Nejen v robotice potřebujeme v mnoha případech jednoznačně rozlišit tmavou barvu od světlé, v převážné většině případů pak černou od bílé. Ukážeme si dvě zapojení, které nám s tím pomohou.
Příkladem takového exaktního rozlišování barvy mohou být robotické soutěže „Stopař“ a „Mini Sumo“, kde v prvním případě musí robotické vozítko sledovat černou čáru na bílém podkladě a v druhém případě zůstat na černé kruhové ploše, ohraničené bílým mezikružím, které je pro sumo robot „tabu“. Další možností použití takového čidla je snímání měřících impulzů z kolečka nebo pásku, na kterém se střídají bílá a černá pole. Rychlost opakování těchto změn logické úrovně na výstupu čidla udává rychlost pohybu, případně ujetou dráhu.
K rozlišení černé barvy od bílé se využívá jejich různé odrazivosti pro světlo. Osvítíme-li plochu, na které se střídá černá a bílá a snímáme-li odražené světlo senzorem, dostaneme na výstupu tohoto senzoru rozdílnou velikost elektrického signálu při snímání odrazu vysílaného světla od černé nebo bílé plochy. Při přechodu mezi bílou a černou plochou se ale bude velikost elektrického signálu měnit pomalu a nejistě, takže jeho přesné zpracování v následných elektrockých obvodech je obtížné. Je samozřejmé, že absolutní úroveň tohoto signálu bude také značně ovlivněna okolním osvětlením a celý senzor je tedy nutno zaclonit před dopadající parazitním světlem, třeba uzavřením do neprůhledné schránky. Pro omezení této závislosti na rušení okolním světlem se v běžných světelných senzorech jako zdroj přímého osvětlení používá LED, vyzařující v infračervené, pro lidské oko neviditelné části spektra a přijímací fototranzistor má předřazen filtr, který viditelné světlo nepropustí.
Praktické provedení
V robotice se k detekci černé a bílé barvy často používá odrazový senzor QRD1114, určený k zapájení do plošného spoje, nebo QRB1114, který je umístěn ve větším pouzdře a určen k přišroubování na konstrukci. Oba senzory pracující v infračervené, tedy pro lidské oko neviditelné části spektra, ve které je ale také možno použít mnohem větší světelný výkon. Přijímačem odraženého infračerveného záření je fototranzistor s předřazeným filtrem, který nepropouští viditelné světlo.
Tento senzor je modernější a dostupnější náhradou za odrazový senzor CNY70, který se často vyskytuje v popisech konstrukcí amatérských robotů.
Aby bylo vyhodnocení barvy jednoznačné, je třeba elektrický signál z výstupu senzoru dále zpracovat, buď programově mikroprocesorem nebo na výstup senzoru ještě připojit další vyhodnocovací obvod, který zaručí, že při přechodu přes rozhraní černá / bílá nedojde k zákmitům a nejasnému vyhodnocení stavu. Vhodným nastavením vyhodnocovacího obvodu je možno přiřadit černé a bílé barvě jednoznačnou logickou úroveň L a H a předejít tak „záhadným“ chybám při ladění řídícího programu robotu.
Zapojení s obvodem 555
Napájecí napětí: +5V Rozsah detekce: 1,5 až 4,5 mm podle nastavené hodnoty R3
Popis zapojení
Zde je využito jedno z netradičních zapojení oblíbeného časovače 555. Časovač je v tomto případě zapojen jako schmittův klopný obvod se značnou hysterezí (rozdílem mezi zapínacím a vypínacím napětím). Výstup (OUT) zapojení přechází do vypnutého stavu při zmenšení vstupního napětí na spojených pinech 2 a 6 pod 1/3 napájecího napětí a do zapnutého stavu při překročení 2/3 napájecího napětí. Aby ještě nebylo dosti neobvyklostí, jako výstup se v tomto případě používá pin č.7, na který je uvnitř obvodu připojen kolektor tranzistor, který je v běžných zapojeních obvodu 555 používán k vybíjení časovacího kondenzátoru. Standardní výstup na pinu 3 je použit jen k ovládání indikační LED.
Rezistorem R1 je nastaven proud, tekoucí infračervenou vysílací LED, umístěnou v obvodu QRD1114 (34), na přibližně 4,5mA při napájecím napětí 5V. Přijímací fototranzistor uvnitř obvodu QRD1114 je zapojen se společným kolektorem, v obvodu emitoru je zapojena sériová kombinace rezistoru R2 a proměnného rezistoru R3. Znamená to tedy, že na emitoru přijímacího fototranzistoru se mění napětí lineárně s osvětlením a je tedy rozdílné, pokud se senzor nalézá nad polem černé nebo bílé barvy. Změnou hodnoty proměnného rezistoru dosáhneme různé citlivosti zapojení a tedy i různé vzdálenosti, na kterou se budou barvy ještě detekovat.
Rezistory R4 a R6 jsou ochranné a zabraňují přetížení obvodu 555 v mezních situacích, rezistor R5 je kolektorovým odporem pro tranzistor, nacházející se ve vnitřní struktuře obvodu 555 a rezistor R7 určuje proud LED. Kondenzátory C1 a C2 filtrují napájecí napětí obvodu a jsou důležité pro jeho správnou činnost.
Zapojení s komparátorem LM311
Technické parametry tohoto zapojení: Napájecí napětí: +5V Rozsah detekce: 1 až 10 mm podle nastavení R3
Popis zapojení
Pro vyhodnocení výstupního napětí fototranzistoru v obvodu QRD1114 (QRB1114) se v tomto případě používá přesný integrovaný komparátor LM311 ve standardním zapojení.
Rezistorem R1 je, stejně jako v předchozím případě, nastaven proud, tekoucí infračervenou vysílací LED, umístěnou v obvodu QRD1114 (QRB1114), na přibližně 4,5 mA při napájecím napětí 5V. Přijímací fotoranzistor uvnitř obvodu je v tomto případě zapojen se společným emitorem, hodnota kolektorového rezistoru R2 je vybrána tak, aby fototranzistor pracoval s dobrou účinností v největším možném rozsahu osvětlení. S hodnotou tohoto rezistoru je možno experimentovat, nedoporučuje se ale zmenšovat jeho hodnotu pod 1k.
Prahová rozhodovací úroveň, tedy napětí, při kterém se překlápí výstup obvodu LM311 při přechodu mezi černá a bílou barvou se nastavuje proměnným rezistorem R3 v celém rozsahu napájecího napětí, tedy 0 až 5V. Mezi výstupem obvodu LM311 a napájecím napětím je zapojen rezistor R4, který zlepšuje napěťové úrovně v logickém stavu H a paralelně k němu je zapojena sériová kombinace R5 a D1, která svým svitem signalizuje stav na výstupu. Rezistor R6 chrání výstup obvodu LM311 před přetížením a D2 v sérii s R7 signalizuje přítomnost napájecího napětí.
Závěrem
Oba obvody vyhoví pro soutěže Stopař i Mini sumo, ale zapojení s komparátorem LM311 umožní nastavit ve větším rozsahu parametry vyhodnocovacího obvodu při různých světelných podmínkách. Tím je toto zapojení vhodnější pro experimenty.
Oba obvody jsou samozřejmě vhodné nejen pro odrazové senzory, ale dobře vyhoví také u klasických světelných závor, kde jsou vysílač světla (LED) a přijímač (fototranzistor) od sebe odděleny a je detekováno přerušení světelného paprsku.