Джон Ловин - Создаем робота-андроида своими руками

Датчики ИК излучения

Датчики ИК излучения работают в диапазоне низких частот излучения световых волн (900 нм и ниже). Они заслуживают специального рассмотрения, поскольку широко используются в роботах для ориентирования, обхода препятствий и связи.

Использование ИК датчиков не представляет никаких трудностей. У различных дистрибьюторов можно найти модули, содержащие детектор модуляции (см. рис. 5.9). Их преимущество в том, что они детектируют ИК сигнал, модулированный строго определенной несущей частотой (обычно около 40 кГц).

Рис. 5.9. ИК приемный модуль

Несущая частота 40 кГц может быть промодулирована в свою очередь другим низкочастотным сигналом. Приемный модуль также изготовлен таким образом, что он «принимает» сигналы только на частоте несущей 40 кГц. Такой способ позволяет создать очень надежный канал связи. Сперва приемный модуль обнаруживает несущую 40 кГц и только после этого «отпирает» устройство для приема сигнала модуляции передатчика ИК излучения, отфильтровывая, таким образом, сигналы других источников. После этого осуществляется детектирование модулированного сигнала с несущей 40 кГц.

На рис. 5.10 изображен простой детектор препятствий. Как только устройство приближается к препятствию, поток отраженного ИК излучения возрастает. Соответственно, возрастает напряжение на приемнике ИК излучения, что в какой-то момент перебрасывает компаратор и выдает сигнал, информирующий о наличии препятствия по ходу движения.

Рис. 5.10. Изображение ИК детектора препятствий

На рис. 5.11 изображена схема ИК передатчика. Передатчик использует ИС таймер типа 555 в режиме генерации. Переменный резистор R1 регулирует частоту выходных импульсов. Выход таймера соединен с NPN транзистором типа 2N2222, в эмиттерную цепь которого включен ИК светодиод. Обратите внимание, что при работе схемы диод светиться не будет, т. к. ИК излучение невидимо для человеческого глаза. Поскольку мы конструируем простой детектор препятствий, модуляция несущей 40 кГц не требуется.

Рис. 5.11. Схема ИК передатчика

На рис 5.12 изображена схема приемника ИК излучения. Приемный модуль представляет собой устройство Everlite IRM-8420, имеющее центральную частоту 37,9 кГц и ширину полосы пропускания 3 кГц (±1,5 кГц). Выход модуля представляет собой выход низкого уровня. Это означает, что при обнаружении сигнала выход «садится» на землю. Такой выход эквивалентен выходу на транзисторе NPN структуры с открытым коллектором (см. вставку на рис. 5.12). Ток выхода достаточен для зажигания светодиода. В тестовой схеме наличие сигнала вызовет зажигание светодиода.

Рис. 5.12. Схема ИК приемника

Расположите передатчик и приемник ИК излучения один возле другого в одном и том же направлении. Для того чтобы ИК светодиод передатчика излучал свет в строго определенном направлении, его необходимо заключить в светонепроницаемую трубку. Если не сделать этого, то настройка может оказаться невозможной. Помните о том, что некоторые пластмассы, непроницаемые для видимого света, могут оказаться прозрачными для лучей ИК диапазона.

Разместите квадратный кусочек белого картона (со стороной порядка 8 см) перед приемником и передатчиком. Регулируйте величину сопротивления R1 до зажигания светодиода. Затем удалите картонку – светодиод должен погаснуть. Если этого не происходит, возможно, боковое ИК излучение улавливается приемником.

После того как устройство заработало, необходимо более тщательно подобрать сопротивление R1 для обнаружения объектов на большем расстоянии. Передвигайте картонку по направлению к устройству до момента зажигания светодиода. Немного подрегулируйте R1 до полного зажигания светодиода. Обратите внимание: для правильной работы робота обнаружение препятствий на слишком большом расстоянии может оказаться нежелательным.

ИК системы связи и ДУ с использованием DTMF

ИК передатчики используются многими авторами для создания систем связи и дистанционного управления (ДУ). Как правило, ИК передатчик модулируется определенными частотами, а ИК приемник использует ИС типа 567, снабженную системой ФАПЧ. Для обеспечения нормальной работы необходимы настройка и согласование каждой пары «приемник-передатчик». Ниже приведены примеры построения подобных систем.

Разработан ряд специализированных широко доступных интегральных схем для применения в сфере телекоммуникаций. Подобные недорогие ИС способны передавать и принимать до 16 различных сигналов без предварительной настройки. Путем соединения подобных ИС со стандартными ИК излучателями и приемниками возможно создание ИК систем связи и дистанционного управления.

Коды DTMF

Сигналы DTMF (dual-tone multifrequency [двухтоновый многочастотный сигнал]) были предложены более 25 лет назад. Это произошло как раз перед тем, как правительство США форсировало расформирование компании Bell Telephone для разделения ее по различным секторам рынка. DTMF обычно известен как способ тонального набора.

Стандартный сигнал DTMF состоит из двух тонов звуковых частот, выбранных из группы восьми различных звуковых сигналов. Эти сигналы восьми различных частот поделены на две группы: группа сигналов низкого тона и группа сигналов высокого тона (см. табл. 5.2). Сигнал DTMF представляет собой комбинацию сигналов звуковых тонов, выбранных из различных групп (см. рис. 5.13-5.15). Простейший подсчет показывает, что возможны 4 х 4 = 16 возможных комбинаций.

Рис. 5.13. Форма колебаний низкого тона

Рис. 5.14. Форма колебаний высокого тона

Рис. 5.15. Алгебраическая сумма колебаний высокого и низкого тонов (DTMF)

Сигналы низкого тона (от R1 до R4) относятся к группе рядов. Сигналы высокого тона (от С1 до С4) образуют группу колонок.

Любая комбинация частот может быть получена при использовании матрицы выключателей 4 х 4 или соответствующей клавиатуры (рис. 5.16). Помните, что эта технология была заимствована из телефонной индустрии, поэтому она была рассчитана на эффективное применение в телефонных линиях достаточно посредственного качества.

Рис. 5.16. Матрица клавиатуры 4х4, показывающая отдельные частоты DTMF

Стандартные телефоны с тональным набором используют матрицу клавиатуры размером 3х4. Такая матрица позволяет кодировать сигналы частот всех возможных рядов, но только трех вертикальных колонок (см. рис. 5.17). Клавиатура размером 3х4 более доступна и будет использоваться во всех схемных решениях, описанных ниже.

Рис. 5.17. Распайка телефонной клавиатуры 3х4

Не все клавиатуры от телефонов работают подобным образом, поэтому некоторые из них окажутся непригодными для наших схем. Например, некоторые клавиатуры имеют отличающуюся распайку выводов и требуют соответствующих ИС. По этой причине, если вы используете клавиатуру, то должны убедиться в ее правильном функционировании.

Изготовление кодера DTMF достаточно просто (см. рис. 5.18). Для этого потребуются клавиатура, кварцевый резонатор и ИС типа 5089. Цоколевка ИС 5089 показана на рис. 5.19. При использовании стандартной клавиатуры от телефона размером 3х4 вы потеряете возможность генерации 4-х DTMF кодов, связанных с отсутствующими клавишами, что снижает максимально возможное количество комбинаций до 12.

Рис. 5.18. Кодер DTMF, использующий матрицу клавиатуры 4х4

Рис. 5.19. Цоколевка кодера DTMF ИС 5089

На рис. 5.20 изображена тестовая схема кодера, в которой использованы восемь кнопочных выключателей. Эти выключатели в данном случае заменяют клавиатуру, с их помощью вы сможете проверить работу кодера и работу схемы приемника (декодера). Помните, что необходимо использовать кнопочные выключатели, работающие на замыкание. Для нормальной работы необходимо соединение одного из выводов R1-R4 и C1-C4 c землей, что осуществляется соответствующими кнопками.

Рис. 5.20. Схема кодера, использующего восемь кнопочных переключателей

ИС способна генерировать одиночные тоны, что обычно предпринимается для целей тестирования. Например, чтобы сгенерировать тон частоты 1336 Гц, соответствующий выводу С2, необходимо замкнуть на землю вывод С2 и любые два вывода из группы рядов R1-R4. Такая операция и приведет к генерации чистого тона 1336 Гц. То же самое можно проделать для генерации тона из группы рядов. Для этого необходимо заземлить любые два вывода из группы колонок и необходимый для генерации заданной частоты вывод из группы рядов.