. 19 кварцевый генератор KX-7T
Рис. 20 Конфигурация контактных площадок для кварцевого генератора KX-7T
Таблица 4 Характеристики кварцевого генератора
ПараметрЗначениеЧастота16 МГцСтабильность при 25°C50Стабильность в рабочем температурном диапазоне100Шунтирующая ёмкость5 пФНагрузочная ёмкость12 пФНомер рабочей гармоники1Резонансное сопротивление100 ОмРабочая температура-40..85°С
5.4 Линейные регуляторы напряжения
Линейный регулятор напряжения в электрической схеме отвечает за понижение напряжения с 9В (общее питание) до 5В, необходимого для питания микроконтроллера и внешних датчиков. Для разработки устройства был выбран регулятор напряжения MC78M05CDT (рис. 21). [10]
Рис. 21 Регулятор напряжения MC78M05CDT
Рис. 22 регулятора напряжения MC78M05CDT
Конфигурация контактных площадок (рис. 22, 23) была взята из справочного материала на этот элемент.
Рис. 23 Конфигурация контактных площадок для регулятора напряжения MC78M05CDT
Таблица 5 Характеристики регулятора напряжения MC78M05CDT
ПараметрЗначениеМин. входное напряжение7 ВМакс. выходное напряжение35 ВВыходное напряжение5 ВНоминальный выходной ток0.5 АПадение напряжения вх/вых2Тип монтажаповерхностныйПолярность включенияположительнаяРабочая температура0..125°С
.5 Ультразвуковой сонар
В задачи системы технического зрения входит определение расстояния до объектов, поэтому необходимо применить ультразвуковой или инфракрасный дальномер. Для удобства было принято решение использовать ультразвуковой сонар HC-SR04 (рис. 24), так как он приспособлен к работе с контроллером ATmega328, а также является доступным и экономически выгодным. [21]
Он имеет 4 вывода:
-Trigger Pulse Input (Trig) - Триггерный импульсный вход;
-Echo Output (Echo) - Аналоговый выход;
-0V Ground (GND) - Общая шина.
Рис. 24 Ультразвуковой сонар HC-SR04
Таблица 6 Характеристики ультразвукового сонара HC-SR04
ПараметрЗначениеНапряжение питания5 ВПотребление в режиме «тишины»2 мАПотребление при работе15 мАДиапазон расстояний2-400 смЭффективный угол наблюдения15°Рабочий угол наблюдения30°
Рис. 25 Диаграмма направленности ультразвукового сонара HC-SR04
Данные сонары будут подвержены модернизации, с целью уменьшения диаграммы направленности, так как, на данный момент угол обзора для нашей задачи слишком велик (рис. 25).
5.6 Пироэлектрический инфракрасный датчик
Для использования в сенсорной системе, а также для дальнейшей модернизации, был выбран датчик D203B (рисунок 26), так как он приспособлен к работе с контроллером ATmega328, а также является удобным для модернизации. [23]
Рис. 26 Пироэлектрический инфракрасный датчик D203B
Таблица 7 Характеристики ультразвукового сонара D203B
ПараметрЗначениеИК приемного электрода2х1 мм, 2 элементаРазмер окна5х3,8 ммспектральный отклик5-14 мкмпрозрачность≥75%выходной сигнал≥3500мВчувствительность≥3300 В/Втшум<70мВвыходной баланс<10%напряжение смещения0,3-1,2Внапряжение питания3-15Врабочая температура-30-70°Стемпература хранения-40-80°С
Рис. 27 Горизонтальный и вертикальный сектора обзора датчика D203B без линзы Френеля
Рис. 28 Горизонтальный и вертикальный сектора обзора датчика D203B с линзой Френеля
Данные датчики служат для регистрации инфракрасного излучения вблизи устройства. Обычно, для увлечения поля обзора датчика используют линзу Френеля, что позволяет регистрировать появление излучающего тепло объекта в широком секторе обзора Диаграмма направленности данного датчика слишком широка и для задачи определения объектов, испускающих инфракрасное излучение. Но снятие линзы не решает данную проблему, т.к. сектор обзора должен регулироваться исходя из поставленных задач. [24]
.7 Перечень используемых электронных компонентов
Перечень используемых электронных компонентов представлен в таблице 8. [25]
Таблица 8 Перечень электронных компонентов устройства
№НаименованиеКол-воПримечаниеРезисторы1SMD 0805 0.125Вт - 10 КОм ±1%1Конденсаторы2SMD 0805 0.125Вт - 10мкФ ±5%43SMD 0805 0.125Вт - 100нФ ±5%44SMD 0805 0.125Вт - 22пФ ±10%2Кварцевый генератор5SMD 0805 KX-7T 16МГц 1ИМС6Microcontroller ATmega3281Разъемы7ISP1d-0,7мм, 6отв.8Внешний датчик8d-0,7мм, 4отв.9RS2321d-0,7мм, 2отв.
6. Модернизация датчиков
Для реализации данного проекта необходимо модернизировать используемые датчики, т.к. для решения поставленной задачи ультразвуковые сонары будут иметь точность определения объектов в недостаточных пределах, а диаграмма направленности ультразвукового сонара полностью не подходит для данного проекта.
Таким образом необходимо модернизировать пироэлектрические датчики, а ультразвуковые сонары в зависимости от необходимой точности работы системы.
6.1 Модернизация пироэлектрического датчика
Пироэлектрические датчики служат для регистрации инфракрасного излучения вблизи устройства. Обычно, для увлечения поля обзора датчика используют линзу Френеля, что позволяет регистрировать появление излучающего тепло объекта в широком секторе обзора (рис. 29). Но при решении задач определения местоположения объекта вблизи устройства подобные характеристики неприемлемы.
Рис. 29 Горизонтальный сектор обзора датчика
Исходя из выше сказанного, было решено заменить линзу Френеля апертурой (рис. 31), длина которой определяется из законов геометрической оптики, таким образом, чтобы диаграмма направленности сузилась (рис. 30).
Рис. 30 Горизонтальный сектор обзора модернизированного датчика
Рис. 31 Модернизированный пироэлектрический ИК датчик
Экспериментально, было доказано, что диаграмма направленности является прогнозируемой, а, следовательно, длина апертуры может быть рассчитана. Зависимость угла обзора датчика от длины апертуры показана на диаграмме (рис. 32). В экспериментальном исследовании интерференция излучения не учитывалась. [26]
После уменьшения сектора обзора датчика, стало возможным размещение нескольких модернизированных инфракрасных датчиков, таким образом, чтобы диаграммы направленности пересекались друг с другом (рис. 33).
Рис. 32 График зависимости угла обзора датчика от длины сменной насадки, красная вертикальное расположение датчика, черная горизонтальное расположение датчика
Рис. 33