Čidlo Omron B5WC a další řešení jsou k dispozici v katalogu. Vyhodnocení barvy umožňuje diagnostiku zařízení a jejich stavu. Například fotoelektrická čidla jsou skvělá pro detekci barvy maziva, která se může změnit v důsledku úniku nebo opotřebení. Vyhodnocení barvy je také užitečné při detekci hladiny kapaliny (neprůhledné) v nádobě. V mnoha situacích se jedná o naprosto neocenitelnou funkci, kterou nelze nahradit žádnou jinou metodou. Díky firmě OMRON jí můžete vybavit i vlastní zařízení.
- Jak funguje reflexní čidlo
- Softwarová podpora čidel
- Použití čidel ve vlastním zařízení
- Aplikace čidel Omron
- Fotoelektrická čidla – reflexní a štěrbinové
Čidla Omron – obrovské možnosti, malé rozměry
Nabídka značky Omron zahrnuje široký výběr fotoelektrických čidel, ale abychom vám ukázali možnosti těchto komponent a jejich silné stránky, použijeme konkrétní příklad jednoho modelu. Čidlo B5WC je nabízeno v malém (40×8,4×15,9 mm) 5vývodovém pouzdře. Uvnitř je umístěna optika, dioda vyzařující bílé světlo se širokým světelným spektrem a integrovaný obvod čidla barev se světlocitlivým prvkem, který detekuje intenzitu 3 barevných složek – červeného (R), zeleného (G) a modrého (B) světla.
Když je systém čidla aktivní, dioda vyzařující světlo osvětluje objekt a světlocitlivý prvek měří RGB složky světla odraženého od povrchu předmětu. Data o úrovních složek v podobě tří 10bitových čísel lze číst pomocí rozhraní I2C. Čidlo nemá žádné předdefinované algoritmy pro vyhodnocování barev, reakci na změnu barvy, vyhodnocování prahových hodnot apod. Tyto funkce jsou ponechány na aplikaci uživatele.
Úrovně RGB složek jsou závislé na vzdálenosti od měřeného objektu – jsou tím vyšší, čím blíže je čidlo k objektu, ale vzájemný podíl jejich úrovní se nemění. Pokud je například napětí odpovídající měřené červené barvě 0,4 V a napětí zelené a modré je 0,1 V, pak například při oddálení čidla od objektu, když poklesne napětí červené barvy na 0,2 V, poklesnou o stejné procento i hodnoty napětí odpovídající ostatním barvám – v tomto případě se sníží na polovinu (obrázek 1). To samozřejmě platí za ideálních podmínek – v praxi je třeba počítat s určitou chybou nelinearity.
B5WC-VB2322-1
Obrázek 1. Bez ohledu na vzdálenost od měřeného objektu se podíl barevných složek nemění (zde vzhledem ke složce R).
Softwarová podpora čidla
Čidlo je vybaveno rozhraním I2C, které lze použít ke čtení dat. Barevné složky jsou vzorkovány každou 1 ms, což znamená vzorkovací frekvenci 1 kHz. Data se zprůměrují a počet vzorků ovlivňujících průměrnou hodnotu lze nakonfigurovat v rozmezí od 1 do 50. Zvýšení počtu vzorků chrání před kolísáním složek, ale prodlužuje dobu měření. Pokud je počet vzorků nastaven na 20, je doba měření 20 ms a kolísání měřené hodnoty činí přibližně 1/5. To je třeba mít na paměti při vytváření aplikace, která měří rychle se pohybující objekty.
Aktivace
Rozhraní I2C čidla pracuje rychlostí 100 kb/s v režimu slave. Adresa čidla na sběrnici je 0×40. Čidlo vyžaduje aktivaci spočívající v nastavení počtu měření (vzorků), které se mají zprůměrovat. Funkce aktivace čidla může fungovat následovně:
1. Po zapnutí napájení čidla vyčkejte 100 ms.
2. Odešlete příkaz Write Enable (0×5A, adresa registru 0×00).
3. Nastavte počet měření, která se mají zprůměrovat (od 1 do 50, registr na adrese 0x01).
4. Odešlete příkaz Write Protect (např. 0xFF, adresa registru, 0x00).
5. Ověřte, zda je funkce Write Protect aktivní (tedy zda registr Write Protect obsahuje jinou hodnotu než 0×5A)? Pokud ne, vraťte se k bodu 4.
6. Zkontrolujte nastavený počet vzorků (čtení registru z adresy 0×01).
7. Odpovídá uložený počet vzorků nastavenému počtu? Pokud ne, vraťte se k bodu 2.
8. Vyčkejte 100 ms.
9. Konec.
Záznam dat
Záznam dat začíná sekvencí Start. Pak pošlete adresu čidla, tedy 0×40 (prvních 7 bitů slova), přidejte k ní osmý bit rovnající se „0" (0×80) a vyčkejte na potvrzení ACK. Po potvrzení odešlete adresu vybraného datového registru, vyčkejte na ACK a poté na datové slovo. Jeho přijetí je také potvrzeno ACK. Záznam končí sekvencí STOP.
V čidle máme k dispozici 2 adresy registrů pro záznam: 0×00 a 0×01. První adresa je registr Write Protect, který povoluje/zakazuje možnost záznamu do registru nastavení Setup, zatímco druhá je adresa výše zmíněného registru nastavení, kde se nastavuje počet vzorků, které se mají zprůměrovat.
Čtení dat
Čtení dat začíná sekvencí Start. Poté pošlete adresu čidla, tedy 0x40 (prvních 7 bitů), přidejte osmý bit rovnající se „0" (0x80) a vyčkejte na potvrzení ACK. Po potvrzení odešlete adresu zvoleného datového registru, vyčkejte na ACK, poté je třeba znovu odeslat sekvenci Start a adresu čidla 0x40 senzoru (prvních 7 bitů) a přidat osmý bit rovnající se „1" (0x81). Po obdržení ACK můžete z vybraného registru přečíst jeden bajt dat. Pokud je jako datová adresa zadána 0x02 (data address), přenáší se sekvenčně 6 bajtů dat z adres 0x02 až 0x07, dokud systém řízení přenosu nezašle sekvenci NACK. Za zmínku stojí, že kromě výše uvedené funkce systém barevného senzoru neumožňuje sekvenční čtení po sobě jdoucích bajtů dat s automatickou inkrementací datové adresy.
Mikrokontrolér, který řídí přenos, potvrdí příjem dat pomocí ACK. Po potvrzení přijetí je v případě zadání datové adresy odeslán kontrolní součet, který lze použít ke kontrole správnosti čtení. Vypočítá se jako funkce XOR (pouze nebo) 0xFF hodnot s po sobě jdoucími přečtenými bajty. Například pro adresu registru 0x02 je kontrolní součet:
KONTROLNÍ_SOUČET = 0xFF XOR bajt_1 XOR bajt_2 XOR bajty_3 XOR bajty_4 XOR bajty_5 XOR bajtů_6
Napříkla:
KONTROLNÍ_SOUČET = 0xFF XOR 0xAD XOR 0x01 XOR 0x23 XOR 0x02 XOR 0xDE XOR 0x03 = 0xAF.
Čtení je ukončeno sekvencí Stop, které předchází signál NACK.
Referenční napětí je 3,3 V a rozlišení A/C převodníku je 10 bitů. Z toho vyplývá, že hodnotu napětí barevné složky R, G nebo B lze určit z rovnice:
HODNOTA_NAPĚTÍ_SLOŽKY [V] = PŘEČTENÁ_HODNOTA × 3,3 V/1024
Aplikace ve vlastním zařízení
Čidlo je napájeno napětím 5 V. Odběr proudu je nízký a činí pouhých 18 mA. Spotřebovává jej především osvětlovací dioda. Nejjednodušší je, pokud je stejným napětím napájen i řídicí mikrokontrolér. V takovém případě stačí propojit příslušné vývody rozhraní I2C čidla a mikrokontroléru a přidat napájecí pull-up rezistory, jak je znázorněno na obrázku 2.
Obrázek 2. Mikrokontrolér a čidlo napájené napětím 5 V.
Podobně, pokud je mikrokontrolér napájen 3,3 V a má porty, které tolerují 5 V. Na straně čidla nebo mikrokontroléru by pak měly být zapnuty pull-up rezistory a napětí napájející čidlo a mikrokontrolér by mělo zůstat oddělené, jako na obrázku 3.
Obrázek 3. Připojení čidla k mikrokontroléru s porty tolerujícími napětí 5 V.
Linky rozhraní I2C jsou buď s otevřeným kolektorem (OC) nebo s otevřeným odtokem (OD). Důvodem je možnost připojení více systémů s tímto rozhraním ke společné sběrnici, z nichž každý může zahájit přenos. Poté se pomocí takzvaného uzlového součinu (wired AND) provede arbitráž a master naváže spojení se systémem, který v této arbitráži zvítězil. Výstupy typu OC nebo OD mohou pracovat při zemním zkratu bez negativních důsledků pro výstupní tranzistory, protože celý zkratový proud protéká napájecími rezistory, což je pro realizaci zmíněné funkce klíčové.
Firma Omron v katalogovém listu uvádí, že systém čidla rozpoznává vysokou logickou úroveň linky rozhraní již při napětí 2,54 V, což umožňuje snadné připojení k mikrokontroléru napájenému napětím 2,7 nebo 3,3 V. Příklad takového zapojení je znázorněn na obrázku 4 – napájecí rezistory jsou připojeny k napájecímu napětí mikrokontroléru a hodnota 3,3 V vyskytující se na vstupu při vysoké logické úrovni není pro systém čidla problém. Pokud se podíváme ze strany mikrokontroleru, systém čidla má výstupy typu OD napájené pull-up rezistory připojenými na 3,3 V, což pro jeho vstupní/výstupní porty není problém.
Obrázek 4. Propojení systému čidla s mikrokontrolérem napájeným napětím 3,3 V.
Využití čidel
Čidlo dokáže detekovat nejen změnu barvy nebo hranice mezi různými barvami, ale také změnu odstínu. Lze jej tedy použít k detekci kapalin podle barvy v nádobě s průhlednými stěnami. Pro zvýšení spolehlivosti měření je vhodné instalovat naproti osvětlovadla za stěnou nádoby reflexní desku s jednotnou barvou a texturou. Kapalina, která se dostane mezi tuto desku a stěnu čidla, způsobí změnu intenzity nebo odstínu detekované barvy.
Čidlo má poměrně velký dosah, takže jej lze použít v automatech k detekci přítomnosti objektů. Například v nápojovém automatu k detekci přítomnosti kelímku. Navzdory zdání se nejedná o triviální úkol, protože takový kelímek nemá žádnou indukčnost, přináší jen malou změnu kapacity a váží jen několik gramů. Čidlo barev zvládne úkol detekce zcela jistě a spolehlivě. Aplikace ovládající automat může porovnávat napětí na výstupu čidla, když je kelímek přítomen a když tomu tak není. Tímto způsobem je také možné stát se nezávislým na barvě kelímku nebo dokonce rozlišovat kelímky podle nalévané tekutiny, např. tím, že se horké nápoje nalévají pouze do hnědých kelímků, které mají silnější stěny.
Další aplikací senzoru může být detekce hranic nápisů na štítcích, aby se spustil tisk, který vytiskne datum expirace nebo číslo šarže. Řídicí aplikace přitom může zkoumat sekvenci barev tak, aby umístila nápis do určeného rámečku. To samozřejmě vyžaduje zajištění přesného umístění objektů (štítků) před tiskem, ale stále je to mnohem levnější než použití pro tento účel strojového vidění.
Díky relativně vysokému až 10bitovému rozlišení dokáže čidlo detekovat změny, které jsou pouhým okem neviditelné. Lze jej použít ke kontrole kvality povrchu, ověření, že barva a struktura povrchu jsou v určitých stanovených mezích a že nemají vady v podobě škrábanců nebo změny barvy. Předměty lze přitom třídit na základě jejich barvy.
Fotoelektrická čidla – reflexní a štěrbinová
Štěrbinová a reflexní fotoelektrická čidla jsou široce používána v automatizačních zařízeních a v domácích spotřebičích. Nahrazují v nich oblíbené mechanické koncové spínače a svou spolehlivostí je daleko předčí, protože nemají žádné pohyblivé části. Na jejich výstupu také nedochází k jiskření v důsledku vibrací kontaktů. Firma OMRON nabízí dva typy čidel: štěrbinové (takzvané štěrbinové optočleny) a reflexní (odrazové).
U štěrbinového čidla jsou vysílací dioda a její světlocitlivý prvek umístěny proti sobě. Mezi nimi je štěrbina, do které lze vložit předmět, který přerušuje světelný paprsek. Může to být speciálně tvarovaná část mechanismu, rotující kotouč s otvorem, list papíru a další. Pokud je mezera malá (obvykle v řádu několika milimetrů), pak v takovém čidle není kromě optických filtrů žádná optika.
Reflexní čidlo funguje na podobném principu, ale světlocitlivý prvek a vysílací dioda jsou umístěny vedle sebe. Jak lze snadno uhodnout, u štěrbinového čidla je světelný paprsek přerušen objektem, zatímco reflexní čidlo reaguje na světlo, které se od něj odráží. Vzhledem k tomu, že tento typ čidla je ve velké míře vystaven interakci s okolním světlem, je vybaven optickým filtrem, takže světlocitlivý prvek reaguje na světlo ze „svého" osvětlovače. Někdy má tento typ čidla také vestavěné zaostřovací čočky, které zlepšují jeho dosah.
U obou typů čidel je přijímací prvek připojen ke vstupu komparátoru a ovládá výstupní tranzistor, jehož zatížitelnost se může lišit v závislosti na typu čidla. Přijímač má tepelnou kompenzaci (s výjimkou řady EE-SY), která je zárukou spolehlivého provozu v teplotním rozsahu udávaném výrobcem.
Jak již bylo zmíněno, štěrbinová a reflexní čidla nahrazují mechanické spínače a informují řídicí systémy o dosažení nastavené polohy mechanismu, umožňují počítání otáček a plní další funkce. Při zvažování jejich použití stojí za to vědět, že mezi nimi najdete komponenty určené pro různé varianty montáže, v pouzdrech, kde se po připájení k desce drážka zarovná rovnoběžně nebo kolmo k ní. Například:
• EE-SX1041 – oblíbený, univerzální, určený k připájení na vlastní desku (montáž do průchozích otvorů THT), 10 mm vysoký, s mezerou 14 mm.
• EE-SX-1140 – stejné jako SX1041, ale s vysokým profilem 16,5 mm a mezerou 14 mm.
• EE-SX1330, EE-SX1320 – miniaturní (3mm štěrbina, 5 mm vysoký profil) pro připájení na vlastní desku (SMD montáž).
• EE-SX460-P1 – je vybaven konektorem, určeným k montáži např. na kryt zařízení.
• EE-SG3 – pro použití v náročném prostředí, s protiprachovým krytem přišroubovaným k desce, pro montáž do průchozích otvorů, s šířkou štěrbiny 8 mm.
www.tme.eu