Как устроен и работает датчик линии

Нередко в конструкциях на базе ардуино (и не только), особенно в любительской робототехнике, бывает полезно распознать наличие той или иной поверхности в зоне действия устройства или даже измерить расстояние до нее. Для этой цели будет полезен аналоговый или цифровой датчик линии.

Датчик можно установить, например, на платформу робота, чтобы ограничить область его передвижения пределами определенного рабочего контура. Так робот сможет просто следовать за линией или вдоль линии, и никогда не выходить за рабочую область, либо, если нужно, он станет держаться на определенном расстоянии от этой ограничительной поверхности.

Аналоговый датчик линии

Аналоговый датчик линии умеет не просто различать черную и белую поверхности, он также способен реагировать на другие цвета и на их промежуточные оттенки. Кроме этого аналоговый датчик линии позволяет измерять расстояние до поверхности выбранного цвета, будучи предварительно откалиброван соответствующим образом. С его помощью получится точно отследить процесс пересечения границы черное-белое и при необходимости управлять данным процессом с ориентиром на расстояние или оттенок.

Датчик линии работает в инфракрасном спектре, а для точной калибровки во время настройки на нем присутствует индикаторный светодиод. Регулировка чувствительности датчика осуществляется при помощи подстроечного резистора, позволяющего изменять данный параметр в широких пределах, ведь в зависимости от типа поверхности и внешних условий, от характера текущего освещения и т.д, чувствительность датчика должна быть соответствующей.

С датчика, когда он получает питание, на рабочую поверхность направлен луч инфракрасного светодиода, излучающего волну длиной 940 нм. Отражаясь от поверхности напротив, луч возвращается назад, и попадает на расположенный рядом с инфракрасным светодиодом фототранзистор структуры NPN, с коллектора которого снимается полезный сигнал.

Поскольку датчик аналоговый, то выходной сигнал будет тем меньше, чем светлее поверхность под ним или чем ближе она расположена, то есть в распоряжении разработчика весь диапазон величин напряжения — почти от нуля до почти напряжения питания. При этом потребляемый устройством ток находится в районе 10 мА при напряжении питания 5 вольт.

Так, теоретически при полном отражении луча, на коллекторе фототранзистора будет минимум напряжения, а при полном поглощением поверхностью — максимум напряжения. Если поверхность находится дальше — напряжение на выходе датчика будет больше, если она ближе — выходное напряжение меньше. Датчик подключается к управляющей электронике тремя проводами: общий провод, провод питания и сигнальный провод.

Цифровой датчик линии

Здесь, как и в аналоговом датчике, инфракрасный светодиод излучает волну с длиной 950 нм (в инфракрасном диапазоне). ИК-луч отражается от поверхности напротив и попадает на фототранзистор. На выходе получаем либо логическую 1 (напряжение высокого уровня), либо 0 (напряжение низкого уровня).

Чувствительность датчика зависит от того как он откалиброван, и связана с расстоянием до поверхности. Кроме того его можно откалибровать на оттенок серого или любой другой цвет, а также на максимальное расстояние.

Если датчик расположить слишком низко, то прямой ИК-луч отразится рано и попадет сразу обратно или на перегородку между светодиодом и фототранзистором, поэтому есть некое минимальное расстояние. Если же датчик установлен слишком далеко — луч преждевременно рассеется, не дойдя обратно. Поэтому есть максимальное расстояние.

Выходной сигнал получается здесь в цифровой форме благодаря инвертирующему триггеру Шмитта. Когда NPN-фототранзистор не принимает луч, на его коллекторе максимальное рабочее напряжение, следовательно на выходе датчика 0. Когда луч принят, на выходе 1.

Датчик может быть легко настроен на определенный оттенок, либо для работы на определенном расстоянии.

Для калибровки (регулировки чувствительности) ручку подстроечного резистора поворачивают в ту или иную сторону. Так можно добиться срабатывания только на самый темный оттенок или на самый светлый, либо если цвет преграды напротив датчика неизменен — только на расстояние не дальше установленного.

Во время настройки датчика можно ориентироваться на индикаторный светодиод, который загорится тогда, когда луч обратно принят и его интенсивность соответствует калибровке.

Особенности подключения аналоговых датчиков к Ардуино

Подборка самых популярных датчиков для Arduino

Как дистанционно управлять микроконтроллером: ИК-пульт, Arduino, ESP8266, 433 мГц

10 интересных проектов, которые можно сделать на Arduino