Входные цепи

Основные типы цепей, обеспечивающих цифровые (единичные или нулевые) входы контроллера. Простейший вариант — простой переключатель между выводом и шиной О В. Нормальное состояние входа — высокий уровень напряжения, который изменяется на низкий по нажатию кнопки.

Для того чтобы использовать эту схему, у канала должно быть активно слабое подтягивающее сопротивление. Это означает, что он должен относиться к порту А или В. Переключатель изображен в виде кнопки, однако использовать можно различные виды переключателей-тумблеры, микропереключатели (часто используемые как концевые) переключатели, срабатывающие по наклону, термопереключатели, герконы, реле и даже прижимные устройства. Все они могут обеспечивать прямой входной сигнал для микроконтроллера.
Иногда входной канал «зашумлен», воспринимая помехи от двигателей и других электромагнитных устройств. Всплески напряжения могут преодолеть слабые подтягивающие сопротивления — особенно, если входная линия длиннее 10 см. В таких случаях безопаснее использовать значительное подтягивающее или согласующее сопротивление в виде резистора на 10 кОм.
В роботе со множеством подвижных частей может использоваться много микропереключателей, действующих как концевые выключатели. Они необходимы, однако для каждого из них требуется отдельный канал ввода-вывода. Возможно, некоторые из этих каналов потребуются для других целей, и один из способов экономии в данном случае — ввести схему логического «ИЛИ» для некоторых входов.
В данном примере робот оснащен двумя бамперами: передним задним. В обычных условиях они не могут сработать одновременно. Схемы, можно применить логическую операцию «ИЛИ» к выходами переключателей. Когда S1 или S2 амкнут, то канал переходит в единичное состояние. Робот может определить, какой из переключателей сработал, по направлению движения (вперед или назад).
Такая логика предполагает, что нет никакого другого робота, который может врезаться в бампер первого робота. Если же такой робот может присутствовать, то следует возвратиться.
Цифровой входной канал может получать логический входной сигнал от вентиля КМОП или другого КМОП-выхода. Это часто бывает полезным, если выход датчика не переходит полностью из нулевого в единичное состояние. Вентиль формирует сигнал, генерируя четкие логические уровни, понятные микроконтроллеру PIC.
Фотодиод, подключенный к цифровому входному каналу без слабого подтягивающего сопротивления. Диод — обратносмещенный, так что через резисторы протекает лишь небольшой ток утечки. Переменный резистор используется для регулировки напряжения на резисторах.
В случае КМОП-логики любой входной сигнал, уровень которого превышает половину напряжения питания, считается сигналом высокого Уровня, а сигнал, уровень которого ниже половины напряжения питания, — сигналом низкого уровня. Двухвходовой логический элемент «НЕ-И» с объединенными входами. Таким образом, Действует как логический элемент «НЕ» или инвертор. По мере потока света, падающего на фотодиод, возрастает ток утечки, и напряжение на входах логического элемента увеличивается. Выход изменяется из состояния высокого уровня в состояние низкого уровня полпути роста напряжения.
Этот же эффект можно было бы получить и без логического элемента с помощью внутреннего компаратора микроконтроллера PIC, однако в некоторых случаях использование внешней логики предпочтительнее.

Аналоговый входной сигнал
Аналоговый выходной сигнал датчика, наподобие фотодиода или фоторезисторной цепи, можно считать с помощью внутреннего аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера PIC. I Он выдает 10-разрядный результат, так что данные с датчика можно получать с высокой точностью. Таким образом, микроконтроллер PIC можно запрограммировать на обработку различных уровней освещенности.
Пример использования АЦП — робот «Скутер», который непрерывно контролирует уровень освещенности перед собой, пока не определит направление на самый яркий источник света в поле его зрения. После этого он начинает двигаться вперед по направлению I к этому источнику света. В данном роботе ориентированный вперед фоторезистор связан с выводом 19, который соединен со входным каналом I AN0. Если при проектировании робота предполагается прием аналогевого сигнала, то зарезервируйте для этой цели вывод 19 (AN0) и, возможно, — вывод 18 (AN 1).
Если нас интересует только один уровень входного напряжения, при котором активизируется некоторый вид активности робота, то следует использовать компаратор микроконтроллера PIC. С его помощью аналоговый входной сигнал от датчика сравнивается с фиксированным опорным напряжением, и одноразрядный выход компаратора переходит в единичное или нулевое состояние в зависимости от того, выше или 1 ниже опорного напряжения входной сигнал от датчика.
Опорное напряжение можно формировать внутренне и программе его, или же оно может быть сгенерировано внешне. Внешнее опорное напряжение может поступать от специального устройства или от цепи делителя. Первый из названных вариантов фиксированное напряжение с высокой точностью, а второй фиксированную долю напряжения питания. Делитель напряжения предпочтительнее, поскольку его можно регулировать с помощь простой отвертки.
В случае с АЦП входное напряжение, когда оно равно опорному, дает на выходе значение 3FFh (если считываются все десять разрядов ADRES и ADRESH). Если в качестве опорного используется напряжение питания, это обеспечивает высокоточную разрешающую способность даже при преобразовании низких входных напряжений.
В случае с компаратором опорное напряжение определяет уровень входного сигнала, при достижении которого изменяется состояние на выходе. Существует два способа установки опорного напряжения, и первый из них заключается в использовании разрядов 0..3 регистра VRCON. Этот метод обеспечивает только 16 возможных установок. При попытке установить опорное напряжение на критический уровень, некоторый перепад может оказаться слишком низким, а следующий — слишком высоким. В этом случае может потребоваться усиление входного сигнала перед его подачей на компаратор.
Переменный резистор на 10 кОм устанавливает уровень нуля. Обратите внимание, что выход схемы — инверсный.

Датчики
Робот должен знать, что происходит в окружающем мире, поэтому все наши роботы оборудованы несколькими датчиками, связанными микроконтроллером. Рассмотрим датчики, часто используемые в робототехнике.
Резистивные датчики реагируют на изменения в некоторой количественной характеристике, наподобие освещенности или позиции, путем изменения сопротивления. Такое изменение легко измерить, пропустив ток через датчик, что сформирует изменяющееся напряжение, которое передается микроконтроллеру. Обычно в качестве схемы опроса сигнала выступает делитель напряжения с датчиком в качестве одного из резисторов.
ЭДС-датчики реагируют на изменения в контролируемой характеристике путем изменения ЭДС (электродвижущей силы, или, грубо говоря, напряжения), которую они производят. Полученный сигнал передается в микроконтроллер.
При работе с датчиками доступно широкое поле для фантазии. Так, например, робот «Скутер» излучает перед собой луч света, а затем обнаруживает свет, отраженный от объектов, перекрывающих его путь. В этом случае фотоэлемент используется как датчик приближения.

Фотоэлементы
Наиболее популярный фотоэлемент в наших роботах — это резистор, который, как следует из его названия, представляет собой датчик. Сопротивление типичного фоторезистора, наподобие лежит в диапазоне от 1 мОм или выше в темноте 80 Ом при ярком солнечном свете. В помещении при непрямом или искусственном освещении сопротивление фоторезистора оставляет несколько кОм.
Фоторезисторы реагируют на свет большинства оттенков с пиковой реакцией на желтый цвет. Из всех фотоэлементов фоторезисторы — самый медленнодействующие. Их время реакции составляет несколько десятков или сотен миллисекунд. Хотя для людей это — достаточно быстро, микроконтроллер PIC работает гораздо быстрее. В программах могут потребоваться короткие задержки, чтобы фоторезистор адаптировался к освещенности.
Делитель напряжения может содержать постоянный резистор, переменный резистор или и то, и другое. Переменный резистор позволяет устанавливать выходное напряжение для любого уровня освещенности. Общее сопротивление должно быть в том же диапазоне, что и среднее сопротивление фоторезистора в предполагаемых условиях работы.
Другой популярный фотоэлемент — фотодиод. Его действие на том факте, что ток утечки, когда диод смещен в обратном направлении, изменяется в зависимости от интенсивности освещенности. Ток утечки очень невелик. Фотодиоды в общем случае лучше реагируют на свет в красно конце спектра. Некоторые из них особенно чувствительны к инфракрасному излучению. Такие фотодиоды используют совместно с инфракрасными светодиодами для считывания информации с оптических кодеров. Они также задействованы в роботах в качестве датчиков отслеживания линии, поскольку менее подвержены влиянию внешних источников видимого света.
Время реакции фотодиода очень незначительно (в общем случае — несколько сотен наносекунд), поэтому никаких проблем с ним не возникает.
Фототранзистор по своим свойствам подобен фотодиоду, хотя характеризуется более длительным временем реакции. Он так же, как n-p-n-транзистор в усилителе с общим эмиттером. В фототранзисторах часто отсутствует вывод базы, а если он и присутствует, то база обычно остается неподключенной.
Фототранзистор может управлять током благодаря тому, что падающий на него свет высвобождает подачу электронов, действующий как ток базы.
Для повышения чувствительности фототранзисторы часто на одном кристалле с усилительной схемой или парой. Существуют аналогичные устройства и на основе фотодиодов.

Цифровые выходные данные
Диалоговый сигнал от фотоэлемента обычно обрабатывается ветровым компаратором микроконтроллера PIC, однако иногда этого недостаточно. В любом случае проще обработать момент срабатывания по Перепаду уровня аппаратно. Соответствующая схема использует на ОУ для преобразования аналогового выходного сигнала в цифровой.
Операционный усилитель — с двумя входами, без обратной связи, поэтому разница между входными напряжениями умножается на коэффициент усиления открытого контура усилителя. Когда напряжение на выводе 3 превышает напряжение на выводе 2, на выходе получается очень резкий перепад от состояния низкого к состоянию высокого уровня.
Напряжение на выводе 3 всегда равно половине напряжения питания. Напряжение на выводе 2 варьируется прямо пропорционально освещенности. Оно устанавливается путем настройки VR1 на половину Спряжения питания, когда фоторезистор освещается светом, соответствующим уровню срабатывания.
Эта схема используется для фоторезисторного фотоэлемента в «Искатель». Размах сигнала на выходе СА3148Е значению напряжения питания, что обеспечивает четкий сигнал я Микроконтроллера. Робот «Искатель» демонстрирует еще один способ формирования свое выходных Данных- Логические элементы КМОП изменяют состояние, когда уровень входного напряжения близок к половине напряжения питания. Они действуют подобно компаратору с опорным напряжением Упит/2.
Данная схема использует логические КМОП-элементы «НЕ-И», однако вместо них можно задействовать и логические элементы «НЕ-ИЛИ» либо «НЕ». Применены два инфракрасных зонда (наименования компонентов для второго указаны в скобках), каждый из которых содержит инфракрасные светодиоды (Dl, D3) для освещения области под зондом. Отраженные инфракрасные лучи распознаются парой инфракрасных диодов ВР204. Обратите внимание, что полярности двух диодов противоположны.

Источник: qwedr.com