Илья Копалин
Обучающий набор «Цифровая лаборатория» NR05 из серии «Азбука электронщика» может иметь множество практических применений.
Из компонентов, входящих в набор, можно собрать несколько интересных и полезных устройств, таких как часы, светобудильник, метеостанцию и другие.
Набор также поможет заложить основы понимания современной электроники, программирования микроконтроллеров, взаимодействия электронных компонентов в устройствах. Добавляя к набору различные электронные модули, можно реализовать практически неограниченное количество интересных идей и замыслов.
В этом материале мы расскажем, как из компонентов набора и инфракрасного барьера BM083 производства Мастер Кит можно сделать счетчик/ограничитель доступа в помещение или на мероприятие, а также электронный финиш с индикацией времени. Причем схема подключения меняться не будет, а разница будет только в прошивках (программах) микроконтроллера.
Нам понадобятся входящие в набор плата расширения со встроенным символьным индикатором, трехцветный RGB-светодиод, звукоизлучатель, провода, а также дополнительно два источника питания на 12 В, и, конечно, инфракрасный (ИК) барьер BM083.
Барьер состоит из двух модулей – передатчика (слева) и приемника (справа). Для работы каждого из них необходим источник питания постоянного тока напряжением 12 В и током не менее 60 мА для приемника и 30 мА для передатчика. Расстояние между передатчиком и приемником может быть до 50 м. Передатчик формирует инфракрасное излучение, модулированное импульсами для увеличения помехоустойчивости, а приемник принимает это излучение и включает реле при его исчезновении.
Основной вариант работы ИК барьера – это работа «на просвет», когда приемник и передатчик устанавливаются друг против друга на определенном расстоянии. В этом случае реле в приемнике срабатывает при пересечении области распространения луча непрозрачным для инфракрасного излучения предметом. При использовании такого режима барьер имеет некоторые особенности. Так как приемник комплекта имеет весьма высокую чувствительность, то при использовании ИК барьера в ситуациях, когда рядом присутствуют значительные отражающие поверхности, например, стены, могут иметь место сбои в работе, так как приемник будет реагировать на сигнал отраженный от стен. Для того чтобы избежать таких ситуаций, рекомендуется на приемник и передатчик устанавливать защитные бленды – пластмассовые или металлические трубки, зачерненные внутри. Такие бленды сужают поле зрения устройства и повышают надежность его работы. Высокая чувствительность приемника позволяет кроме традиционной работы «на просвет» использовать ИК барьер в режиме работы «на отражение». Для реализации этого режима нужно, чтобы в контролируемой зоне не было отражающих объектов. В этом случае приемник и передатчик ставятся рядом и направляются в сторону этой зоны. Между ними устанавливается непрозрачная перегородка, препятствующая прямой засветке приемника передатчиком. При появлении в контролируемой зоне отражающего объекта приемник включит реле. Дальность действия в таком режиме зависит от величины отражающего объекта, но во всех случаях будет меньше, чем при работе на просвет.
Мы будем использовать контакты реле приемника для подачи сигнала о срабатывании барьера в микроконтроллер (МК) платы Ардуино, установленной на плате расширения набора NR05. При этом для повышения помехозащищенности используемого входа микроконтроллера следует использовать так называемые подтягивающие резисторы.
Как известно, выводы микроконтроллера могут использоваться как на выход, так и на вход. Выводы Ардуино стандартно настроены как порты ввода, таким образом, не требуется явной декларации в функции pinMode(). Сконфигурированные порты ввода находятся в высокоимпедансном состоянии. Это означает, что порт ввода дает слишком малую нагрузки на схему, в которую он включен. Эквивалентом внутреннему сопротивлению будет резистор 100 МОм подключенный к выводу микросхемы. Таким образом, для перевода порта ввода из одного состояния в другое требуется весьма небольшой ток. Это позволяет применять выводы микросхемы для подключения емкостного датчика касания, фотодиода, аналогового датчика со схемой, похожей на RC-цепь.
С другой стороны, если к данному выводу ничего не подключено, то значения на нем будут принимать случайные величины, наводимые электрическими помехами или емкостной взаимосвязью с соседним выводом.
Если на порт ввода не поступает сигнал, то в этом случае рекомендуется задать порту известное состояние. Это делается добавлением подтягивающих резисторов 10 кОм, подключающих вход либо к +5 В (подтягивающие к питанию резисторы), либо к земле (подтягивающие к земле резисторы).
Микроконтроллер имеет программируемые встроенные подтягивающие к питанию резисторы 20 кОм. Программирование данных резисторов осуществляется следующим образом.
pinMode(pin, INPUT); // назначить выводу порт ввода
digitalWrite(pin, HIGH); // включить подтягивающий резистор
Также допустима такая сокращенная запись:
pinMode(pin, INPUT_PULLUP);
Подтягивающие резисторы управляются теми же регистрами (внутренними адресами памяти микроконтроллера), которые управляют состояниями вывода: HIGH или LOW. Следовательно, если вывод работает как порт ввода со значением HIGH, что означает включение подтягивающего к питанию резистора, то конфигурация функцией pinMode() порта вывода на данном выводе микросхемы передаст значение HIGH. Данная процедура работает и в обратном направлении, т.е. если вывод имеет значение HIGH, то конфигурация вывода микросхемы как порта ввода функцией pinMode() включит подтягивающий к питанию резистор.
Подключение компонентов нашего устройства одинаково для работы его в качестве счетчика и в качестве электронного финиша.
Ниже приведены коды программ для этих двух применений.
Коды снабжены достаточным количеством комментариев для понимания их работы.
Подключение Ардуино к компьютеру, установка оболочки Arduino IDE для написания программ и их загрузки в Ардуино подробно описаны в обучающем пособии, входящем в набор. Там же даны начальные сведения о языке программирования для Ардуино, тексты программ и примеры подключения различных датчиков и устройств.
Маленькое видео, демонстрирующее работу устройств:
