روبات آفتاب گردان - جلسه ششم

اهداف:

- توضیح درباره نحوه کار درستگاه

- توضیح درباره Opamp ها

- مقاومت های نوری

- چشم الکترونیکی

- انتخاب سیستم مناسب جهت ساخت دستگاه

مقدمه

ابتدا باید كمی درباره و نحوة كار این دستگاه با شما صحبت نماییم. هدف از ساخت این پروژه، به صورت خلاصه ساخت وسیله ای است كه بتواند به سمت نور حركت نماید. این وسیله باید به گونه ای باشد كه هر لحظه به سمت نور بیشتر حركت نماید یعنی برای مثال اگر اطراف آن را تاریک نماییم و یک لامپ در اطراف آن روشن نموده و آن را حركت دهیم، دستگاه باید همیشه به سمت این لامپ حركت نماید و در هر لحظه به سمت آن جهت گیری نماید.

به نظر شما چگونه می توان این کار را انجام داد؟

تا اینجای کار روباتی ساخته اید که قادر است به صورت دستی و با قطع و وصل کردن برق موتورهایش، به سمت تمام نقاط فضای بالای خود جهت گیری نماید.

حال باید این حرکت را به نحوی اتوماتیک نمایم تا روبات بتواند به صورت خودکار به سمت منبع نور جهت گیری نماید.

چون این روبات دو محور حركت دارد (در دو جهت می تواند حركت نماید)، لذا باید حرکت اتوماتیک آن را توسط موتورهای آن ایجاد نماییم. هركدام این این دو موتور می توانند در دو جهت (+ و - ) حركت نمایند، لذا برای كنترل این دستگاه با 4 حركت سروكار داریم.

یك روش ساده برای اتوماتیک نمودن حركت این دستگاه، استفاده از سنسورهای نوری می باشد.

اگر قسمت متحرک دستگاه به شكل زیر باشد، این قسمت می تواند در جهات 1 تا 4 حركت نماید .

اگر بتوانیم به نحوی روشنایی نقاط 1و2و یا 3و4 را با هم مقایسه نماییم، می توانیم به دستگاه فرمان دهیم به سمت نقطه پرنورتر حركت نماید.

روش مناسب برای انجام این مقایسه، نصب 4 عدد سنسور نوری در تقاط 1 تا 4 می باشد. با این كار، پس از ساخت مدار مقایسه گر، می توانیم حركات اتوماتیک دستگاه را ایجاد نماییم. مدار مقایسه گر، روشنایی نقاط 1 را با 2 و 3 را با 4 مقایسه می كند و بهموتورهای مربوط فرمان می دهد كه به سمت نقطه پرنورتر حركت نماید.

این حركت آنقدر ادامه می یابد تا نور نقاط 1و 2 و همچنین نقاط 3و4 با هم برابر شود. در این لحظه دستگاه از حركت باز می ایستد. در اینجا، به همین توضیحات كفایت می نماییم و شما را به صورت مختصر با اجزاء الکترونیکی دستگاه آشنا می کنیم.

مقاومت های نوری

مقاومت نوری قطعه الكترونیكی ای است كه با تابش نور به آن مقاومتش تغییر می كند . تا قبل از تابش نور به آن، جریانی از آن عبور نخواهد كرد و در واقع در این حالت مقاومت زیادی دارد. هرچه میزان نور بیشتر باشد، مقدار مقاومت آن كمتر می شود. در واقع مقاومت آن با تابش نور رابطه عكس دارد. بر روی سطح مقاومت نوری تعدادی منحنی وجود دارد:

حساسیت مقاومت های نوری به طور مستقیم وابسته به تعداد این منحنی ها است. عملكرد مقاومت نوری در واقع شبیه مقاومت متفیر با پتانسیومتر است.

 Opamp ها

پس از آشنا شدن با مقاومت نوری یا همان المانی كه میزان نور را در محیط حس می كند، با ید به نحوی به وسیله این مقاومت ها، به موتورهای دستگاه فرمان حركت دهیم، لذا شما را با وسیله ای بنام Op-amp با تقویت كننده عملیانی آشنا می كنیم.

Opamp ها دارای دو ورودی هستند یكی ورودی منفی و یكی مثبت. اگر ولتاژی به ورودی منفی بدهیم ، این ولتاژ با علامت عكس در خروجی ظاهر می شود و اگر به ورودی مثبت ولتاژ بدهیم ، ولتاژ با همان علامت در خروجی ظاهر می شود.

یكی از كابرد های مهم Opamp ها، استفاده از آن ها به عنوان مقایسه كننده ولتاژ می باشد، یعنی Opamp دو ولتاژ ورودی را با هم مقایسه می كند و در خروجی خود، ولتاژی تولید می كند كه این ولتاژ تولید شده برابر بودن یا نبودن دو ولتاژ ور دی را نشان می دهد.

در حقیقت یك ولتاژ مرجع به یک ورودی می دهیم و Opamp ولتاژ ورودی دوم را با این ولتاژ مرجع كه به ورودی منفی اعمال می شود، مقایسه می كند:

1. اگر ولتاژ اعمال شده به ورودی برابر ولتاژ مرجع باشد آنگاه خروجی صفر می شود.

2. اگر ولتاژ اعمال شده به ورودی بیشتر از ولتاژ مرجع باشد، آنگاه ولتاژ خروجی مثبت خواهد شد.

3. اگر ولتاژ اعمال شده به ورودی كمتر از ولتاژ مرجع باشد، آنگاه ولتاژ خروجی منفی خواهد شد.

با اندكی تغییر در نحوه نصب Opamp می توانیم آن را به ضرب كننده یا تفریق كننده تبدیل نماییم، بدین صورت كه ولتاژهای ورودی را در عددخاصی ضرب كند یا از هم كم نماید و در خروجی نشان دهد. حال آیا می توانید به وسیله opamp ، دستگاه كنترل كننده اتوماتیک آفتابگردان را بسازید؟

نحوه ساخت بخش کنترل کننده به صورت زیر می باشد:

اگر مقاومت نوری را به صورت زیر وصل كنیم، در خروجی 1 ولتاژی خواهیم داشت كه با توجه به مقدار نور تغییر خواهد نمود.

حال اگر سنسورهای 1و2 یا 3و4 دستگاه را به صورت زیر به Opamp وصل كنیم:

Opamp ولتاژ حاصل از مقاومت های نوری 1 و2 را با هم مقایسه می‌كند و باتوجه به مقدار آنها در خروجی ولتاژ + یا منفی ایجاد می كند

اگر این ولتاژ را به موتوری كه حركت در راستای سنسور عای 1-2 را ایجاد می كند وصل كنیم ، آن قدر سر دستگاه را می چرخاند تا ولتاژ های ورودی برابر شود. یعنی نور رسیده به سنسورهای 1و2 برابر است و لذا سر دستگاه به سمت نور جهت گیری نماید.

اگر مدار فوق را به سنسور های 3و4 نیز وصل كنیم، دستگاه به صورت دلخواه ما حركت خواهد نمود دو ورودی * در شكل فوق نیز منبع تغذیه خود آیسی می باشند كه برای راه افتادن آن لازم اند.

مدار چشم الكترونیک

حال شما را با یک مدار ساده به نام چشم الكترونیک آشنا می كنیم. چشم الكترونیكی در حقیقت یک كلید نوری است كه با توجه به نور محیط، قطع و وصل می شود. یعنی اگر به آن نوری وارد نشود قطع می شود و با زیادشدن نور رسیدن آن به حد خاصی، وصل می شود. حساسیت این مدار را می توان به وسیله پتانسیومتر موجود بر روی مدار تغییر داد و در حقیقت تعیین نمود كه با ورود چه میزان نور، كلید قطع یا وصل گردد. این قطع و وصل شدن به وسیله رله انجام می گیرد.

حس كردن نور محیط در این مدار نیز به وسیله مقاومت نوری انجام می گیرد. چون مدار چشم الكترونیک نسبت به مدار Opamp ها از پیچیدگی بسیار كمتری برخوردار است، در ساخت این پروژه از 4 عدد چشم الكترونیكی استفاده می كنیم كه مقاومت نوری آنها در نقاط 1 تا 4 نصب می‌شوند.

 مكانیزم استفاده شده در ساخت این دستگاه

همان گونه كه توضیح دادیم، به دلیل پیچیده بودن نسبتی مدار Opamp، در ساخت این دستگاه می توانیم دو عدد مدار چشم الكترونیكی را به صورت زیر به هم وصل كنیم و مقاومت نوری آن ها را در نقاط 1و2 قرار دهیم:

همان گونه كه می دانیم، اگر نور محیط كم شود، پایه B به پایه A و اگر زیاد شود به C وصل خواهد شود ( A و B وC پایه های رلة نصب شده روی مدار چشم الكترونیک می باشند)

پایه های A' و B' و C' نیز به صورت مشابه عمل می كنند.

حال اگر پایه های A و A' را به برق مثبت و پایه های C و C' را به منفی وصل كنیم و پایه های B' و B را به ورودی موتور وصل كنیم، اگر نور ووردی به مقاومت های نوری 1 و2 برابر باشد ، هر دو ورودی موتور مثبت با هردو منفی می باشد و لذا حركت نخواهد نمود.

حال اگر منبع نور جا به جا شود، به نحوی كه فتوسل 1 نور كمتری دریافت كند و فتوسل 2 نور بیشتر، آنگاه یكی از رله ها قطع و رله دیگر وصل می شود، در نتیجه یكی از پایه های ورودی موتور مثبت و یكی منفی می شود (یكی از B یا B' مثبت و یكی منفی می شوند و در نتیجه موتور آن قدر حرکت خواهد نمود تا مجدداً نور ورودی به هر دو مقاومت نوری برابر شود و موتور را از حرکت بایستد.

مشاهده می كنید كه با یک مكانیزم ساده، به هدفمان رسیدیم و توانستیم قابلیت دنیال نمودن منیع نور را به دستگاه اضافه نماییم.

تکلیف: به عنوان تکلیف مزایا و معایب دو روش بیان شده (Opmap و چشم الکترونیکی) را بنویسید.

مطالب مرتبط:

روبات آفتابگردان - جلسه اول

روبات آفتابگردان - جلسه دوم

روبات آفتابگردان - جلسه سوم

روبات آفتابگردان - جلسه چهارم

روبات آفتابگردان - جلسه پنجم

روبات آفتابگردان - جلسه هفتم

روبات آفتابگردان - جلسه هشتم

بخش پژوهش های دانش آموزی - تنظیم: فاطمه گودرزی