Инструменты пользователя


Датчики

Датчики - это устройства сбора информации. Кратко работу датчика можно сформулировать следующим образом: датчик измеряет какую-либо величину и передает результат измерений на исполнительное устройство или в контроллер для дальнейшей обработки. Часто датчики называют первичными измерительными преобразователями информации.

Первичными - потому что датчики, для любого устройства, являются первыми приборами, которые контактируют с окружающей средой.

Измерительными - потому что датчики измеряют изменение тех или иных параметров среды.

Преобразователями - потому что большинство датчиков построено на принципе изменения проходящего через них электрического сигнала. Датчик может оказывать влияние на напряжение или ток, протекающий через него и изменять их величину. Именно по изменениям величины определяют, оказывается ли на датчик воздействие, насколько велико воздействие и т.п. Однако само воздействие, как правило, имеет иную природу. Например датчик, который измеряет температуру окружающей среды, по сути преобразует изменение температуры в изменение электрического тока. Датчик, который измеряет скорость движения автомобиля, преобразует количество оборотов колеса за секунду в соответствующий электрический сигнал.

В зависимости от природы явлений (температура, вращение, свет) которые измеряют датчики, они попадают в разные разделы классификации.

Датчики по своему назначению и технической реализации близки к понятию «измерительный инструмент» («измерительный прибор»). Однако показания приборов воспринимаются человеком, как правило, напрямую (посредством дисплеев, табло, панелей, световых и звуковых сигналов и проч.), в то время как показания датчиков требуют преобразования в форму, в которой измерительная информация может быть воспринята человеком. Датчики могут входить в состав измерительных приборов, обеспечивая измерение физической величины, результаты которого затем преобразуются для восприятия оператором измерительного прибора.

Лабораторная работа

Для выполнения данной лабораторной работы в электронном виде потребуется войти в личный кабинет на платформе TinkerCAD и ознакомится с интерфейсом инструмента Circuits (Цепи):

  • Подробная инструкция для учащихся Кибергофа: TinkerCAD

Переменные резисторы

В предыдущей работе мы познакомились с резисторами : пассивными элементами электрической цепи, которые имеют определенно электрическое сопротивление, за счет чего могут рассеивать часть проходящей через них электрической энергии. Мы познакомились только с резисторами, которые имеют постоянный номинал. Однако, существуют резисторы, номинал которых может изменяться в зависимости от внешних факторов.

Фоторезисторы

Фоторезистор – это датчик, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего на него света. Чем интенсивней свет, тем больше создается свободных носителей зарядов и тем меньше становится сопротивление элемента. Соберем схему с использованием фоторезистора. Если щелкнуть в режиме симуляции по фоторезистору левой клавишей мыши то рядом с ним появится ползунок, который симулирует количество света, падающего на фоторезистор. Чем больше света падает на фоторезистор - тем меньше его сопротивление. А значит больше электрической энергии доходит до светодиода и он светится ярче.

Потенциометры

Потенциометр — жаргонное название переменного резистора, включенного как делитель электрического напряжения. Потенциометр имеет три контакта. Это связано с его устройством и принципом действия. Крайние выходы потенциометра - концы диска из резистивного вещества. Если вращать ручку потенциометра, то связанный с ней ротор перемещает скользящий контакт по этому диску. В зависимости от того насколько близко скользящий контакт будет к контакту пластины на который подается напряжение, будет изменяться напряжение на средней «ноге» потенциометра. Чем ближе скользящий контакт- тем выше напряжение на нем.

Чтобы убедиться в этом, соберем схему с использованием прибора для измерения электрического напряжения - вольтметра:

  • Мультиметр, настроен в режим измерения напряжения. Измеряет разность потенциалов перед резистором и после светодиода.
  • Потенциометр с номиналом 1 кОм. На левую ножку подаем питание от батарейки, правую ножку соединяем с минусом батарейки, чтобы создать замкнутый контур для циркуляции электрической энергии. Среднюю ножку (скользящий контакт) соединяем с постоянным резистором.
  • Резистор с номиналом 345 Ом. Поставлен в схеме для того, чтобы если от потенциометра придет полное напряжение батарейки, связанный с ним светодиод не вышел из строя.

Если в режиме симуляции вращать ручку потенциометра, то светодиод будет менять интенсивность своего свечения. Это связано с изменением электрического напряжения, протекающим через него (его мы можем наблюдать на вольтметре)

Подключение потенциометра к микроконтроллеру

В предыдущей работе мы управляли RGB светодиодом подавая на его контакты высокий (5В) или низкий (0В) уровни сигнала. Однако, что если сигнал будет иметь не только эти два значения, но и любые возможные из этого диапазона? Чтобы проверить, соберем следующую схему. В этой схеме мы будем подключать три потенциометра. К каждому из них необходимо подвести провод питания (+5В с платы) и минусовой провод (GND). Однако, необходимых разъемов у нас на плате гораздо меньше. В таких случаях возникает необходимость соединять несколько проводов друг с другом. Существуют различные способы (спаивание проводов, скрутка проводов и т.п.) но все они требуют специального инструмента, а в случае внесения изменений в схему (что случается достаточно часто на этапе макетирования) требуют некоторое время на то, чтобы разъединить провода обратно. Для решения данной проблему существую беспаечные макетные платы.

Макетная плата представляет из себя пластиковую основу, в которую установлены металлические пластинки (шины). Доступ к этим пластинкам осуществляется через отверстия в верхней части платы. Когда две ножки радиоэлементов или два провода соприкасаются с какой-то из шин, электрический ток передается по шине от одного контакта к другому.

Помимо макетной платы в схеме имеются:

  • 3 резистора с номиналом 345 Ом, по одному на каждый анод RGB светодиода (для защиты светодиода от избыточной энергии). Обратите внимание, резисторы подключены к выходам платы 3,5 и 6. Связано это с тем, что эти выводы могут выводить не только напряжение 0 или 5 вольт, а любое значение в этом диапазоне.
  • 3 потенциометра, крайние левые ноги потенциометров связаны с выходом 5В (через шину макетной платы), крайние правые с выходом GND (так-же через макетную плату). Средние ноги потенциометров связаны с входами платы: А0, А1 и А2.

Код программы будет выглядеть следующим образом. Блок «Назначить вывод на» будет передавать сигнал на указанный выход (3,5,6). Блок «Считывать с аналогового вывода» будет принимать информацию с потенциометров через контакты A0,A1,A2. Таким образом, на выводы 3,5,6 будет подаваться не какое-то фиксированное значение, а значение, установленное потенциометрами. После запуска симуляции, при вращении потенциометров будет устанавливаться интенсивность свечения различных цветов светодиода. Меняя интенсивность можно получать самые различные цвета.