Рассматривается устройство и способы применения цифрового инфракрасного датчика препятствий. Рассчитано на детей 7+, делающих первые шаги в освоении электроники.

Цель занятия:

1. Знакомство с датчиком препятствий.
2. Изучение электрических и эксплуатационных свойств датчика.
3. Закрепление детьми навыка сборки электрической цепи по принципиальной электрической схеме.
4. Проектирование полезных конструкций с датчиком.
5. Знакомство с понятием алгоритма.

Оборудование и пособия.

1. Макетная плата
2. Блок питания 4,5 Вольт.
3. Провод монтажный.
4. Датчик препятствий 2 шт.
5. Линейка 30 см. 

План занятия.

1. Что мы уже должны знать.
2. Теоретическая часть. Знакомство с ИК датчиком.
3. Практическая часть. Сборка электронной схемы с датчиком.
4. Лабораторная работа. Заполнение таблицы с эксплуатационными характеристикам датчика.
5. Проектирование полезных конструкций с датчиком.
6. Задача на автоматизацию включения освещения в помещении.
7. Алгоритм работы автоматической системы управления освещением в помещении.

Что нам необходимо знать?

На этом занятии мы будем использовать макетную плату и монтажные провода. С этими деталями мы с вами уже знакомы по предыдущим занятиям.

Также, нам надо вспомнить, что логическая 1 на ножке электронной детали - это наличие напряжения, а логический 0 - это отсутствие напряжения. Вспомним, с предыдущего занятия, что такое инфракрасное излучение.

Не забывайте, неправильно поданное напряжение питания на электронную схему может вывести электронную схему из строя.

Теоретическая часть.

ИК датчик препятствий рис. 1 способен обнаруживать предметы (препятствия) в зоне своего действия. Чтобы датчик не реагировал на все теплые предметы и солнечный свет, в спектре которого значительная доля инфракрасного света, датчик имеет подстроечный резистор (2), с помощью которого можно ограничить ложные срабатывания.

Рис. 1. Изображение ИК датчиков препятствий.

Принцип действия датчика очевиден. На левой стороне платы датчика, мы видим, припаян ИК светодиод и ИК приемник. ИК светодиод излучает ИК свет, а ИК приемник принимает отраженный от предметов (препятствий) поток ИК излучения. Микросхема (1) на плате датчика усиливает сигнал от ИК приемника и подает сигнал о наличии препятствия на выход (линия OUT). Фактически, датчик реагирует на наличие инфракрасного излучения.

Как работает ИК датчик? При срабатывании ИК датчика на его выходе устанавливается логическая 1. Если подключить к выходу датчика (OUT) и к «—» питания светодиод через резистор, то во время срабатывания датчика светодиод загорается.

На плате датчика мы видим, припаяно два маленьких светодиода. Один из них (3) сигнализирует о наличии напряжения питания, другой (4) — о срабатывании датчика.

Задание 1. Логически рассуждая, разберитесь, из темного стекла изготовлен ИК светодиод или ИК приемник?

Рис. 2. Схема подключения двух ИК датчиков препятствий.

Задание №2. Нарисуйте принципиальную электрическую схему с датчиком препятствий.

Обратите внимание, мы не задействовали в этой схеме выход датчика (линия OUT). Мы можем проводить эксперименты с датчиком визуально ориентируясь на светодиод, распаянный на плате.

Практическая часть.

Задание №3. Соберите на макетной плате электрическую схему с датчиками препятствий.

Лабораторная работа.

Датчик	Расстояние срабатывания
	Светлый предмет	Тёмный предмет
Датчик 1
Датчик 2

Табл. 1. Таблица для проведения экспериментов с датчиком.

Задание №4. Нарисуйте таблицу. Перемещая перед датчиком предмет, определите на каком максимальном расстоянии от датчика датчик еще обнаруживает этот предмет. Проведите этот эксперимент со вторым датчиком.

Проекты.

Задание №5. Придумайте возможность полезного применения датчика и нарисуйте, как будет располагаться датчик в вашем проекте.

Подсказки - съемка животных, автоматическая кормушка или поилка для животных, включение освещения в коридоре или туалете, бесконтактный водопроводный кран, приветствие всех входящих, включение информационных или рекламных щитов, счетчик посетителей, турникет на входе в музей, автоматическое управление движением робота по белой полосе, робот пылесос, игрушка гав-гав.

Задача 1.

Рассмотрим, казалось бы, простой проект, включение освещения в помещении.

Допустим, мы разместили датчик поперек дверного проема. Датчик сработал, значит человек вошел — свет включается. Затем, датчик сработал, значит человек вышел — свет выключается.

А если вошли 2 человека? Свет включится когда войдет первый человек и выключится, когда войдет второй. Еще хуже, если человек в дверном проеме передумал, развернулся и пошел назад.

Не такая уж и простая эта автоматика.

Рис. 3. Расположение 2-х датчиков в дверном проеме комнаты.

Давайте установим 2 датчика в дверном проеме как показано на рис. 9 и подумаем, как обработать от них сигналы так, чтобы свет вовремя включался и выключался только тогда, когда вышел последний человек из комнаты. Вам проще будет понять как должна работать автоматика, используя ранее собранную схему рис. 3, смоделировать на столе вход в помещение, как на рис. 9 и, перемещая перед датчиками предмет, имитировать перемещения человека.

Задание 6. Возьмите лист бумаги А4 — это будет модель комнаты. Расположите с одной стороны листа ранее собранную схему рис. 3., с этой стороны листа будет вход в комнату. Перемещая вдоль датчиков предмет, например кубик, имитируйте поведение человека, входящего или выходящего из комнаты. Наблюдайте по светодиодам, припаянным на датчиках, как срабатывают датчики.

Рис. 4. Экспериментальная установка с двумя датчиками препятствий.

Для решения задачи автоматического управления освещением нам понадобится счетчик людей и алгоритм. Пусть переменная Х — счётчик людей, D1 — датчик перед входом, D2 — датчик установленный на входе внутри комнаты. Будем считать, что в начале в комнате никого нет и X=0. Банка с надписью X на рис. 9  в начале пуста пуста.

Алгоритм работы автоматической системы.

Алгори́тм — набор инструкций, описывающих порядок действий исполнителя для достижения некоторого результата.

Представьте себе, как человек входит в комнату с датчиками изображенную на рис. 9. Сначала он перекрывает датчик D1, затем датчик D2. Далее открывается датчик D1, а датчик D2 все еще перекрыт.

Когда датчик перекрыт он видит человека, в нашем алгоритме такое состояние датчика будем обозначать словом Yes (то есть Да). Когда датчик открыт, человека в его поле зрения нет и мы в алгоритме будем писать No (то есть Нет).

Датчики можно подключить к контроллеру, который будет работать по программе и управлять освещением. Программа для контроллера может быть написана на разных языках программирования, а может быть, что контроллер сконструирован так, что работает без программы. Но, в любом случае, если мы создадим алгоритм работы нашей автоматической системы, в дальнейшем проще будет написать программу для контроллера и спроектировать его электронную схему.

На рис. 5 изображена блок-схема алгоритма решения нашей задачи. Начало обработки сигналов датчика — точка входа в программу изображена на блок-схеме синим кружочком. Модули алгоритма которые принимают решения в зависимости от состояния датчиков будем изображать в виде ромбика. А модули, которые выполняют какие либо действия, будем изображать в виде прямоугольника. У ромбика один вход и до трех выходов. У прямоугольника есть вход и выход.  У всех модулей вход сверху. Линии на блок-схеме показывают путь исполнения алгоритма.

Рис. 5. Алгоритм работы автоматической системы управления освещением в помещении.

Рассмотрим как будет работать автоматическая система по алгоритму, приведенному на рис. 5.

В начале контроллер проверяет только состояние датчика D1. Проверяет в цикле, пока состояние датчика D1 не изменится на Yes, то есть, входящий человек перекроет датчик.

Тогда контроллер переходит к следующему этапу своей работы — ждет пока состояние датчика  D1 не изменится на No — человек покинул зону действия датчика.

Давайте подумаем, что может происходить в дверном проеме если контроллер уже отработал два ромбика алгоритма и находится на пути к третьему.  Представьте мы остановили время в тот момент, когда человек пересек полностью зону действия датчика D1. Где сейчас может находиться человек? Что он собирается делать? Что уже известно контроллеру о действиях человека?

Известно что человек нарушил границу помещения и, возможно, входит или выходит из помещения.

Продолжим далее следовать по нашему алгоритму — мы в третьем ромбике. Контроллер проверяет состояние датчика D2. Если датчик перекрыт человеком, его состояние Yes, а это значит, что человек входит. Если состояние датчика D2 — no, значит человек выходит. На основании данных, полученных в третьем ромбике контроллер считает людей находящихся в комнате.

Допустим в комнате 5 человек, входит еще один. Сначала X=5, а после операции

X = X + 1

К старому значению X прибавится 1 в результате, новым значением X будет число 6.

В нашем алгоритме X как банка в которую можно положить или вынуть орехи. А буква X надпись на банке, чтобы мы не перепутали где у нас орехи, а где семечки.

Такой X накопитель математики и программисты называют — переменная. Переменным дают имена. Именами переменных могут быть буквы и даже слова. Если переменная встречается в математическом выражении слева от знака равенства, ей будет присвоено новое значение — результат вычисления математического выражения, которое записано справа от знака равенства.

Например, X=5. После выполнения этой операции в переменную X будет записано число 5. Если в переменной X что то хранилось раньше, оно будет забыто.

Если имя переменной встречается справа от знака равенства, вместо этой переменной в выражение будет подставлено ее значение. Например,

Y = X + 3

Если в переменной X хранилось число 5, то переменная Y после этой операции будет хранить число 8.

Мы немного отвлеклись на изучение понятия переменная. Вернемся к алгоритму.

У третьего ромбика в нашем алгоритме два выхода (ветвление или, другими словами, развилка). После третьего ромбика выполняется одна из двух операций с переменной X.

X = X +1 или X = X - 1

в зависимости от того человек вошел или вышел.

Далее, последний ромбик в нашем алгоритме проверяет переменную X и принимает решение, что делать дальше в зависимости от того X = 0 или X > 0. Если X = 0 — людей в помещении не осталось и исполнительный механизм должен выключить свет. Если X > 0 люди в помещении есть и можно включить свет.

Далее все процессы в нашем алгоритме повторяются сначала и так до бесконечности.

С задачей, которую решает вышеуказанный алгоритм могла бы справиться следующая полуавтоматическая система.

Например, можно было бы связать контакты выключателя освещения со стрелкой весов. Если весы показывают 0 грамм свет не горит. Если весы показывают больше 0 грамм свет горит. Этими весами, таким образом, можно было бы заменить последние 3 модуля в алгоритме на рис. 5.

В чем смысл слова полу-автоматики? В полуавтоматической системе часть функций выполняется автоматически, то есть без участия человека. У нас весы будут автоматически выполнять роль последних трех модулей алгоритма на рис. 5. А люди, входящие в помещение будут отвечать за функционирование всех верхних модулей алгоритма на рис. 5, кроме трех последних.

Каждый входящий должен бросать на чашку весов монетку, а каждый уходящий забирать с весов одну монетку. Человек вошел, бросил монетку — свет зажегся. Каждый входящий будет добавлять на чашку весов одну монетку, таким образом, система в любой момент времени будет знать сколько человек в помещении. Когда последний уходящий заберет последнюю монетку, весы покажут 0 грамм и свет выключится.

В полуавтоматической системе есть слабое звено — это человек. Он может забыть положить или забрать монетку. 

Применяя современные электронные модули, можно построить более надёжную чем с весами полностью автоматическую систему. Микроконтроллер может принимать сигналы от датчиков, проверять логические условия, записанные в нашем алгоритме в ромбиках, хранить переменные в своей памяти, выполнять арифметические операции из алгоритма и управлять включением и выключением света. 

Выводы:

1. ИК датчик может найти широкое применение в умном доме и системах автоматизации.

Контрольные вопросы.

1. Что происходит когда ИК датчик обнаруживает препятствие?
2. Как датчик обнаруживает препятствие?
3. Можно ли обойтись одним ИК датчиком препятствий и создать систему автоматического управления освещением в помещении?
4. Какая система надёжнее автоматическая или полуавтоматическая?