Презентация "Робот дома"

Робот дома

Интересная физика

• Сделать робота можно, используя лишь одну микросхему драйвера моторов и пару фотоэлементов. Принцип поведения робота основывается на "фоторецепции" и является типичным для целого класса BEAM-роботов . В живой природе, которой будет подражать наш робот, фоторецепция - одно из основных фотобиологических явлений, в котором свет выступает как источник информации. В устройстве робота, кроме микросхемы драйвера моторов  L293D , будет использоваться только один фотоэлемент и один электромотор. В качестве фотоэлемента можно применить не только фототранзистор, но и фотодиод или фоторезистор.

Что такое фотодиод?

Фотодио́д  — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Принцип работы фотодиода

• При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C p-n
• Фотодиод может работать в двух режимах:
• фотогальванический — без внешнего напряжения
• фотодиодный — с внешним обратным напряжением
• Особенности:
• простота технологии изготовления и структуры
• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
• малое сопротивление базы
• малая инерционность

Параметры фотодиода

• Чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.
• Шумы помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристика фотодиода

• спектральные характеристики зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

световые характеристики

• световые характеристики зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

постоянная времени

• это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

Что такое микросхема драйвера?

Драйвер  (англ.  driver  — управляющее устройство, водитель) — электронное устройство, предназначенное для преобразования электрических сигналов, целью которого является управление чем-либо. Драйвером обычно называется отдельное устройство или отдельный модуль, микросхема в устройстве, обеспечивающие преобразование электрических управляющих сигналов в электрические или другие воздействия, пригодные для непосредственного управления исполнительными или сигнальными элементами.

Принцип работы L293d

Преобразование управляющие сигналы малой мощности в токи, достаточные для управления моторами.

Принцип работы каждого из драйверов, входящих в состав микросхемы, идентичен, поэтому рассмотрим принцип работы одного из них. К выходам OUTPUT1 и OUTPUT2 подключим электромотор MOTOR1.  На вход ENABLE1, включающий драйвер, подадим сигнал (соединим с положительным полюсом источника питания +5V). Если при этом на входы INPUT1 и INPUT2 не подаются сигналы, то мотор вращаться не будет.

Если вход INPUT1 соединить с положительным полюсом источника питания, а вход INPUT2 - с отрицательным, то мотор начнет вращаться. Теперь попробуем соединить вход INPUT1 с отрицательным полюсом источника питания, а вход INPUT2 - с положительным. Мотор начнет вращаться в другую сторону. Попробуем подать сигналы одного уровня сразу на оба управляющих входа INPUT1 и INPUT2 (соединить оба входа с положительным полюсом источника питания или с отрицательным) - мотор вращаться не будет. Если мы уберем сигнал с входа ENABLE1, то при любых вариантах наличия сигналов на входах INPUT1 и INPUT2 мотор вращаться не будет.

Характеристики микросхемы L293D  

• напряжение питания двигателей (Vs) - 4,5...36V  напряжение питания микросхемы (Vss) - 5V  допустимый ток нагрузки - 600mA (на каждый канал)  пиковый (максимальный) ток на выходе - 1,2A (на каждый канал)  логический "0" входного напряжения - до 1,5V  логическая "1" входного напряжения - 2,3...7V  скорость переключений до 5 kHz.  защита от перегрева 

Теперь рассмотрим назначение выводов микросхемы L293D.

• Входы ENABLE1 и ENABLE2 отвечают за включение каждого из драйверов, входящих в состав микросхемы. Входы INPUT1 и INPUT2 управляют двигателем, подключенным к выходам OUTPUT1 и OUTPUT2. Входы INPUT3 и INPUT4 управляют двигателем, подключенным к выходам OUTPUT3 и OUTPUT4. Контакт Vs соединяют с положительным полюсом источника электропитания двигателей или просто с положительным полюсом питания, если питание схемы и двигателей единое.

• Проще говоря, этот контакт отвечает за питание электродвигателей. Контакт Vss соединяют с положительным полюсом источника питания. Этот контакт обеспечивает питание самой микросхемы. Четыре контакта GND соединяют с "землей" (общим проводом или отрицательным полюсом источника питания). Кроме того, с помощью этих контактов обычно обеспечивают теплоотвод от микросхемы, поэтому их лучше всего распаивать на достаточно широкую контактную площадку.

Приступаем к работе

На рисунке приведены монтажная и принципиальная схемы робота, и если Вы еще не очень хорошо знакомы с условными обозначениями, то, исходя из двух схем, несложно понять принцип обозначения и соединения элементов. Провод, соединяющий различные части схемы с "землей" (отрицательным полюсом источника питания), обычно не изображают полностью, а на схеме рисуют небольшую черточку, обозначающую, что это место соединяется с "землей". Иногда рядом с такой черточкой пишут три буквы "GND", что означает "землю" (ground). Vcc обозначает соединение с положительным полюсом источника питания. Вместо букв Vcc часто пишут +5V, показывая тем самым напряжение источника питания.

Вот так присоединяется фотодиод. В дальнейшем понадобиться для присоединения к микросхеме.

• Принцип действия схемы робота очень простой. Когда на фототранзистор PTR1 упадет луч света, то на входе INPUT1 микросхемы драйвера двигателей появится положительный сигнал и мотор M1 начнет вращаться. Когда фототранзистор перестанут освещать, сигнал на входе INPUT1 исчезнет, мотор перестанет вращаться и робот остановится. Чтобы скомпенсировать проходящий через фототранзистор ток, в схему введен резистор R1, номинал которого можно выбрать около 200 Ом. От номинала резистора R1 будет зависеть не только нормальная работа фототранзистора, но и чувствительность робота.

• Если сопротивление резистора будет большим, то робот будет реагировать только на очень яркий свет, если - небольшим, то чувствительность будет более высокой. В любом случае не следует использовать резистор с сопротивлением менее 100 Ом, чтобы предохранить фототранзистор от перегрева и выхода из строя.
• Сделать робота , реализующего реакцию фототаксиса (направленного движения к свету или от света), можно с использованием двух фотосенсоров.

• Когда на один из фотосенсоров такого робота попадает свет, включается соответствующий сенсору электромотор и робот поворачивает в сторону света до тех пор, пока свет не осветит оба фотосенсора и не включится второй мотор. Когда оба сенсора освещены, робот движется навстречу источнику света. Если один из сенсоров перестает освещаться, то робот снова поворачивает в сторону источника света и, достигнув положения, при котором свет падает на оба сенсора, продолжает свое движение на свет. Если свет перестает падать на фотосенсоры, робот останавливается. Схема робота симметричная и состоит из двух частей, каждая из которых управляет соответствующим электромотором. По сути, она является как бы удвоенной схемой предыдущего робота. 

Фотосенсоры следует располагать крест-накрест по отношению к электромоторам так, как показано на рисунке робота выше. Также можно расположить моторы крест-накрест относительно фотосенсоров так, как показано на монтажной схеме рис.1

Рис.1

Если мы расположим сенсоры в соответствии с рисунком 1, то робот будет избегать источников света и его реакции будут похожи на поведение крота, прячущегося от света.

Сделать поведение робота  более живым 

• Сделать поведение робота  более живым можно, подав на входы INPUT2 и INPUT3 положительный сигнал (подключить их к плюсу источника питания): робот будет двигаться при отсутствии падающего на фотосенсоры света, а "увидев" свет, будет поворачивать в сторону его источника.

Чтобы сделать робота , "бегающего" за рукой,

Чтобы  сделать робота , "бегающего" за рукой, нам понадобятся два ярких светодиода (на схеме LED1 и LED2). Подключим их через резисторы R1 и R4, чтобы скомпенсировать протекающий через них ток и предохранить от выхода из строя. Расположим светодиоды рядом с фотосенсорами, направив их свет в ту же сторону, в которую ориентированы фотосенсоры, и уберем сигнал с входов INPUT2 и INPUT3. Как его собирать показана на рис.2

Рис.2

• Задача получившегося робота - реагировать на отраженный свет, который излучают светодиоды. Включим робота и поставим ладонь перед одним из фотосенсоров. Робот повернет в сторону ладони. Переместим ладонь немного в сторону так, чтобы она скрылась из поля "зрения" одного из фотосенсоров, в ответ робот послушно, как собачка, повернет за ладонью. Светодиоды следует подбирать достаточно яркие, чтобы отраженный свет устойчиво улавливался фототранзисторами. Хороших результатов можно достичь при использовании красных или оранжевых светодиодов с яркостью более 1000 мКд. Если робот реагирует на вашу руку только тогда, когда она почти касается фотосенсора, то можно попробовать поэкспериментировать с листочком белой бумаги: отражающие способности белого листа намного выше, чем у человеческой руки, и реакция робота на белый листок будет намного лучше и устойчивее.

Робот следующий по линии

Белый цвет обладает самыми высокими отражающими свойствами, черный - наименьшими. Основываясь на этом, можно сделать робота, следующего по линии. Сенсоры при этом следует расположить так, чтобы они были направлены вниз. Расстояние между сенсорами должно быть немного больше, чем ширина линии.

• Белый цвет обладает самыми высокими отражающими свойствами, черный - наименьшими. Основываясь на этом, можно сделать робота, следующего по линии. Сенсоры при этом следует расположить так, чтобы они были направлены вниз. Расстояние между сенсорами должно быть немного больше, чем ширина линии.

Спасибо за вниманье!)