灰度传感器工作原理:diskiii

2021/12/18 13:28 · 传感器知识资讯 ·  · 灰度传感器工作原理:diskiii已关闭评论
摘要:

灰度传感器工作原理:diskiii上一篇提到了传感器,我们用的是红外灰度传感器,这里我们就对红外灰度传感器展开来说,理清原理实现,最后能够自己动手做出来。一、原理分析我们先来说一个最基本的电路原理:在一个灯泡两端通电,灯泡就会亮。这很简单吧。那深入一点点,灯泡有多亮?能控制吗?用什么控制?电流!划重点,电流控制灯泡亮

灰度传感器工作原理:diskiii  第1张

灰度传感器工作原理:diskiii

  上一篇提到了传感器,我们用的是红外灰度传感器,这里我们就对红外灰度传感器展开来说,理清原理实现,最后能够自己动手做出来。
一、原理分析
  我们先来说一个最基本的电路原理:
  在一个灯泡两端通电,灯泡就会亮。这很简单吧。那深入一点点,灯泡有多亮?能控制吗?用什么控制?电流!划重点,电流控制灯泡亮度!那要怎么控制电流呢?我们介绍另一个简单的电路原理,欧姆定律:电流=电压/电阻,划重点,欧姆定律! 那简单了吧,控制电流要么变电压,要么变电阻。我们选择变电阻。如下图:电阻限流电路
  忽略灯泡内阻,我们就得到了 I=U/R ,就可以计算流过灯泡的电流了。

  可能会有疑问,我们是分析红外灰度传感器的呀,怎么弄到灯泡来了??我们回顾一下红外灰度传感器的样子:

  看,单个的灰度传感器都有两个半圆的点,一个是透明的,一个是暗黑色的,透明的那个其实就是发射红外线的灯泡哦。为什么要装灯泡呢?这里我们了解一下红外灰度传感器工作的原理,先看下图:绿色椭圆代表灰度传感器中的透明点,黑色椭圆代表暗黑色点,绿色的是红外线,箭头是传输方向,最下的黑色横条表示障碍物。

  红外灯泡通电后,发出红外光,红外光遇到障碍物后,反射到红外接收器。在高中物理中我们有学过,黑色物体吸收光多,越黑越多。所以当障碍物为黑色时,红外接收器接收到的红外光就少,当障碍物为白色的时候,红外接收器接收到的红外光就多。判断接收红外光的多少,就可以知道障碍物的黑白啦。当然,这里的障碍物指的就是黑色跑道和白色背景。
  说到这里,我们还不知道红外灯泡和红外接收器的真正名字是什么呢。其实这两者的组合称为红外对管,划重点,红外对管!!!透明的那个是红外发射管,暗黑色那个叫红外接收管。回到上面说到了灯泡亮度问题,是不是红外发射管发出的亮度越高越好呢?不是的,发出的亮度应该是适中且固定的。适中容易理解,固定是什么意思?就是亮度应该由始至终都相同,不然就算是检测同一个障碍物的灰度,红外发射管发射的亮度忽明忽暗,红外接收管接收到的反射光也就忽明忽暗,但是明明是同一个障碍物,这样就不对了。我们一般能够在厂商提供的数据手册中找到红外发射管正常工作时的电流(一般是十几毫安到几十毫安),根据这个电流和电源的电压,求出要加的电阻的大小。
  发射讲完了,那接收呢?红外接收管怎么知道接收红外光有多亮。
  首先我们要了解一个概念:光敏元件,划重点,光敏元件!!!简单来说就是对光敏感的元件,也就是说,环境亮度大小会导致光敏元件某一个物理量发生变化。我们使用的红外接收管就是一种光敏元件,当接收红外光亮度越大时,电阻就越小。
  接收的原理弄懂了,实际实现要怎么做呢?很简单呀,测电阻就行啦。但是单片机没有办法直接测电阻。。。甚至于一般型号的51单片机连电压值都没办法测,只能测电平高低。暂时不管这些,我们就先知道没办法测电阻。。好吧,我们勉强能测电压,至于为什么说勉强,待会再说。我们先来解决一下怎么把测电阻转换成测电压。
  假设我们现在有一个电压表,怎么测电阻大小呢?我们又要来介绍另一个简单的电路原理:电阻分压原理。图中的RL即红外接收管的电阻,R1是我们挑选的固定阻值的电阻。
  从上图,根据电阻分压原理,我们可以得到UL的值,固定电源为5V,我们假设红外接收管在障碍物为黑色的时候(即在跑道上),RL电阻为30K,在障碍物为白色的时候,RL电阻为300,假设R1我们用10K的电阻,求障碍物为黑色的时候电压UL等于多少,障碍物为白色的时候电压UL等于多少。
  因此小车在跑道上跑的时候,UL的值就在0.15到3.75之间变化,我们通过检测UL的大小就可以知道这个红外灰度传感器是否在跑道上了。

  还记得我们前面提到说,“勉强”可以测量电压吗?为什么要说勉强?实际上一般型号的51单片机(不包括某些增强版)是不具备测电压功能的,也就是说,我们没有办法测得出UL的数值。但是51单片机能够输入高低电平,也就是0和1,输入低于0.4V就相当于输入0,输入高于2.4V就相当于输入1。因此,我们需要一种折中的办法,以达到我们的目的。
  我们回顾一下我们的目的,不就是区分黑线和白色背景吗,而且黑线和白色背景对应的UL相差又比较大,我们大概取一个中间值,约为2V。现在我们设计一个元件,这个元件有一个输入和一个输出。当输入小于2V时,输出为0V;当输出大于2V时,输出为5V。如下图理解:

  这样一来我们就将UL的0.15~3.75这样的一个范围值变成了0和5这样的两个数,对应了单片机输入的0和1,分别代表着白色背景和黑色线路。
  这个将数值进行比较后进行输出的元件叫电压比较器,划重点,电压比较器!!! 电压比较器的电路应该这样画:
 
  中间那个带+ -号的三角形叫做运放,这个不用划重点,这里涉及到数字电路的知识,不展开讲,只需要知道的是,当+(正)端输入的电压大于-(负)端电压时,输出5V,否则输出0V。

  回顾一下上面说到的几个电路,电阻限流,电阻分压,比较器。综合以上三个电路,一个红外灰度传感器的电路就出现了,如下图:VCC连接电源正极,GND连接电源负极,TCRT5000是一组红外对管,左边带两个箭头的是红外发射管,右边的是红外接收管。
  电路看起来挺复杂的,实际上这个电路分析起来很简单。首先我们应该注意到,这个电路里面有很多从VCC分出来的并联支路,我们就通过分析每一个支路来进行整个电路的分析。
  首先看下电源支路,有电容滤波支路和电源灯支路,如下图红色部分所示:
  从VCC开始,经过104电容(10^4次方pf,也就是0.1uf)后连接到GND,主要用作电源滤波,就是减少电源波动对电路的影响。其次,VCC经过电源指示led,接一个1k的限流电阻然后接到GND,用作电源指示作用,也就是当VCC和GND接到电源的正负极时,电源指示led发亮。这部分电路只要是辅助作用,不是必须的。

  接下来分析红外发射对管驱动电路。如下图绿色部分所示:
  把VCC换成电源正极,GND换成电源负极,红外发射对管换成灯泡,这不就是本文开头说的电阻限流电路吗?一模一样的,通过一个180欧姆的电阻进行限流,使通过红外发射对管的电流符合厂商提供的工作电流范围。这样红外发射对管就能发出亮度适中且固定的红外光了。

  接下来我们再看红外接收对管的接收电路。如下图蓝色部分所示:
  与发射管同理,将VCC换成电源正极,GND换成电源负极,红外接收管换成电阻RL,这不就和我们上面分析的电阻分压电路一样了吗?而且测量电压的取样点也是在RL之前,跟上面所分析的电路一模一样,这条支路可以输出0.15~3.75之间的信号给比较器。

  下面分析比较器电路,如下图红色部分所示:

  上面我们说的,比较器的原理是什么来着,当运放+(正)输入电压大于-(负)输入电压时,运放输出就为5V,反之输出就为0V。观察此时的+-极输入是什么。+极输入是前面电阻分压电路得到的UL,-极输入是VCC和GND之间的电压经过滑动变阻器(也叫电位器)分压后得到的某一固定电压,在上文的分析中,我们把这个固定电压设置为2V,在这里我们调节滑动变阻器,获得一个2V的电压提供给运放-(负)极即可。
  电路中的其他部分都是辅助部分或者实现别的功能的部分,跟本次所做的红外灰度传感器关系不大,可暂时忽略。
  至此,红外灰度传感器的电路原理分析部分就完成了,其实所用的核心电路知识都是高中物理电学的基础,理解起来还是比较简单的。
二、实物制作
  开始实物制作,其实也很简单,按照上面的电路图,把电子元件焊起来就行了。先看看需要什么电子元件:红外对管,电阻,电源指示led灯,电容,运算放大器和万能板。大概就是下面这些东西:
 
    TCRT5000红外对管          电阻                发光led
      瓷片电容        LM339四路比较器          万能板

  来说一下选型,红外对管选择了TCRT5000,方便而且便宜,也可以单独买发射管和接收管,都是可以的。电阻,对电压和功率的要求不大,就一般的碳膜电阻就行了,阻值要有180,1k和10k的。电容,就只是用到了一个作为电源滤波的104电容,瓷片电容足够了。LM339四路比较器,内部其实就是四个运放,做循迹小车用到的红外灰度传感器的数量最少要有5个才能跑得比较好,所以推荐用两个LM339,焊接7路红外灰度传感器。万能板推荐选用这种绿色的玻纤板,黄色那种电木板材质太差,大小选择合适能放下元件和线路即可。
  漏掉了电位器(滑动变阻器)。。。大概是下面这个样子的,能进行分压就行,对阻值要求不大,用10k的就行。
  
  焊接方面就没什么好说的了,电子元件按照电路图放置在万用板上,用焊锡焊起来就行。可以将电路拆分,将红外对管的发送接收电路焊在一块万用板上,电压比较器焊在另外一块万用板上,前一块板就负责输出电压UL到后一块板的比较器+极。焊好之后是下面的样子:
                红外对管板元件面
                  讲解图
  红圈处就是一个红外对管单元的电路,橙色的“1”是红外对管,“2”是180欧限流电阻,“3”是10k分压电阻。电流从VCC流入,经过限流电阻2,对红外发射管供电,然后流入GND。同样地,电流从VCC流入,经过分压电阻3,再连接到红外接收管,最后连到GND,分压电阻与红外接收管中间点的电压就是我们上面分析的电压UL,即0.15v~3.75v那个电压。可以看到在这个中心点连接了一根黑线出来(上面的原图可能清晰一点),这根黑线就可以与比较器的+极相连了。其余六个红外对管单元的电路和这个单元是一模一样的,看看背面线路图:

  接下来看比较器板:
  
  每个LM339比较器芯片有四路比较器,所以做七路的红外灰度传感器用两个LM339比较器芯片就行了。红色的“1”表示这里是比较器+(正)端输入的地方,“2”表示这是分压电位器,以获取2V电压,然后连接到比较器-(负)端。“3”就是比较器输出端输出信号连接单片机的地方。这块板的线路会有一点点复杂,所以建议分两块板,看看这块板的背面线路图:
  

到这里,红外灰度传感器就写完了。回顾一下有什么:
电阻限流电路,用来点亮红外发射管。
电阻分压电路,用来测量红外接收管接收到的反射红外光的强度。
电位器分压电路,分压出一个2V电压提供给比较器-(负)端。
电压比较器,+(正)端接红外接收管的电阻分压电路得到的UL,-(负)端接电位器分压出来的2V。
实物制作的材料选型,元件的布局,焊接线路的布线。

  

灰度传感器工作原理:diskiii  第2张

灰度传感器工作原理:什么是灰度传感器它的工作原理是什么

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视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源,主要由一个或者两个图形传感器组成,有时还要配以光投射器及其他辅助设备。视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的最原始图像。

视觉传感是应用在生产装置上的一种电子图像技术,通过视觉传感器把图像抓到,然后将图像传送至处理单元,通过数字化处理,根据像素分布和亮度、颜色等信息,来进行尺寸、形状和颜色的判别,并根据判别结果进而控制生产设备的工作。 视觉传感器的工作过程可以分为四个步骤:图像的检测、图像的分析、图像的绘制和图像识别。视觉传感器具有从一幅图像中捕获数以千计像素的能力。 视觉信息一般通过光电检测转换为电信号,通过图像信息的变化可以对物体的形状位置等特征信息进行判定。

目前使用比较多的视觉传感器是光接收装置及其各种摄像机,如光电二极管与光电转换器件、位置敏感探测器(PSD) 、CCD图像传感器、CMOS图像传感器及其他的摄像元件。 通过对拍摄到的图像进行处理,来计算对象物体的特征量(面积、重心、长度、位置、颜色等), 并输出数据和判断结果。

要实现机器人根据视觉信息完成相应动作,就必须完成图像坐标系、工作平面坐标系、机器人坐标系三者之间的转换,将图像坐标系中的某点与工作平面坐标系中的相应点对应起来,并且最终都表示在机器人坐标系中。所以就需要进行摄像机的标定和坐标的提取,将图像坐标系和工作平面坐标系统一在机器人坐标系下。

图像处理的基本原理就是:由摄像机采集视频信号,将视频信息转化为数字化图像,然后通过视频处理卡及视频处理程序对数字图像进行灰度化、边缘检测、轮廓坐标重建等操作,最终将目标物形状及中心位置信息传输给上位运动控制程序,驱动机器人完成对目标物的操作。

二维视觉传感器。二维视觉基本上就是一个可以执行多种任务的摄像头。从检测运动物体到传输带上的零件定位等。二维视觉在市场上已经出现了很长一段时间,并且占据了一定的份额。许多智能相机都可以检测零件并协助机器人确定零件的位置,机器人就可以根据接收到的信息适当调整其动作。

三维视觉传感器。三维视觉传感器分为被动传感器和主动传感器两大类,被动传感器通过摄像机等对目标进行拍摄,获取目标物图像。主动传感器通过传感器向目标投射光图像,接收返回信号,对距离进行测量。

与二维视觉相比,三维视觉是最近才出现的一种技术。三维视觉系统必须具备两个不同角度的摄像机或使用激光扫描器。通过这种方式检测对象的第三维度。根据目标物体的图像获取目标物体的轮廓形状来计算其位置信息,并将这些信息进行规范后传送给机器人控制系统,目标物体的位置信息的自动化计算是三维视觉技术的重要环节。机器人系统根据规范后的目标物体空间坐标对机械手进行运动轨迹规划,控制机械手靠近目标物体并实施操作。

同样,现在也有许多的应用使用了三维视觉技术。例如零件取放,利用三维视觉技术检测物体并创建三维图像,分析并选择最好的拾取方式。

另外,还有其他视觉传感器:功能性视觉传感器,如人工视网膜传感器,图形处理能力强,使用灵活、快速、成本低;时间调制图像传感器,能把光检测器生成的入射光量,以及全体像素共同参照信号的时间相关值并行存储,以类似图像传感器那样输出,主要用在振动模态测量,图像特征提取、立体测量等方面;生物视觉传感器,通过模拟动物或人的眼睛的结构获取周围的信息,把获取的视觉信息传送给脑神经细胞进行处理,但目前在这方面的研究不够充分,离工业化的应用还比较远。

上海磐云科技有限公司简称磐云科技,专注非标定制自动化设备的研发和生产,企业于2014年2月成立,企业总人数100余人,研发总部设立在魔都上海,位于江苏太仓的生产制造基地累计投入6000万,占地m2,目前企业年营收已超亿元。磐云科技自成立以来,得到来自3C消费电子、汽车、半导体行业、IOT物联网等行业客户的认可与支持。磐云科技取得的核心技术为多轴协同控制技术、机器人机界面调控技术、高速图像处理技术、激光精确定位测量技术、产品组装与包装系统集成等核心技术。

灰度传感器工作原理:灰度传感器的工作原理_灰度传感器调节方法

  灰度传感器的工作原理
  灰度传感器是模拟传感器,有一只发光二极管和一只光敏电阻,安装在同一面上。灰度传感器利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同,光敏电阻对不同检测面返回的光其阻值也不同的原理进行颜色深浅检测。在有效的检测距离内,发光二极管发出白光,照射在检测面上,检测面反射部分光线,光敏电阻检测此光线的强度并将其转换为机器人可以识别的信号。
  地面灰度检测传感器主要用于检测不同颜色的灰度值,例如在灭火比赛中判断门口白线,在足球比赛中判断机器人在场地中的位置,在各种轨迹比赛中沿黑线行走等。

  灰度传感器技术参数
  1.主体外形尺寸:10 ×16 mm (高×外直径)
  2.重 量:10g 额定电压:直流电源 5.0V
  3.线 长:18.4cm±0.2cm(有效距离)
  4.检测范围(反射面为白纸):0.3~ 0.8cm(检测面为白纸时检测高度在 0.5cm时为最佳)
  5.调节方式:多圈电阻式调节,逆时针方向旋转功率变大,顺时针方向旋转功率变小
  6.返 回 值:13~190(检测面为白色检测高度为 0.5cm;高度和检测面都一样的情况下颜色越浅,返回值越小)
  7.安装方式:单颗3螺丝安装

  灰度传感器调节方法
  灰度传感器上无信号指示灯,但是配有检测颜色返回模拟量大小调节器。欲使检测给定的颜色时,可以将发射/接收头置于给定颜色处,配合调节器即可调出合适的返回模拟量。方法如下:
  将调节器逆时针方向旋转,返回模拟量变大;将调节器顺时针方向旋转,返回模拟量变小;可以一直调节直到你需要的数值为止。若需要准确的模拟量,可以用程序在液晶屏幕上显示,配合调节器即可调出准确的模拟量。
  注:用螺丝刀旋转调节器时,不要旋的太快,也不要旋的太用力,以防旋坏,在发现旋不动时,应马上停止。
  8.连接方式:单条3芯排线,2510型3脚插头

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