Elementy

Czujnik (ang. sensor) jest elementem, który przetwarza określoną wielkość fizyczną w wielkość elektryczną, np. w napięcie, prąd, opór, itp. W ten sposób dana wielkość może zostać odczytana przez układ elektroniczny. Czujniki wykorzystuje się w robotyce, układach zabezpieczających oraz w wielu innych urządzeniach. Np. w telefonach komórkowych montowane są czujniki położenia, które reagują na wychylenia telefonu, np. w celu przełączania ekranu z trybu pionowego w poziomy.

Czujnik dotyku (ang. touch sensor) pozwala wykryć dotknięcie palcem. Czujniki takie mogą być stosowane w zastępstwie przycisków. Zwykle buduje się je na bazie specjalizowanego układu scalonego (np. TP223), który zawiera wewnątrz wszystkie niezbędne elementy elektroniczne. Dzięki temu układowi wykorzystanie czujnika staje się niezwykle proste:

Układ czujnika posiada trzy wyprowadzenia:

Gdy pole dotykowe nie jest dotykane palcem, na wyjściu SIG panuje stan niski, około 0,3VCC. Gdy pole zostanie dotknięte, to po około 60 ms na wyjściu SIG pojawia się stan wysoki 0,8VCC. Jednocześnie na płytce zaświeca się dioda D.

Zasada działania opiera się na zmianie pojemności pola dotykowego pod wpływem dotknięcia go palcem. Powoduje to zmianę częstotliwości generatora w układzie sterującym, która jest wykrywana i układ odpowiednio wysterowuje wyjście SIG. Czułość można regulować pojemnością kondensatora C1 – im mniejsza ta pojemność tym większa czułość na dotyk.

Czujnik nie posiada części mechanicznych, nie wymaga żadnego nacisku, wystarcza sam dotyk.

Koszt czujnika wynosi około 2 zł.

---

Prosty czujnik dotykowy możesz wykonać we własnym zakresie z dwóch tranzystorów npn, np. BC547 lub 2N2222:

Dwa tranzystory tworzą wzmacniacz prądowy. Wzmocnienie wzmacniacza jest równe iloczynowi wzmocnień poszczególnych tranzystorów (około 200 x 200 = 40000). Dotknięcie palcem pól stykowych powoduje ich zwarcie poprzez skórę. Przez bazę pierwszego tranzystora popłynie prąd, który odblokuje tranzystor, co z kolei spowoduje przepływ prądu do bazy drugiego tranzystora, odblokowanie go i zaświecenie się diody LED. 

Czujnik światła (ang. light sensor) reaguje na światło. Wykonuje się go wykorzystując element foto-elektryczny, np. fotorezystor/fotoopornik (ang. photoresistor):

Światło składa się z cząstek zwanych fotonami. Fotorezystor wykonany jest z materiału, który zmienia swoją oporność elektryczną pod wpływem oświetlenia. Oporność zależy od ilości elektronów (lub innych ruchomych nośników ładunków) w materiale. Fotony uderzając w atomy materiału powodują wybijanie z nich elektronów, dlatego przy oświetleniu maleje oporność.

Dokładne dane techniczne fotooporników znajdziesz w materiałach producentów, które są dostępne w sieci.

Na schematach elektrycznych fotooporniki przedstawiane są symbolami:

Poniższy układ jest przykładem zastosowania fotoopornika do wykrywania braku oświetlenia:

Fotoopornik FR wraz z opornikiem 1k tworzą dzielnik napięcia, który steruje bazą pierwszego tranzystora. Opornik 1k należy tak dobrać, aby przy braku oświetlenia na bazie pierwszego tranzystora panowało napięcie niższe od 0,6V. W takim stanie pierwszy tranzystor BC547 jest zablokowany i nie przewodzi prądu na złączu kolektor-emiter. Baza drugiego tranzystora jest wysterowana wysokim napięciem i pobiera prąd poprzez opornik 1k połączony z kolektorem pierwszego tranzystora. Drugi tranzystor jest zatem włączony i przewodzi prąd na swoim złączu kolektor-emiter. W konsekwencji dioda LED świeci się.

Jeśli fotoopornik FR zostanie oświetlony odpowiednio mocnym strumieniem światła, to jego oporność spadnie. Wtedy wzrośnie napięcie na bazie pierwszego tranzystora i zacznie on przewodzić prąd na swoim złączu kolektor-emiter. W efekcie baza drugiego tranzystora zostanie wysterowana niskim napięciem ze złącza kolektor-emiter pierwszego tranzystora (0,2...0,4V). Drugi tranzystor zostanie zablokowany i przestanie przewodzić prąd na złączu kolektor-emiter. Dioda LED zgaśnie.

Jeśli zechcesz wykrywać obecność oświetlenia, to zmieniasz konfigurację dzielnika napięcia z fotoopornikiem:

Opornik 100k należy tak dobrać, aby przy braku oświetlenia na bazie pierwszego tranzystora było napięcie powyżej 0,7V (tranzystor wymusi 0,7V, jeśli dzielnik będzie dawał napięcie nieco wyższe). W takiej konfiguracji pierwszy tranzystor przewodzi i zwiera bazę drugiego tranzystora do masy (wymusza napięcie poniżej 0,6V). Drugi tranzystor jest zablokowany, nie przewodzi prądu i dioda LED jest zgaszona.

Gdy fotoopornik FR zostanie oświetlony, zmaleje jego oporność, a to z kolei obniży napięcie bazy pierwszego tranzystora. Pierwszy tranzystor przestanie przewodzić prąd na złączu kolektor-emiter i napięcie bazy drugiego tranzystora wzrośnie, ponieważ przestanie ona być zwierana przez pierwszy tranzystor do masy. Drugi tranzystor zacznie przewodzić prąd i dioda LED zaświeci się.

---

Jako elementy światłoczułe stosuje się również fotodiody (ang. photodiodes):

Na schematach posiadają one symbol:

Fotodioda pracuje spolaryzowana zaporowo. Gdy nie jest oświetlana, nie przewodzi prądu. Przy oświetleniu fotodioda zaczyna przewodzić prąd w kierunku zaporowym. Fotodiody reagują na różne długości fal świetlnych. Np. fotodiody reagujące na podczerwień stosowane są w sterowaniu za pomocą pilotów. Cechą charakterystyczną takich fotodiod jest czarna obudowa, która nie przepuszcza światła widzialnego, lecz podczerwone.

Przykładowy schemat układu wykorzystującego fotodiodę jest następujący:

Fotodioda FD jest wpięta zaporowo i gdy nie pada na nią światło, nie przewodzi prądu. Z tego powodu na bazie pierwszego tranzystora panuje niskie napięcie i tranzystor jest zablokowany. Skoro tak, to na bazę drugiego tranzystora dostaje się napięcie poprzez opornik 1k podpięty do kolektora tranzystora pierwszego. Drugi tranzystor przewodzi prąd i dioda LED jest zaświecona.

Gdy na fotodiodę FD padnie odpowiednio intensywny strumień światła, zacznie ona przewodzić w kierunku zaporowym, co spowoduje wzrost napięcia na bazie pierwszego tranzystora, który zacznie przewodzić i zwierać bazę drugiego tranzystora do masy. Drugi tranzystor przestanie przewodzić prąd i dioda LED zgaśnie.

---

Kolejnym elementem światłoczułym jest fototranzystor (ang. phototransistor):

Obudowa fototranzystora jest przezroczysta i umożliwia oświetlanie strumieniem świetlnym obszaru bazy. W efekcie światło pełni podobną rolę jak prąd bazy - steruje prądem przepływającym przez złącze kolektor-emiter. Gdy baza jest nieoświetlona, tranzystor nie przewodzi prądu. Przy oświetleniu bazy tranzystor przewodzi prąd. Foto tranzystory mogą mieć wyprowadzoną końcówkę bazy (do sterowania nim jak zwykłym tranzystorem) lub jej brak. Fototranzystory są zwykle bardziej czułe na światło od fotodiod.

Na schematach elektronicznych fototranzystory posiadają symbole:

Przykładowy schemat z fototranzystorem:

Jak widzisz, schemat jest praktycznie taki sam jak dla fotodiody. Działanie również jest podobne. Gdy na bazę fototranzystora FT nie pada światło, nie przewodzi on prądu i na bazie pierwszego tranzystora panuje niskie napięcie – pierwszy tranzystor jest zablokowany i również nie przewodzi prądu na swoim złączu kolektor-emiter. W tej sytuacji baza drugiego tranzystora jest sterowana wysokim napięciem poprzez opornik 1k z +5V. Drugi tranzystor przewodzi i dioda LED jest zaświecona.

Gdy na bazę fototranzystora FT padnie strumień światła, to zacznie on przewodzić prąd na złączu kolektor-emiter, co spowoduje wzrost napięcia bazy pierwszego tranzystora. Pierwszy tranzystor zacznie przewodzić prąd na swoim złączu kolektor-emiter i w efekcie zewrze bazę drugiego tranzystora do masy. Napięcie na bazie drugiego tranzystora spadnie poniżej progu załączania tranzystora i przestanie on przewodzić prąd na złączu kolektor-emiter. Dioda LED przestanie świecić.

---

Czujników światła nie musisz budować samodzielnie od podstaw. Przemysł elektroniczny produkuje gotowe moduły (szukaj ich pod hasłem "arduino"), które są bardzo łatwe do zastosowania w projektach:

Czujnik temperatury (ang. temperature sensor) przetwarza temperaturę na napięcie. Zwykle posiada trzy wyprowadzenia i wygląda jak tranzystor. Dla przykładu opiszemy popularny układ LM35:

Do końcówki nr 1 dostarczasz napięcie zasilające w zakresie od 4V do 20V, końcówkę nr 3 podłączasz do masy. Wartość temperatury odczytujesz jako napięcie na końcówce nr 2. Wewnątrz obudowy jest umieszczony układ elektroniczny czujnika, który steruje wyjściem OUT:

Napięcie wyjściowe zależy liniowo od temperatury: w zakresie od 2...150°C napięcie zmienia się od 0V o 10mV na 1°C. Na przykład dla temperatury 25°C na wyjściu OUT pojawi się napięcie o wartości 10mV x 25 = 250mV = 0,25V.

Ponieważ wyjście jest analogowe, pomiaru należy dokonywać przy pomocy odpowiedniego przetwornika A/C. Mikrokontrolery w większości posiadają taką możliwość.

Istnieje również możliwość odczytywania ujemnych temperatur. W takim przypadku wyjście OUT należy podpiąć poprzez opornik do ujemnego napięcia zasilania:

W takim obwodzie otrzymamy możliwość pomiaru temperatur w zakresie od -55°C ... 150°C:

Przy budowie różnego rodzaju robotów przydają się czujniki mierzące odległość do przeszkody. Bardzo popularne są ultradźwiękowe czujniki zbliżeniowe (ang. ultrasonic proximity sensors), które można kupić za kilka złotych:

Zasada działania takiego czujnika jest następująca:

Czujnik posiada 4 końcówki sygnałowe. Do VCC doprowadzasz napięcie zasilające +5V, do GND doprowadzasz masę 0V. Pomiar rozpoczyna się po podaniu na wejście Trig impulsu dodatniego (o stanie logicznym 1) trwającego przynajmniej 10µs. Czujnik posiada nadajnik (T) i odbiornik (R) fal ultradźwiękowych. Po wyzwoleniu impulsem na wejściu Trig czujnik 8 impulsów o częstotliwości 40kHz (niesłyszalne dla człowieka) przez nadajnik. Jeśli na drodze wygenerowanej fali ultradźwiękowej znajdzie się odpowiednio duża przeszkoda, to fala zostanie od niej odbita i wróci z powrotem, gdzie odbierze ją odbiornik. Na wyjściu Echo pojawi się wtedy dodatni impuls o stanie logicznym 1, którego czas trwania jest równy czasowi od momentu wygenerowania impulsów do momentu odebrania ich z powrotem po odbiciu od przeszkody. Oznaczmy ten czas przez T. Fala ultradźwiękowa pokonuje w tym czasie odległość od czujnika do przeszkody oraz z powrotem od przeszkody do czujnika. W powietrzu dźwięk rozchodzi się z prędkością około V_d = 340 ^m/_s. Zatem w czasie T pokona odległość:

Faktyczna odległość od przeszkody jest o połowę mniejsza (fala musi przejść tam i z powrotem):

Czujnik pozwala na pomiar odległości od kilku centymetrów do około 4m.

Produkowane są również czujniki ultradźwiękowe z uproszczonym sterowaniem:

Wyprowadzenie SIG pełni jednocześnie rolę wyprowadzeń Trig i Echo poprzedniego czujnika. Ponieważ sygnał echa nigdy nie pojawia się równocześnie z sygnałem wyzwalania, sterowanie wygląda następująco:

Na wejście SIG podaje się impuls dodatni o czasie trwania około 10µs, po czym należy rozpocząć odczyt linii SIG (mikrokontroler nie ma z tym problemu). Gdy czujnik odbierze echo, umieszcza na linii SIG impuls dodatni o czasie trwania równym okresowi od momentu nadania impulsów do momentu ich odbioru, po czym linia SIG przechodzi w stan niski i staje się nieaktywna, a cały cykl może zostać powtórzony.

---

Czujniki zbliżeniowe na podczerwień (ang. infrared proximity sensors) umożliwiają wykrycie przeszkody znajdującej się w odległości do około 20 cm.

Czujnik zawiera dwie diody: LED emitującą światło w zakresie podczerwieni i fotodiodę odbierającą ten zakres fal świetlnych. Gdy przeszkoda zostaje oświetlona światłem diody LED, ulega ono odbiciu i trafia do fotodiody. Wtedy na wyjściu OUT pojawia się stan logiczny 1. Gdy przeszkoda nie jest wykrywana, na wyjściu OUT panuje stan logiczny 0.

Obie diody muszą być odpowiednio osłonięte, aby światło z diody LED nie trafiało bezpośrednio na fotodiodę.

---

Stosowane są również laserowe czujniki zbliżeniowe (ang. laser proximity sensors):

Zasada działania jest identyczna jak dla czujników na podczerwień: źródłem światła jest dioda laserowa. Gdy promień lasera trafi w przeszkodę, zostaje rozproszony i jego część trafia do fotodiody reagującej na światło lasera. Wtedy na wyjściu DOUT pojawia się stan logiczny 1. Zaletą czujników laserowych jest wyższa rozdzielczość, ponieważ wiązka laserowa jest bardzo spójna i dzięki temu wykrywane są nawet bardzo małe