Простой ик-сенсор для любительских автономных мобильных роботов

Datasheets

Data sheet acquired from Harris SemiconductorSCHS021D – Revised September 2003 The CD4011B, CD4012B, and CD4023B typesare supplied in 14-lead hermetic dual-in-lineceramic packages (F3A suffix), 14-leaddual-in-line plastic packages (E suffix), 14-leadsmall-outline packages (M, MT, M96, and NSRsuffixes), and 14-lead thin shrink small-outlinepackages (PWR suffix). The CD4011B andCD4023B types also are supplied in 14-lead thinshrink small-outline packages (PW suffix). Copyright В 2003, Texas Instruments Incorporated PACKAGE OPTION ADDENDUM www.ti.com 17-Mar-2017 PACKAGING INFORMATIONOrderable Device Status(1) Package Type Package Pins PackageDrawingQty Eco Plan Lead/Ball Finish MSL Peak Temp (2) (6) (3) Op Temp (В°C) Device Marking(4/5) CD4011BE ACTIVE PDIP N 14 25 Pb-Free(RoHS) CU NIPDAU N / A for Pkg Type -55 to 125 CD4011BE CD4011BEE4 ACTIVE PDIP N 14 25 Pb-Free(RoHS) CU NIPDAU N / A for Pkg Type -55 to 125 CD4011BE CD4011BF ACTIVE CDIP J 14 1 TBD A42 N / A for Pkg Type -55 to 125 CD4011BF CD4011BF3A ACTIVE CDIP J 14 1 TBD A42 N / A for Pkg Type -55 to 125 CD4011BF3A CD4011BM ACTIVE SOIC D 14 50 Green (RoHS& no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM -55 to 125 CD4011BM CD4011BM96 ACTIVE SOIC D 14 2500 Green (RoHS& no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM -55 to 125 CD4011BM CD4011BM96E4 ACTIVE SOIC D 14 2500 Green (RoHS& no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM -55 to 125 CD4011BM CD4011BM96G4 ACTIVE SOIC D 14 2500 Green (RoHS& no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM -55 to 125 CD4011BM CD4011BME4 ACTIVE SOIC D 14 50 Green (RoHS& no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM -55 to 125 CD4011BM CD4011BMT ACTIVE SOIC D 14 250 Green (RoHS& no Sb/Br) CU NIPDAU Level-1-260C-UNLIM -55 to 125 CD4011BM CD4011BNSR ACTIVE SO NS 14 2000 Green (RoHS …

Datasheets

CMOS NAND Gates datasheet

PDF, 377 Кб, Файл опубликован: 15 ноя 2001

Выписка из документа

Data sheet acquired from Harris SemiconductorSCHS313 PACKAGE OPTION ADDENDUMwww.ti.com 15-Oct-2009 PACKAGING INFORMATIONStatus (1) PackageType PackageDrawing CD4011AD3 ACTIVE CDIP SB JD 14 CD4023AFB OBSOLETE CDIP J 14 JM38510/05001BCA ACTIVE CDIP J 14 TBD A42 JM38510/05003BCA OBSOLETE CDIP J 14 TBD Call TI Call TI M/05003BCA OBSOLETE CDIP J 14 TBD Call TI Call TI Orderable Device Pins Package Eco Plan (2)Qty1 TBDTBD 1 Lead/Ball Finish MSL Peak Temp (3) POST-PLATE N / A for Pkg TypeCall TI Call TIN / A for Pkg Type (1) The marketing status values are defined as follows:ACTIVE: Product device recommended for new designs.LIFEBUY: TI has announced that the device will be discontinued, and a lifetime-buy period is in effect.NRND: Not recommended for new designs. Device is in production to support existing customers, but TI does not recommend using this part ina new design.PREVIEW: Device has been announced but is not in production. Samples may or may not be available.OBSOLETE: TI has discontinued the production of the device.(2) Eco Plan -The planned eco-friendly classification: Pb-Free (RoHS), Pb-Free (RoHS Exempt), or Green (RoHS & no Sb/Br) -please checkhttp://www.ti.com/productcontent for the latest availability information and additional product content details.TBD: The Pb-Free/Green conversion plan has not been defined.Pb-Free (RoHS): TI’s terms «Lead-Free» or «Pb-Free» mean semiconductor products that are compatible with the current RoHS requirementsfor all 6 substances, including the requirement that lead not exceed 0.1% by weight in homogeneous materials. Where designed to be solderedat high temperatures, TI Pb-Free products are suitable for use in specified lead-free processes. …

Реализация

Начать решили с макета, содержащего четыре секции с углом обзора 45 градусов каждая. Если результат испытаний макета будет положительным, то будет изготовлен сенсор с большим числом секций.

Сказано – сделано. На Рисунке 2 представлена фотография 4-секционного рабочего макета, прошедшего испытания и показавшего положительный результат. Конструкционный материал – двухсторонний фольгированный стеклотекстолит, обеспечивший простоту изготовления и надежную экранировку от электрических помех. Как мы видим на Рисунке 2, конструктивно сенсор состоит из двух рядов по четыре секции в каждом. Каждая секция отделена от соседней секции глухим светонепроницаемым экраном

Это исключительно важное условие для корректной работы сенсора. Узел электронного интерфейса между МК и парами излучатель-фотоприемник выполнен на дискретных элементах и расположен в корпусе сенсора, являясь его неотъемлемой частью

Как уже говорилось выше, при разработке интерфейсного узла ставились следующие задачи: дешевизна, экономичность, простота реализации, масштабируемость без существенных изменений схемы и минимальное число задействованных выводов микроконтроллера (МК). Всеми этими свойствами обладает схема, изображенная на Рисунке 3.

Электронная схема содержит четыре функциональных узла:

1. Генератор несущей частоты, определяемой типом TSOP48хх фотоприемника, на элементе D1-1; для настройки частоты вход «B» нужно временно соединить с общим проводом.
2. Формирователь серии импульсов с нарастающей величиной тока на элементах DD2, DD4 и DD5;
3. Коммутатор излучателей на элементах DD3, DD6 и транзисторах VT1-VT4;
4. Блок фотоприемников TSOP48хх, выходы которых объединены по схеме «монтажное ИЛИ».

Сенсор задействует три вывода микроконтроллера (поименованных условно), имеющих следующие функции:

• На выводе Р13 МК программно формирует отрицательный импульс установки нуля счетчиков.
• На выводе P12 МК программно формирует последовательность из 16 отрицательных импульсов.
• На вывод P11 поступает импульс «эха» от сенсора.

Важное замечание. Во избежание ложных срабатываний МК трижды опрашивает сенсор

На Рисунке 4 буквами обозначены:

A – Импульс сброса; вывод Р13.

B – Последовательность из 16 импульсов; вывод Р12

Важно! Первый импульс этой последовательности находится как бы «внутри» импульса сброса, что не позволяет счетчику DD2 изменить свое состояние.

С – Токовые импульсы через излучатели.

D – Импульсы «эха»; вывод Р11.. Цифрами обозначены:

Цифрами обозначены:

• 1 – Расстояние до препятствия слева менее или равно 60 см.
• 2 – Расстояние до препятствия слева-прямо менее или равно 30 см.
• 3 – Расстояние до препятствия справа-прямо менее или равно 90 см.
• 4 – Расстояние до препятствия справа менее или равно 120 см.

Приведенная схема обладает широкими возможностями масштабирования, как по уровню мощности, подводимой к излучателю, что определяет расстояние обнаружения препятствия, так и по количеству секций-фасеток, определяющих разрешающую способность сенсора. Средний ток потребления в районе 7 мА.

Указанные на схеме величины резисторов R6 – R9 примерно соответствуют линейке расстояний обнаружения препятствий 30 см, 60 см, 90 см и 120 см при использовании в качестве препятствия стандартной «серой карты» (в RGB – 209, 209, 209, в CMYK – 21, 15, 15, 0) с размерами 60 см × 60 см. Величины этих резисторов определяются эффективностью светодиодов VD3-VD6. Поскольку мощности, рассеиваемые в резисторах незначительны, на этапе отладки их можно сделать переменными, а потом использовать ближайшие по значению постоянные резисторы. Мы делали именно так.

Охранное устройство с фотодатчиком

На рисунке 1 показана схема сигнального устройства, которое можно установить на проход или тропинку. Срабатывает оно на пересечение луча света, излучаемого сверх ярким светодиодом индикаторного типа. При пересечении луча включает звуковая сигнализация, которая звучит около 15 секунд.

Звуковая сигнализация представляет собой звук частотой около 2000 Гц прерывающийся с частотой около 2 Гц. Включение и выключение с помощью выключателя, работающего наоборот (замкнули — выключено, разомкнули -включено). После включения около 15 секунд схема не реагирует на датчик.

HL1 — это сверх яркий индикаторный светодиод. Ток на него подается через резистор R1 от общего источника питания. Ток постоянный. Вторая часть датчика -фототранзистор 2N5777. В рабочем состоянии светодиод и фоторанзистор строго нацелены друг на друга.

Желательно чтобы фототранзистор был закрыт блендой в виде трубки. Это уменьшит вероятность попадания на него прямого солнечного света, что может помешать работе сигнализации.

Рис. 1. Схема сигнализации реагирующей на пересечение луча света.

Пока никто луч не пересекает фототранзистор FT1 под его действием открыт. И на вывод 2 D1.1 поступает через него напряжение логической единицы. На выходе D1.2 тоже единица. Диод VD1 открыт и блокирует мультивибратор на элементе D1.3. Ноль с его выхода блокирует мультивибратор на D1.4.

На его выходе единица, поэтому ключ на разноструктурных транзисторах VТ1 и VТ2 закрыт, ток через динамик BF1 не протекает.

При пересечении луча фототранзистор закрывается, и напряжение на выводе 2 D1.1 падает до логического нуля. Это вызывает запуск одновибратора на элементах D1.1 и D1.2, который формирует на выходе D1.2 нулевой перепад длительностью около 15 секунд. При этом VD1 закрывается и запускает мультивибратор на D1.3, вырабатывающий импульсы частотой около 2 Гц.

По фронту каждого его импульса запускается мультивибратор на D1.4, вырабатывающий импульсы частотой около 2 кГц. Они через транзисторный ключ на VТ1 и VТ2 поступают на высокочастотную рупорную динамическую головку BF1.

Для включения и выключения служит выключатель S1. Для того чтобы выключить сигнализацию его нужно включить. При этом через него разряжается конденсатор С2, и остается в таком состоянии. На выводе 6 D1.2 удерживается логический ноль, поэтому на его выходе всегда будет логическая единица, независимо от состояния датчика. После включения сигнализации путем выключения S1 схема еще 15 секунд не будет реагировать на датчик, пока С2 заряжается через R4 до напряжения логической единицы.

Вступление

Любительские автономные мобильные роботы обычно не имеют выраженных целевых функций и для них достаточно просто избегать столкновений с препятствиями. Если же такой робот имеет одну или несколько целевых функций, то необходимым условием их реализации становится избегание препятствий. Тогда для роботов приходится разрабатывать и самостоятельно изготавливать сложные сенсоры или использовать готовые и достаточно дорогие устройства, в частности, лидары.

Ниже мы рассмотрим конструкцию простого ИК-сенсора, допускающего масштабирование без существенных изменений электронной схемы.

Все ИК-сенсоры, как любительские, так и промышленные, имеют ограничения по применению: они не могут корректно работать с препятствиями, поверхность которых имеет зеркальное покрытие или слишком высокий коэффициент поглощения падающего излучения. Поэтому в промышленных подвижных объектах лидары дублируются ультразвуковыми и радиолокационными локаторами.

Детали

В схемах на рис. 1 и 2 в качестве динамика BF1 можно использовать любую высокочастотную динамическую головку сопротивлением не ниже 4 Ом, желательно рупорную. Микросхему CD4093 можно заменить отечественным аналогом — К561ТЛ1 или любым другим аналогом типа «4093».

Светодиод HL1 — любой индикаторный сверх яркий светодиод. Чем больше его яркость, тем шире расстояние может быть между ним и фоторанзистором. Фототранзистор 2N5777 можно заменить любым другим фототранзистором или даже фоторезистором. При этом может потребоваться подбор сопротивления резистора R2. Диоды 1N4148 можно заменить на КД522, КД521 или другие аналоги.

Транзисторы ВС557 можно заменить на КТ3107, транзистор ВС547 — на КТ3102, транзисторы ТІР61 можно заменить на транзисторы КТ815 или КТ817.

В процессе налаживания резистором R4 можно установить задержку после вклю-чния. Резистором R3 можно установить продолжительность сигнализации. Резистором R5 можно установить периодичность повторения сигнальных звуков. Резистором R6 — тон звучания.

На всех схемах для ясности сохранена общая последовательность нумерации деталей принятая на рисунке 1, поэтому на рисунках 2 и 3 некоторые позиции пропущены.

Горчук Н. В. РК-2017-02.

Texas Instruments CD4001B CD40106B

Михаил Шустов, г. Томск

Приведена несложная схема формирователя биполярных импульсов с возможностью раздельного и независимого регулирования их частоты и коэффициента заполнения

Биполярные импульсы преимущественно используют для поочередного переключения транзисторов в мостовых и полумостовых преобразователях напряжения. Хорошо известно, что при работе таких преобразователей на повышенных частотах на надежности их работы начинают фатально сказываться инерционные процессы рассасывания неосновных носителей тока в базовых цепях силовых транзисторов. В итоге последовательно включенные транзисторы могут одновременно оказаться в токопроводящем состоянии, несмотря на отсутствие управляющего сигнала. В этой связи с высокой долей вероятности возможен выход из строя дорогостоящих транзисторов за счет протекания через них неконтролируемого сквозного тока .

Для того чтобы снизить вероятность протекания сквозного тока между импульсами вводят паузу, длительность которой должна несколько превышать время рассасывания неосновных носителей тока.

Способ получения серии биполярных импульсов из последовательности однополярных с использованием генератора импульсов, D-триггера, схем антисовпадений и операционного усилителя, питаемого от источника двуполярного напряжения, был впервые описан в британской печати и затем продублирован в отечественной .

Устройство (Рисунок 1) наследует выходные каскады формирователей и отличается возможностью плавного и независимого регулирования частоты и ширины биполярных импульсов.

Задающий генератор выполнен на элементе DD1.1 КМОП микросхемы CD40106. Рабочая частота генератора определяется RC-цепями: емкостью конденсатора С1 и суммарным сопротивлением резисторов и потенциометров R1–R5. Эту частоту можно плавно регулировать при помощи потенциометра R2 в пределах от 850 до 6000 Гц. Частоту работы генератора можно рассчитать по выражению

где

f – в кГц,
R – в кОм,
С – в мкФ.

Резистивная цепочка R3–R5 подключена параллельно цепочке R1, R2. С движка потенциометра этой цепочки R4 снимается сигнал пилообразной формы, формируемый при заряде-разряде конденсатора С1. Этот сигнал, инвертированный элементом DD1.2 (триггер Шмитта, обладающий пороговым эффектом переключения), совместно с сигналом, снимаемым с выхода задающего генератора, поступает на элемент DD2.1 «ИЛИ» и на формирователь биполярных импульсов (элементы DD2.2, DD2.3, микросхема DA1), выполненный по ранее известной схеме .

Регулировка потенциометра R4 позволяет в широких пределах, практически от 0 до 100%, менять ширину выходных биполярных импульсов, не влияя на частоту работы генератора. Резисторы R3, R5 предназначены для ограничения пределов регулировки ширины импульсов по минимуму и по максимуму их длительности.

Литература

1. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения. – М.: Altex-A, 2002. – Кн. 3. – 184 с.; М.: Додэка-XXI–Altex, 2007. – 192 с. (II изд.).
2.  Шустов М.А. Основы силовой электроники. – СПб.: Наука и Техника, 2017. – 336 с.
3. Shustov M.A., Shustov A.M. Electronic Circuits for All. – London: Elektor International Media BV, 2017. – 397 p.
4. Rauniar K.N. Unipolar-to-bipolar pulse converter // Electronics World + Wireless World. – 1989. – № 11. – P. 1098.
5. Васильев В. Задающий генератор преобразователя напряжения // Радио. – 2006. – № 10. – С. 47.

Материалы по теме

1. Datasheet Intersil CA3140
2. Datasheet Texas Instruments CD4001B
3. Datasheet Texas Instruments CD40106B

На английском языке: Independent Width and Frequency Adjustment Bipolar Impulser

7 предложений от 7 поставщиков
Логические элементы CMOS Quad 2-Input NOR Gate

Публикации по теме

Форум Обсуждение: Генератор с независимой регулировкой ширины и частоты импульсов

Схемы Генератор с независимой регулировкой ширины и частоты импульсов

Схемы Генератор импульсов с независимой регулировкой частоты и скважности

Схемы Генератор импульсов с независимой регулировкой фазы

Форум Обсуждение: Генератор импульсов с независимой регулировкой фазы

Испытания

Снабженный описанным в статье сенсором автономный робот несколько раз «обследовал» все помещения трехкомнатной квартиры, столкнувшись с препятствием только один раз. Этим препятствием оказалась угольно-черная стойка электронного пианино. При этом робот двигался перпендикулярно к препятствию. В других случаях робот подходил к этому препятствию под углом и исправно менял направление движения.

На наш взгляд, причина столкновения заключается в относительно малой доле излучения по вектору движения. Увеличение числа ячеек-фасеток должно исключить возникновение подобных ситуаций. Предпочтительно нечетное количество ячеек, например, 5, 7 или 9. При таком числе ячеек одна из них сканирует пространство по вектору движения.