Vonalérzékelő szenzor

A robot a vonal érzékelésére egy fotoellenállást használ, amelynek az ellenállása a rá eső fény értékétől függően változik. Nagy fényerősség esetén az ellenállás alacsony, sötétben pedig nagy. Ezt az ellenállás-változást kell olyan érték-változásává alakítani, amit a mikrokontroller mérni tud. Az alábbi ábrának megfelelően csatlakoztatva a fotoellenállást a mikrokontrollerhez, átalakíthatjuk az ellenállás-változást feszültségszint-változássá.

A LED-től és a hozzá tartozó áramkorlátozó ellenállástól eltekintve, a fenti kapcsolás értelmezhető egy olyan speciális feszültségosztó kapcsolásként is, amelyben az egyik ellenállás (a fotoellenállás) értéke változik. Ezzel a kapcsolással az érzékelő az LDR-re visszaverődött fényerősségtől függő feszültségjelet ad válaszul (nagyobb fényerő esetén nagyobb feszültséget). Ezt a jelet a mikrovezérlő már tudja kezelni. A fehér LED a talajt megvilágító, állandó nagyságú fényerősségről gondoskodik.

A feszültségosztó kapcsolás egyenletei alapján, a szenzor kimenetén lévő feszültség az alábbi képlettel számolható:

Amíg a fotoellenállás a világos padló felett van, addig a több visszavert fény miatt a fényerősség nagy, az LDR ellenállása (R_LDR ) kicsi, ezért nagy áram folyik az áramkör ezen ágában. A kis ellenálláson eső feszültség is kicsi, ezért a kimeneti lábon lévő feszültség közelítőleg VCC-vel egyezik meg (3,3 V). Amikor a fotoellenállás a fekete vonal felett van, a kevés visszavert fény miatt az LDR ellenállása nagy, ezért kis áram folyik az áramkör ezen ágában. A nagyobb ellenálláson nagy a feszültségesés is, ezért a kimenetre jutó feszültség közelít a 0 V-hoz. Ezt az analóg feszültséget alakítjuk át az ADC-vel egy digitális számmá.

(a nagyobb mérethez kattints a képre)

A fényes és sötét állapotok közötti relatív feszültségváltozást az alábbi képlettel számolhatjuk ki:

Ahol R_sötét és R_világos a fotoellenállás sötétben és világosban mért ellenállása. A szenzor érzékenységének maximalizálásához az R ellenállás értékét úgy kell megválasztani, hogy a relatív feszültség-változás a lehető legnagyobb legyen.

Az ideális szenzornak közel nulla lenne az ellenállása fényben, és végtelen nagy lenne sötétben, ezért a fényes és a sötét állapotok között maximális feszültségváltozást adna válaszul. Az általam használt szenzor közel sem tökéletes, világosban mért ellenállása kb 10 kΩ, sötétben pedig 1.000 kΩ. Ha ezeket a fenti képletbe beírjuk, és a relatív feszültségváltozást az R ellenállás függvényében ábrázoljuk, akkor az alábbi grafikont kapjuk:

A grafikonról látható, hogy kb. 100 kΩ-os érték esetén lesz a legnagyobb a szenzor válasza. De ekkora ellenállást alkalmazva, a fellépő áram értéke nagyon kicsi, emiatt a szenzor a zajokra fokozottan érzékenyebb lesz. Meg kell találni a megfelelő kompromisszumot az érzékenység és a zajosság között, ezért a szenzornál egy 22 kΩ-os ellenállást használtam.

A vonalérzékelő szenzorokat egyetlen próba-NYÁK-ra építettem rá.

A vonalérzékelő szenzort úgy alakítottam ki, hogy a fotoellenállás a LED-hez viszonyítva előrébb legyen, így a LED fénye a fotoellenállás mögül jön, ezért a LED közvetlenül nem tud rávilágítani a fotoellenállásra, csak a padlóról visszaverődött szórt fény éri el a szenzort. Az alábbi kép ezt mutatja:

A követendő vonal 18 mm széles fekete szigetelőszalagból készült. A vonalkövető szenzort úgy kell megépíteni, hogy a vonal a két érzékelő között helyezkedjen el, ezért a szenzorok között kb. 30 mm-es távolságot hagytam.

A fotoellenállás nagyon érzékeny a környezeti fényviszonyokra, ezért a szenzort megpróbáltam műanyag kupakokkal a lehető legjobban leárnyékolni úgy, hogy a fotoellenállást lehetőleg csak a LED-ről érkező, a padlóról visszaverődött fény világítsa meg. A vonalérzékelő szenzort a robot elejére, a talajtól kb 3-5 mm távolságra szereltem fel.