مقاله در مورد روبات تعقیب خط

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 مقاله در مورد روبات تعقیب خط دارای ۱۲۸ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله در مورد روبات تعقیب خط  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله در مورد روبات تعقیب خط،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن مقاله در مورد روبات تعقیب خط :

روبات تعقیب خط

روبات تعقیب خط چیست
روبات تعقیب خط ماشینی است که می تواند یک مسیر را دنبال کند. مسیر می تواند مرئی باشد مانند یک خط مشکی بر یک سطح سفید (تعقیب خط) و یا نامرئی مانند یک میدان مغناطیسی در فضای ازاد باشد. هدف طی مسیر بابیشترین سرعت و کمترین خطا نسبت به مسیر تعیین شده است. کاربرد های عملی یک چنین روباتی شامل اتومبیل های خودکار که جاده را از طریق یک مسیر راهنمای مغناطیسی دنبال می کنند یا روبات های کارگر که در کارخانه ها مسیر مشخصی را از طریق خطوط رنگی حک شده بر کف ان طی می کند می شود.

شکل ۱-۱ شمای یک روبات تعقیب خط
روبات تعقیب خط روباتی ایده ال برای روبات سازان اماتور می باشد. حس کردن خط و واداشتن روبات به حرکت بر روی ان به همراه اصلاح دائمی حرکت های نادرست از طریق یک مکانیزم فیدبک یک حلقه بسته ساده را ایجاد میکند.
صورت مسئله ساخت روبات تعقیب خط در مسابقات مختلف دارای جزئیات زیاد و بعضا متفاوتی است اما اصل موضوع در همه انها این است که روبات باید بتواند یک خط مشکی به عرض ۱۸ سانتی متر(معمولا چسب برق) را در یک صفحه سفید دنبال کند.یعنی وقتی در ابتدای خط مشکی تنظیم و سپس روشن شود بدون نیاز به دخالت کاربر به دنبال خط مشکی حرکت

کند در شکل بالا روباتی که قصد ساختن ان را داریم به همراه مسیر ان مشاهده می شود.
البته در بعضی روبات های پیشرفته تر نیازی به تنظیم کردن روبات روی خط مشکی نیست و خود روبات به صورت هوشمند خط را پیدا می کند که این بخاطر برنامه خوب نوشته شده برای میکرو ان توسط سازنده است. در روباتی که در این پروژه ساخته می شود سعی شده است این اصل رعایت شود.

۱-۲ بلوک دیاگرام یک روبات تعقیب خط
از نظر کلی هر روبات باید
• از طریق سنسورهایش ( حسگرها ) اطلاعاتی را از دنیای خارج جمع آوری کن

د
• این اطلاعات را به اطلاعات قابل فهم مغز پردازشگر خود تبدیل و به آن منتقل کند
• بر طبق برنامه ریزی قبلی ، اطلاعات را پردازش و تصمیم مناسب را اتخاذ کند
• تصمیمات نهایی را به کمک عملگرهایش اجرا کند.

تفاوت روبات های مختلف به ماهیت این مراحل برمی گردد .
روبات تعقیب خط هم همین اجزاء را درون خودش دارد :
• برای حس کردن خط به دست کم دو سنسور نوری که تفاوت رنگ سفید و مشکی را درک کنند نیاز دارد . این سنسورها انواع مختلفی مانند دیود مادون قرمز ، مقاومت متغیر با نور (فوتوسل )، فوتو – ترانزیستور و . . . دارند .
• اطلاعات سنسور از طریق یک مدارسوییچ یا مبدل آنالوگ به دیجیتال به واحد پردازشگر منتقل می شود .
• مغز پردازشگر این روبات می تواند یک مدار منطقی یا یک میکروکنترلر از هر نوعی باشد . روبات باید در قبال منحرف شدن خط ، واکنش مناسب نشان دهد.
• تصمیم واحد پردازشگر مبنی بر ادامه مسیر یا پیچیدن به چپ و راست از طریق فرمان هایی که به موتورهای روبات که ممکن است از نوع DC ( آرمیچر) یا پله ای ( Stepper ) باشند داده می شود ، انجام می پذیرد .

بلوک دیاگرام یک روبات تعقیب خط
با دو سنسور را در شکل مقابل می بینید :

۱- ۳ عملکرد روبات تعقیب خط
روبات تعقیب خط دست کم دارای دو سنسور نوری است که دو طرف مشکی در زمینه سفید قرار می گیرند ( تعداد سنسورها به طریقی که خواهیم دید می توان بیش از دو عدد باشد )برای اشکار سازی یک مسیر رنگی بر روی سطحی که اختلاف رنگ زیادی با مسیر دارد(مسیر مشکی بر سطح سفید یا مسیر سفید بر سطح مشکی) عموما از حسگرهای مادون قرمز استفاده می شود. هر حسگر بر اساس انکه بر روی مسیر رنگی قرار داشته باشد یا خیر یک سیگنال خروجی انالوگ تولید می کند.مدارات الکترونیکی برخی از روبات های تعقیب خط ابتدا سیگنال تولید شده را توسط یک

مقایسه کننده با یک مدار مرجع مقایسه و نتیجه ی دیجیتال حاصل که یکی از دو حالت “روشن” یا “تیره” است را به قسمت کنترلر ارسال می کنند. بدین ترتیب اطلاعاتی که از حسگر به دست می اید فقط دارای دو حالت “حسگر بر روی مسیر قرار دارد” و ” حسگر خارج از مسیر قرار دارد” خواهد بود و هیچ حالت دیگری در این بین وجود نخواهد داشت.
در مقابل در برخی دیگر از روبات های تعقیب خط سیگنال انالوگ حسگرها توسط مبدل انالوگ به

دیجیتال به مقادیر دیجیتال تبدیل شده و به بخش کنترلر فرستاده می شود. با این روش معلوم
می شود که هر حسگر تا چه اندازه بر روی مسیر قرار دارد یا از ان منحرف شده است. که البته روباتی که قصد ساخت ان را داریم از روش اول بهره می گیرد یعنی اطلاعات هر سنسور را توسط یک مقایسه کننده به صورت یک یا صفر تبدیل کرده بعد به کنترلر ارسال می کند.
اطلاعات ارسالی از سنسورها که ممکن است به صورت انالوگ یا دیجیتال (صفر و یک) باشد به بخش پردازشگر روبات که می تواند از مدارات منطقی یا یک میکر کنترلر تشکیل شده باشد فرستاده می شود دراین قسمت که در واقع مغز روبات می باشد با استفاده از اطلاعات سنسورها وضیعت روبات را نسبت به خط (میسر) تشخیص داده و برای ادامه یا اصلاح مسیر دستوراتی را به موتورها و یا عملگرها ی روبات ارسال می کند که ممکن است روبات به سمت چپ یا راست یا میسر مستقیم حرکت کند.

دستورات بخش پردازشگر به صورت دیجیتالی (صفر یا یک) است که توسط قسمتی به نام درایور باید تشخیص داده شود وموتورها را کنترل کند. در واقع ما بین پردازشگر و موتورها یا عمل کننده ها بخشی به نام درایور داریم.
در زیر عملکرد یک روبات تعقیب خط ۲ سنسوره را طبق انچه در در قسمت فوق توضیح داده شد به صورت گرافیکی مشاهده می کنید:

شکل ۲-۱ عملکرد یک روبات تعقیب خط
روبات های تعقیب خط را بر اساس ساختار حرکتشان می توان به انواع مختلفی تقسیم کرد که در زیر چند نمونه را مشاهده ذکر شده:
۱- حرکت تانکی
۲- یا حرکت با ۴ چرخ ۳ موتور که ۲ موتور برای حرکت به جلو و یک برای چرخش به چپ یا راست
۳- یا حرکت با ۲ چرخ و ۲ موتور و یک سکان که ۲ موتور علاوه بر حرکت به جلو وظیفه چرخش به چپ یا راست را هم دارد

در شکل زیر انواع این روبات ها را مشاهده می کنید:

(۲) (۱) (۲)
شکل ۱-۳ انواع روبات تعقیب خط ۱- حرکت با چهار چرخ و سه موتور ـ ۲ـ حرکت با دو چرخ و دوموتور ویک سکان

روباتی که ما قصد ساختن ان را در این پروژه داریم از سیستم نوع سوم برای حرکتش بهره می گیرد حرکت این روبات به صورت زیر عمل می باشد:

هرگاه روبات در حین حرکت به انحرافی در خط مشکی برخورد کند ، یکی از سنسورهایش وارد خط می شود ؛ مثلاً اگر خط مشکی به راست منحرف شود ، سنسور سمت راست روبات وارد خط مشکی می شود . روبات باید با توجه به سنسوری که وارد خط شده انحراف خط را متوجه شود و به همان جهت بپیچد . ساده ترین راه برای پیچیدن یک سمت ، خاموش کردن موتور همان سمت و ادامه کار موتور سمت مخالف است .
برای پیچیدن به شیوه حرفه ای تر می توانید به جای

خاموش کردن موتور سمت موافق ، آن را در جهت معکوس بچرخانید .

با این کار روبات در حین پیچیدن روی زمین کشیده نمی شود و می تواند درجا بچرخد .
چرخیدن روبات باید تا آن جایی انجام شود که سنسوری که وارد خط شده بود ، از خط خارج شود ؛ یعنی مجدداً تمام سنسورها خارج خط قرار گیرند تا روبات بتواند به حرکت عادی خود ادامه دهد .

در ادامه اجزای یک روبات تعقیب خط را معرفی می کنیم.

۲- ۱سنسورهای روبات تعقیب خط
همان گونه که گفته شد ، روبات تعقیب خط باید از طریق سنسورهایش خط را حس کند و انحراف آن را تشخیص دهد . برای این کار به یک سنسور نوری نیاز داریم .
بلوک دیاگرام سنسور نوری به شکل روبرو است :

یک فرستنده نوری و یک گیرنده نوری را زیر روبات کنار هم قرار می دهیم ؛ به صورتی که گیرنده مستقیماً در معرض نور ارسالی از فرستنده نباشد و تنها انعکاس آن از سطح مقابل را دریافت کند . از آن جایی که مقدار نور بازگشتی از سطح مشکی کمتر از مقدار نور بازگشتی از سطح سفید است ، به کمک تحلیل مقدار نور دریافتی از سطح ، می توان مشکی و سفید بودن سطح را تشخیص داد . شکل زیر را ببینید :

شکل ۲-۱ چگونگی قرارگرفتن دیودها

در ذیل سه نوع سنسور نوری مختلف را بررسی می کنیم :
۲-۱-۱ دیود مادون قرمز
فرستنده و گیرنده مادون قرمز دو دیود کاملاً مشابه هستن

د . یکی از آن ها امواج مادون قرمز را از خود ساطع و دیگری دریافت می کند .

مدار فرستنده مادون قرمز به شکل زیر است : مدار گیرنده ماون قرمز را ببینید :
توجه کنید که دیود گیرنده در بایاس معکوس بسته شده است ؛ بنابراین اگر میزان نور مادون قرمزی که به آن می تابد کم باشد ( مثلاً هنگام بازتابش از سطح مشکی) دیود هدایت نمی کند و ولتاژ out بالا خواهد بود . اگر نور مادون قرمز به میزان زیاد به دیود بتابد ، هدایت می کند و ولتاژ out پایین می رود . بنابراین اگر برای تشخیص خط مشکی در زمینه سفید در روبات تعقیب خط از دیودهای مادون قرمز استفاده کنید ، در حالتی که فرستنده / گیرنده مقابل سطح سفید قرار دارد ، ولتاژ out پایین تر از وقتی است که فرستنده / گیرنده وارد خط شده است .
۲-۱-۲ مقاومت متغیر با نور ( فوتو – رزیستور یا فوتوسل )
مقاومت های معمولی تحت شرایط مختلف ( جریان ، توان ، دما ، فشار ، رطوبت ، نور ، . . . ) مقاومت تقریباً یکسانی دارند ( البته وقتی این شرایط در بازه های مجاز مربوط به آن مقاومت تغییر کنند ) . اما مقاومت هایی نیز وجود دارند که با تغییر شرایط ، مقاومت متغیری از خود بروز می دهند؛ مثلاً ترمیستور یک مقاومت متغیر با دما است و با تغییر دمای محیط مقدار مقاومت آن تغییر می کند . از ترمیستور به عنوان سنسور دما می توان استفاده کرد .
فوتوسل (Photocell) مقاومت متغیر با نور معمولی است . مقدار این مقاومت بسته به مقدار نوری که به آن می تابد تغییر می کند . برای استفاده از این سنسور در روبات تعقیب خط کافی است آن را همراه با یک فرستنده نوری معمولی مثلاً یک LED به کار برید . بهتر است رنگ LED را
شکل ۲-۲ مدار مقاومت متغیر بانور

طوری انتخاب کنید که بیشترین درخشش را داشته باشد ( مثلاً نارنجی تند ) . مدار زیر را ببینید
بسته به مقدار نور انعکاسی از سطح (‌ که به سفید یا مشکی بودن آن بستگی دارد) ، ولتاژ Vout تغییر می کند . به بیان دیگر ، ولتاژ Vout با توجه به مقدار مقاومت فوتوسل و مقاومت سری شده با آن ، در دو سطح مشکی و سفید دو مقدار متفاوت دارد . از روی مقدار این ولتاژ ، روبات می تواند خط را تشخیص دهد .

۲-۱-۳ فوتو – ترانزیستور
در ترانزیستورهای معمولی دو پیوندی (BJT) ، مقدار جریان lc که از کلکتور به امیتر جریان دارد ، بسته به جریان lB که به بیس آن ها وارد می شود تغییر می کند . بنابراین با یک پیکربندی مناسب می توان با تغییر ولتاژ ( جریان ) بیس ، ولتاژ کلکتور را تغییر داد .
در فوتو – ترانزیستور ، آن چه باعث تغییر جریان کلکتور به امیتر می شود ، نه جریان بیس ، بلکه نوری است که به بیس می تابد . بنابراین بسته به نوری که به بیس فوتو – ترانزیستور می تابد
( که با انعکاس از دو سطح سفید و مشکی متفاوت است ) ، ولتاژ کلکتور تغییر می کند . این نور بسته به نوع فوتو-ترانزیستور ، می تواند نور معمولی یا مادون قرمز باشد . مدار فرستنده –گیرنده فوتو-ترانزیستور به مدار فوتوسل شباهت زیادی دارد .
حال با توجه به معرفی و بررسی انواع سنسورهای مادون قرمز ما در این پروژه برای روبات خود از سنسورهای نوع مادون قرمز استفاده می کنیم.
در ذیل سنسور مادون قرمز CNY70 که ما در این پروژه قصد داریم از ان استفاده کنیم به همراه Datasheet ان تشریح می شود.

شکل ۲-۳ مدار فوتو ترانزیستور

۲- ۲ سنسور CNY70
این سنسور به صورت یک بسته حاوی دو عدد سنسور مادون قرمزاست. یک سنسور فرستنده و سنسور دیگر گیرنده می باشد. برای اینکه روبات شما بهتر کار کند بهتر است بجای استفاده از دو سنسور مادون قرمز به صورت مجزا از این packeg سنسور استفاده کنید. در این سنسور پایه های بلندتر در هر سمت سمت آند و پایه های کوتاهتر سمت کاتد است.
با استفاده از این نوع سنسور میزان خطاها تا حد قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.

شکل ۲-۴ نمایی از یک سنسور CNY70

۲-۳ تعداد سنسورها
شیوه های زیادی برای دنبال کردن یک خط توسط روبات وجود دارد که در تمامی آنها از تعدادی سنسور برای این کار استفاده می شود. اگر خط تنها پیچ و انحراف داشته باشد ، دو سنسور که دقیقاً دو سمت خط قرار گرفته باشد ، کافی است . اما معمولاً در مسابقات رسمی ، خط دارای بریدگی ها و تقاطع هایی با زوایا و اندازه های مختلف است . اگر تنها از دو سنسور استفاده کنید ، ممکن است خط را گم کنید . بنابراین اگر چند سنسور در فواصل و زوایای مختلف تعبیه کنید مفید خواهد بود .

اکنون حالت های مختلف سنسورها از لحاظ تعداد و نحوه چیدن انها را بررسی می کنیم. در واقع قصد داریم درباره ی تاثیر تعداد سنسورها در توانایی روبات برای تعقیب خط بحث کنیم و در نهایت بهترین حالت را برای روبات خود انتخاب می کنیم .

۲-۳-۱استفاده از یک سنسور: (The Edge Finder)

در این حالت تنها یک سنسور وظیفه ی دنبال کردن خط را بر عهده دارد و عملا یک لبه از خط با تغییر مکان از سیاه به سفید توسط ربات درک میشود. یک موتور وقتی فعال میشود که خط دیده می شود و موتور دیگر وقتی که خط توسط سنسور دیده نمیشود

فعال می شود. این روش تنها برای سرعت های بسیار کم قابل استفاده است و در سرعت های بالاتر کاربرد ندارد. واضح است در صورتی که ربات در لبه ی دیگر ربات قرار بگیرد در جهت مخالف حرکت خواهد کرد و یا اگر ربات خط را گم کند در یک مدار دایره ای برای همیشه چرخش خواهد کرد. از این نوع سنسور به ندرت همراه با میکروکنترلرها استفاده میشود. در حالت باینری برای سنسورها تنها دو صورت صفر یا یک را میتوان در نظر گرفت.
تنها حالت ها ی ممکن عبارتند از:
Line off the – ۰
Line over the -1
۲-۳-۲ استفاده از ۲ سنسور : (The Line Avoider)

استفاده از ۲ سنسور شبیه به حالت یک سنسور می باشد با این تفاوت که هر سنسور به طور مجزا وظیفه ی کنترل یک موتور را دارد. سنسورها در دو طرف خط قرار میگیرند و از وارد شدن به خط اجتناب می کنند. روبات در این حالت بهتر از حالت قبل کار می کند اما با گم کردن خط دچار سرگردانی می شود دلیل این اتفاق این است که ربات نمی تواند اختلاف بین در خط قرار گرفتن با بیرون خط بودن را درک کند. در این حالت در صورتی که از میکرو کنترلر استفاده شود میتوان بعضی از این مشکلات را از طریق نرم افزار برطرف کرد. در صورتیکه دو سنسور را به انداره ای نزدیک هم قرار داده باشیم که هر دو روی خط وسط قرار گرفته باشند می توانیم به این روش هم خط را دنبال کنیم که با خروج هر سنسور از خط موتور متصل به آن خاموش شود.

حالت های ممکن برای این حالت عبارتند از:
۰۰- Straddling the line or lost the line
۰۱ – Found right side of line
۱۰ – Found left side of line
۱۱ – Not used unless sensors are placed less than the line’s width apart

۲-۳- ۳استفاده از ۳ سنسور : (The Line Seer)

حال با اضافه کردن سنسور سوم به روبات آن را از وجود خط و همچنین لبه های خط آگاه
می کنیم. حالا روبات این برتری را دارد که از موقعیت خط آگاهی پیدا کند برای مثال گم کردن خط را توسط سنسور وسط درک کند. سنسور سوم همچنین میتواند در مسیر های دارای خمیدگی (انحناء) نقش بسیار زیادی را در کاهش سرعت برای بالا بردن دقت در عمل تعقیب خط و جلوگیری از گم کردن خط داشته باشد و سرعت را در مسیرهای مستقیم چندین برابر کند به این روش کنترل چند سرعته یا PWM گفته می شود.
استفاده ار سنسور سوم در طراحی ها رایج است خصوصا در ربات هایی که در آنها از میکروکنترلر استفاده شده است.
شرایط امکان پذیر برای این حالت عبارتند از:
۰۰۱ – Moving off the line to the left

۰۱۰ – Centered over the line
۰۱۱ – Slightly off the line to the left
۱۰۰ – Moving off the line to the right
۱۰۱ – Not used

۱۱۰- Slightly off the line to the right
۱۱۱ -Not used ,but could be used in the advanced or maze solving contests

۲-۳-۴استفاده از ۵ سنسور: (The Line Dancer)
ممکن است این سوال مطرح شود که ۳ سنسور برای کنترل کامل ربات کافی می باشد در اینصورت دلیل استفاده از ۲ سنسور اضافه چیست؟
استفاده از ۲ سنسور دیگر به ترتیبی که در زیر نشان داده شده است قا بلیت اطمینان را بالا
می برد و همچنین روبات می تواند پیچ های تند تر را نیز تشخیص دهد.

صورت های ممکن برای این حالت : (تنها حالتهای مفید نوشته شده)
۰۰۰۰۰- Lost line from overshoot or break in line
۰۰۰۰۱ – Almost off the line, steer hard right and reduce speed
۰۰۰۱۱- Near the right edge of the line, steer right

۰۰۰۱۰ – Right of the center of the line, steer right
۰۰۱۱۰ – Slightly to the right of the center of the line, slight correction to the right
۰۰۱۰۰ – Centered over line, increase speed for straight runs
۰۱۱۰۰ – Slightly to the left of the center of the line, slight correction to the left
۰۱۰۰۰ – Left of the center of the line, steer left
۱۱۰۰۰ – Near the left edge of the line, steer left
۱۰۰۰۰ – Almos

t off the line, steer hard left and reduce speed
۱۱۱۱۱ – Line intersection or circle at end of maze
البته باید در نظر داشت ممکن است سنسورها به صورت های گوناگون دیگری هم قرار بگیرند که بسته به فکر و برنامه شخص سازنده دارد.
ما نیز قصد داریم از ۵ سنسور مادون قرمز cny70 مطابق قسمت بالا استفاده کنیم.
دقت داشته باشید که با در نظر گرفتن سنسورها به عنوان اعداد باینری به راحتی می توانیم تصمیمات منطقی خود را به برنامه تبدیل کنید.
در ادامه انواع روش ها برای این کار بررسی می شود.

‌

۳-۱تبدیل و انتقال خروجی سنسور به مدار پردازشگر
خروجی هر کدام از مدارات سنسوری بخش قبل ، یک ولتاژ آنالوگ ( پیوسته ) بین صفر تا ۵ ولت است که بسته به این که سنسور در محیط سفید یا مشکی باشد ، مقادیر مختلفی خواهد داشت . مثلاً فرض کنید خروجی یک سنسور نوری در محیط کاملاً سفید حدود ۲/۱ ولت است و با ورود کامل آن سنسور به خط مشکی خروجی سنسور ۸/۳ ولت می شود ( تلاش نکنید سنسور خود را طوری بسازید که ولتاژ خروجی آن دقیقاً منطبق بر این مقادیر باشد ! این تنها مثالی برای درک شما از موضوع است ). مدار پردازشگر باید بر اساس این دو مقدار واکنش مناسب را نشان دهد و روبات را هدایت کند . اما مدارهای پردازشگر ( چه مدار منطقی و چه میکروکنترلر ) تنها مقادیر دیجیتال را
می شناسند . یعنی باید با آن ها به زبان «صفر» و «یک» صحبت کرد .
در منطق ولتاژهای دیجیتال ، از ولتاژ بین صفر تا حدود ۸/۰ ولت به «صفر منطقی» و از ولتاژ بین ۳ تا ۵ ولت به «یک منطقی» تعبیر می شود .
بنابراین اگر مثلاً خروجی یک سنسور نوری در محیط کاملاً سفید ۲/۱ ولت و در محیط کاملاً مشکی ۸/۳ ولت باشد ، یک مدار منطقی یا میکروکنترلر هیچ درکی از آن نخواه داشت . بلکه این ولتاژها باید به مقادیر دیجیتال تبدیل شوند تا قابل درک توسط مدار پردازشگر باشند .
برای تبدیل خروجی آنالوگ سنسور به مقدار دیجیتال دو راه وجود دارد :
به کمک یک مدار سوییچینگ شما می توانید از روی خروجی آنالوگ سنسور ، «بودن» یا «نبودن» سنسور در خط را مشخص کنید .
اگر از مدار مبدل آنالوگ به دیجیتال (A/D ) استفاده کنید ، می توانید درصد وارد شدن سنسور به خط را نیز تشخیص دهید .

شکل ۳-۱ نمودار محدوده ولتاژ آنالوگ

۳-۱-۱مدار سوییچینگ
به کمک یک مدار الکترونیکی سوییچینگ می توان ولتاژ آنالوگ خروجی سنسور را به یک ولتاژ دیجیتال «صفر» یا «یک» قابل درک توسط مدار منطقی یا میکروکنترلر تبدیل کرد . به زبان ساده مداری می خواهیم که مثلاً وقتی سنسور در منطقه سفید است «صفرمنطقی» و وقتی وارد منطقه مشکی می شود ، «یک منطقی» را به عنوان خروجی تولید کند . با ا

ین کار ، مدار پردازشگر از روی این ولتاژ متوجه «ورود» یا «عدم ورود» روبات به خط مشکی می شود .
بلوک دیاگرام مدار سوییچینگ به شکل زیر است :

به یک نکته مهم توجه کنید . فرض کنید هنگامی که سنسور کاملاً از خط مشکی خارج است
( در محیط کاملاً سفید است ) دارای خروجی ۲/۱ ولت می باشد و با ورود کامل به خط مشکی دارای ولتاژ ۸/۳ ولت می شود .
می خواهیم این ولتاژهای آنالوگ را به کمک یک مدار سوییچینگ به گونه ای به یک ولتاژ دیجیتال تبدیل کنیم که وقتی سنسور در منطقه سفید است «صفر منطقی» و وقتی وارد منطقه مشکی می شود ، «یک منطقی» را به عنوان خروجی داشته باشیم . هنگامی که سنسور از زمینه سفید وارد خط مشکی می شود ، خروجی سنسور به مرور از ۲/۱ ولت تا ۸/۳ ولت تغییر می کند .

شکل ۳-۲
به نظر می آید روبات باید طوری طراحی شود که با رسیدن ولتاژ خروجی سنسور به میانه این بازه ( مثلاً ۵/۲ ولت ) با توجه به این که سنسور کم و بیش وارد خط شده ، خروجی مدار سوییچینگ از «صفر» به «یک» تغییر کرده و جهت حرکت روبات تغییر کند . به این ولتاژ که با گذر از آن عمل سوییچینگ اتفاق می افتد ، اصطلاحاً نقطه آتش (Trigger Poin ) گفته می شود.
مقدار ولتاژ نقطه آتش چقدر باید باشد ؟ به بیان دیگر ولتاژ خروجی سنسور باید به چه حدی برسد تا نتیجه بگیریم سنسور وارد خط شده و جهت حرکت روبات را اصلاح کنیم ؟ ۵/۱ ولت کم نیست ؟ ۵/۲ ولت بهتر نیست ؟ اصلاً بهتر نیست صبر کنیم سنسور کاملاً وارد خط شود و ولتاژ خروجی آن به ۸/۳ ولت برسد و بعد جهت حرکت روبات را تغییر دهیم ؟
واقعیت این است که پاسخ به این سؤال به مکانیک و نیز مدار کنترلی روبات شما بستگی دارد . در واقع باید ببینید دقت چرخش روبات شما در چه حد است ؟ اگر می تواند بسیار سریع و دقیق بچرخد ، نیازی نیست خیلی زودتر از ورود کامل سنسور به خط به روبات فرمان چرخش داده شود . اما اگر چرخش روبات کند و همراه با خطاست ، شاید بهتر باشد زمانی که نیمی از سنسور وارد خط شده فرمان چرخش بدهیم تا روبات در زمان مناسب بتواند بچرخد .

اکنون می خواهیم یک مدار سوییچینگ بسازیم که عبور ولتاژ خروجی سنسور از ولتاژ نقطه آتش را تشخیص دهد ؛ به بیان دیگر باید مداری طراحی کنیم که مثلاً در ولتاژ ورودی کمتر از ولتاژ نقطه آتش ، خروجی «صفر» ( یعنی ولتاژی بین صفر تا ۸/۰ ولت ) و در ولتاژ ورودی بیشتر از ولتاژ نقطه آتش ، خروجی «یک» ( ولتاژی بین ۳ تا ۵ ولت ) بدهد . یک مدار منطقی یا میکروکنترلر می تواند از روی این خروجی «صفر» یا «یک» ، متوجه «ورود» یا «عدم ورود» روبات به خط مشکی بشود .ساخت مدار سوییچینگ راه های مختلفی دارد .

۳-۱-۲مدار ترانزیستوری
مدار روبرو را ببینید . مقاومت ها باید به نحوی انتخاب شوند که ولتاژ خروجی ترانزیستور
( ولتاژ کلکتور ) در حالت های قطع و اشباع برابر ولتاژهای دیجیتال (حدود صفر و حدود ۵ ولت ) باشد . اگر ولتاژ ورودی IN کم باشد ، ترانزیستور در حالت قطع بوده و ولتاژ خروجی آن ( ولتاژ کلکتور OUT ) «یک» خواهد بود . اگر ولتاژ ورودی ترانزیستور از حدی بالاتر برود ، ترانزیستور سوییچ کرده و وصل می شود و خروجی آن ( ولتاژ کلکتور ) از «یک» به «صفر» تغییر م

ی کند . مدار منطقی یا میکروکنترلر از روی ولتاژ کلکتور متوجه ورود یا عدم ورود روبات به خط مشکی شده و تصمیم گیری لازم را انجام می دهد . برای مدارهای سوییچینگ استفاده از ترانزیستورهای ۲N3904 یا ۲N2222 یا ترانزیستورهای مشابه مناسب است . این مدار بیشتر در مواقعی استفاده می شود که ورودی به سرعت تغییر کند ، و گرنه ممکن است خروجی OUT در منطقه غیر مجاز ( نه «صفر» و نه «یک» ) قرار گیرد .

شکل ۳-۳ مدار ترانزیستوری

۳-۱-۳مدار اشمیت تریگر
مدارهای سوییچینگ بالا با عبور از یک ولتاژ نقطه آتش سوییچ می کنند . این مسأله ممکن است باعث دردسر شود . مثال قبلی را در نظر بگیرید ( خروجی سنسور نوری در محیط کاملاً سفید حدود ۲/۱ ولت و در محیط کاملاً مشکی حدود ۸/۳ ولت است و ولتاژ نقطه آتش را ۵/۲ ولت در نظر گرفته ایم .) فرض کنید سنسور در حال ورود به خط مشکی است ؛‌ بنابراین ولتاژ خروجی آن بالا رفته و سرانجام در حالی که حدود نیمی از سنسور وارد خط شده است ، از ۵/۲ ولت می گذرد . خروجی مدار سوییچینگ تغییر کرده و به قسمت کنترلی اعلام می کند سنسور وارد خط شده است . روبات تغییر جهت داده و می چرخد تا سنسور را از خط خارج کند . همین که بیش از نیمی از سنسور از خط خارج می شود ، ولتاژ خروجی آن از ۵/۲ ولت کمتر شده و خروجی مدار

سوییچینگ به حالت قبل باز می گردد و به قسمت کنترلی اعلام می کند سنسور از خط خارج شده است . به محض این که روبات کمی از جای خود حرکت کند ، مجدداً خروجی سنسور از ۵/۲ ولت بیشتر شده و مدار سوییچ می کند ، باز سنسور از خط خارج می شود و مجدداً مدار سوییچ می کند و . . . .مشاهده می کنید که با حرکت سنسور در لبه خط که ولتاژ خروجی آن در حدود ولتاژ ۵/۲ ولت نوسان می کند ، مرتباً مدار سوییچ از «یک» به «صفر» و بر عکس تغییر می کند و باعث می شود هیچ گاه روبات به درستی تنظیم نشود .

برای حل این مشکل می توان به جای یک نقطه آتش ، دو نقطه آتش بالا ( UTP : Upper Trigger Point ) و نقطه آتش پایین ( LTP ) در نظر گرفت . در مثال قبلی ، به جای یک ولتاژ آتش ۵/۲ ولت ، یک ولتاژ آتش پایین به میزان ۲ ولت و یک ولتاژ آتش بالا به میزان ۳ ولت در نظر می گیریم . مداری طراحی می کنیم که وقتی ولتاژ ورودی آن از ولتاژ آتش بالا بیشتر شد ، خروجی آن «یک» و وقتی ولتاژ ورودی آن از ولتاژ آتش پایین کمتر شد ، خروجی آن «صفر» شود . به این

ترتیب مشکل قبلی حل می شود و دیگر مدار سوییچ پیرامون یک ولتاژ آتش مرتباً سوییچ نمی کند . به تکنیک فوق ، ایجاد هیسترزیس (Hysteresis) یا حافظه گفته می شود .

شکل ۳-۴ استفاده از دو نقطه آتش
با استفاده از مدار دارای هیسترزیس با LTP = 2 (v) , UTP = 3 (v) ، وقتی سنسور وارد خط می شود ، مدار سوییچ بلافاصله واکنش نشان نمی دهد ، بلکه صبر می کند تا سنسور قدری بیشتر وارد خط شود و ولتاژ خروجی آن از ۳ ولت بیشتر شود . در این حالت به روبات فرمان چرخش داده می شود . هنگامی که کمی از سنسور از خط خارج شد ، باز مدار سوییچ بلافاصله دستور قطع چرخش می دهد .

از معروف ترین مدارات ایجاد هیسترزیس ، مدار اشمیت تریگر ( Schmitt Trigger ) است که شکل ترانزیستوری آن را در شکل زیر می بینید .

شکل ۳-۵ مداراشمیت تریگر
با تنظیم مقادیر مقاومت ها می توانید ولتاژ نقطه آتش بالا و نقطه آتش پایین را تنظیم کنید .
مدار اشمیت تریگر را با آپ-امپ با فیدبک مثبت نیز می توان ساخت . توجه کنید عملکرد ا

ین مدار عکس مدار اشمیت تریگر ترانزیستوری است ؛ یعنی با بیشتر شدن ولتاژ ورودی از UTP خروجی «صفر» و با کمتر شدن ولتاژ ورودی از LTP خروجی «یک» می شود .
تراشه ۷۴LS14 مدار اشمیت تریگر آماده را ( البته با تنظیمات مفصل ) ارائه می کند .

شکل ۳-۶ مدار اشمیت تریگر با آپ ـ امپ

۳-۱-۴تبدیل خروجی آنالوگ سنسور به ولتاژ دیجیتال به کمک A / D
مدارات سوییچینگ ، ولتاژ خروجی سنسور را به یک ولتاژ Vout ( با دو حالت «صفر» یا «یک» ) تبدیل می کنند ؛ به بیان دیگر ، به کمک خروجی دو حالته یک مدار سوییچینگ می توان تنها دانست آیا روبات وارد خط شده است یا خیر ؟ این در حالی است که ولتاژ خروجی سنسور از وقتی در زمینه سفید است تا زمانی که کاملاً وارد خط مشکی شود ، به مرور تغییر می کند . بنابراین اگر بتوانیم ولتاژ خروجی سنسور را نه به صورت یک رقم منطقی «صفر» یا «یک» ، که مثلاً به کمک یک عدد ۸ بیتی بیان کنیم ، آن گاه می توان به کمک ۲۵۶ عدد مختلفی که می توان با ۸ بیت ساخت ، مقدار ورود سنسور به خط را نیز با دقت زیاد با عددی بین صفر تا ۲۵۵ مشخص کرد . مدار مبدل آنالوگ به دیجیتال این کار را انجام می دهد .

مثال قبلی را ( خروجی سنسور نوری در محیط کاملاً سفید حدود ۲/۱ ولت و در محیط کاملاً مشکی حدود ۸/۳ ولت است ) مجدداً در نظر بگیرید ؛ به کمک یک A / D مداری طراحی می کنیم که اگر خروجی سنسور ۲/۱ ولت باشد خروجی A / D برابر صفر و اگر خروجی سنسور ۸/۳ ولت باشد خروجی A / D برابر ۲۵۵ شود ؛ در این حالت می توان بر اساس عدد خروجی ۸ بیتی A / D مقدار ورود سنسور به خط را دانست و براساس آن تصمیم لازم را اتخاذ کرد .

مدار تراشه ADC804 را درشکل زیر می بینید .
این مدار مرتباً ولتاژ Vin(+) – Vin(-) را به عدد ۸ بیتی تبدیل کرده و روی پایه های DB0 تا DB7 نمایش می دهد . برای مثال بالا ، خروجی سنسور را به ورودی Vin(+) متصل کرده و به کمک یک پتانسیومتر ، ولتاژ ۲/۱ ولت را ساخته و به Vin(-) متصل می کنیم . در این حالت اگر سنسور در محیط کاملاً سفید باشد ( خروجی سنسور ۲/۱ ولت باشد ) ، خروجی A / D صفر
( DB7 – DBO = 00000000 ) و اگر سنسور در محیط کاملاً مشکی باشد ( خروجی سنسور ۸/۳ ولت باشد ) ، خروجی A / D برابر ( DB7 – DBO = 11111111 ) می شود . با اتصال DB7 – DBO به مدار کنترلی ( مثلاً میکرو کنترلر ) ، می توان بر اساس عدد ۸ بیتی خروجی A / D تصمیم گیری لازم برای حرکت روبات را انجام داد . مثلاً می توان خروجی A / D 127

( DB7-DBO = 01111111 = 255/2 ) A / D را به عنوان نقطه آتش در نظرگرفت ؛ یعنی هر گاه میکرو کنترلر عدد ۱۲۷ را از A / D دریافت کند ، می تواند نتیجه بگیرد که نیمی از سنسور وارد خط شده و عمل تغییر جهت روبات انجام دهد . اگر بخواهید هیسترزیس را در سوییچ رعایت کنید ، می توانید دو نقطه آتش ( مثلاً UTP برابر ۲۰۰ و LTP برابر ۱۰۰ ) در نظر بگیرید و برنامه میکروکنترلر را طوری بنویسید که این نقاط آتش رعایت شوند .

۳-۱-۵ مدار سوییچ با آپ امپ
به کمک تراشه های مقایسه کننده که عموماً از نوع آپ امپ هستند و بدون فیدبک استفاده
می شوند ، نیز می توان عمل سوییچینگ را انجام داد .
ما نیز قصد داریم از این روش در روبات خود بهره گیریم پس ابتدا با ساختار اپ امپ ها اشنا می شویم

۳-۲آشنایی با تقویت کننده های عملیاتی (Opamp):

شکل ۳-۸ نمونه ای از تقویت کننده های عملیاتی

تقویت کننده های عملیاتی، تقویت کننده های کوپل مستقیم بوده، که دارای گین
(Gian) خیلی زیادی می باشند. که مقدار این گین را با کمک مقاومت فیدبک می توان کنترل نمود. این تقویت کننده ها اکثراً در مدارات خطی بکار می روند و اغلب در مدارات غیرخطی نیز از آنها استفاده می شود. یک تقویت کننده عملیاتی ایده آل بایستی شرایط زیر را دارا باشد: