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並列入力反射光センサ … WS08F

WS08Fは、ロボカップジュニア・サッカーチャレンジで 緑色の床に引かれた白線の検出に使う反射光センサです。
赤色光を照射し、1〜5cm程度離れた物体の反射光の強さをアナログ電圧で出力します。 発光受光素子を基板の外に引き出せ、複数つなぐことができます。

WS08F WS08F写真 ◆改良のため基板や部品の形状が変わることがあります

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WS08Fは発光受光素子が各3個付属しています。これらの接続を利用者でする製品になっています。 完成品でも基板には接続されていません。 発光受光素子が基板にあらかじめ接続されている製品がよい場合は WS04G,WS04R,WS04Wをご利用ください。

特徴

WS08F組み込み例

機体へは本体基板と発光受光素子を別の場所に組み込むことができます。


緑色の床に引かれた白線を調べるのに適した赤発光にしています。
緑色や白色であることは人間が見て判断します。 人間の目は光の3原色である 赤,緑,青 を感じて、この3原色の混ざる割合で色を感じます。 白い物は、赤,緑,青をどれもよく反射します。 緑色の物が緑色に見えるのは、緑の光だけをよく反射し、その他の色を吸収するからです。
緑と白の反射の違いが大きくなるように、緑に吸収される光ということで赤を利用しています。
目に見えるので光の当る範囲がわかりやすく、反射光センサの機能を理解しやすい利点もあります。

外形

WS08F外形図
各接続端子は、組み込み方に合わせて、電線を直接はんだづけするか、 取り付け場所に合う 2.5mmまたは2.54mmピッチのコネクタを付けてください。 コネクタは製品に含みません。

回路

WS08F回路図 ◆改良のため回路が変わることがあります
光源のLEDが発する光は、1200Hzで点滅させます。
回路図 S1〜S3可視光フォトトランジスタは、反射して来る光の強さを電流に変換します。 この信号には1200Hzの反射光の他に不要な外光による電流も含まれています。
これを1200Hzバンドパスフィルタ(BPF)に通すと、反射光の信号だけが得られます。 BPFは周波数1200Hz付近の信号だけを通す回路です。
これを整流、平滑して直流に変換し電圧信号で出力します。

使い方

P2,P3,P4のどれかまたは全部にLEDとフォトトランジスタを接続します。

WS08F配線例

写真は発光受光素子の接続の例です。 基板の穴に電線をはんだづけしたり、コネクタを利用する方法があります。 素子の固定にはユニバーサル基板やラグ板やWS05配線板を利用すると良いでしょう。

ノイズ防止のためには、写真のように対となる電線をより合わせると有効です。 これを「より線対(せんつい)」や「ツイストペア」と言います。
センサの配線はモーターなどノイズを出す配線とできるだけ離します。


WS05使用例

写真のWS05を使うと便利です。


WS08F写真

写真のように基板の穴に素子を直接はんだづけすることもできます。


WS08F動作中写真 WS08F動作中写真

動作中はこのようになります。

パルス発光のため、連続発光するLEDより暗く見えます。


WS08V写真

発光受光素子の組み合わせごとに取り付け方を変えているなど、 組み合わせによる感度の差が大きい場合のために、 半固定抵抗でLED個別に発光量を調整できる回路に作ることもできます。写真は一例です。 この改造に使う部品は製品に含みません。


P1に電源,信号を接続します。
半固定抵抗V1で受光感度を調整してください。
反射がない状態で出力電圧は0.1V~0.8Vです。この電圧はセンサによって個体差があります。
反射光が強くなると出力電圧は大きくなり、ほぼ電源電圧で飽和します。

WS08Fはパルス発光していますので、別のWS08Fの照射範囲が重なると 他方のパルス光の影響で正しく働きません。 2個以上を使うときは照射範囲が重ならないようにしてください。 同じWS08Fから出ている発光どうしでは重なってもかまいません。
照射範囲が重なる用途のために同期機能を持つセンサ基板がWS04G,WS04R,WS04Wです。

実験

WS08Fを付けたロボット
反射光センサWS08Fと発光受光素子を左右に2か所取り付けた オムニホイールサッカーロボットです。

撮影協力: Antique

床を照らしている赤い光がセンサが出す光です。
白線の上で反射光が強くなるので、それを検出すると停止し、 その後逆方法に走るプログラムを実行しています。
走っていても白線から出ることなく止まってもどる制御ができています。

指導者様へ

ロボットを使う技術教育の中で、電子回路や電子工作の教材にご利用ください。

発光素子、受光素子の信号は、基板の外に出していますので観測できます。 パルス発光させていますので、オシロスコープが適しています。 最近低価格で手に入る低速のオシロでも十分観測できます。
受光電圧を見て、反射があるときとないとき、懐中電灯などの光を当てた時の振る舞いを観測すれば 回路の理解が深まります。

トランジスタの端子信号を見て働きを説明することに利用できます。 常にパルス信号を増幅していますので、別に信号源を用意しなくてもパルス波形が現れます。

素子を追加する際に並列にすべきか直列にすべきかの例示に 発光素子と受光素子を挙げてはいかがでしょう。

適度な部品点数ですので、はんだづけを含む基板製作の実習材料にも適します。 しかも実用的です。
»はんだづけをうまくするには もご利用ください。

裏技

入出力を増やすには

WS08Fは発光受光入出力が3組あります。これをもっと増やすにはどうすればよいでしょうか。
それには、発光受光素子をそれぞれ並列(へいれつ)化します。 そのための技術解説をします。
これには改造が必要ですが、やり方が悪いと部品をこわしたり性能が出なくなったりするかもしれません。 自分の責任でやってください。

並列化は、発光素子<LED>と受光素子<フォトトランジスタ>とそれぞれで考えます。

LEDを並列化する

LED回路図1. もとの回路

LEDを光らせるひとつ分の回路はこうなっています。 Rは基板についている抵抗です。
矢印は電流をあらわします。LEDは電流を流すと光ります。 明るさは電流にほぼ比例(ひれい)します。
LEDに電流を流すとLEDにほぼ一定の電圧が発生します。 これを「順方向電圧(じゅんほうこうでんあつ)」と言います。 このような電流を変化させても電圧がほぼ一定になる回路を、電源であれば「電圧源」、 負荷(ふか)(電力を消費する回路)であれば「電圧負荷」と言います。 以後はまとめて電圧負荷と書きます。


LED回路図2. うまくいかない回路

LEDだけを並列にするとどうなるでしょう。 図のように電流を分け合い、それぞれのLEDの電流は少なくなるため暗くなり、 センサの感度が落ちます。

これではだめです。ではどうすればよいでしょうか。


LED回路図3. うまくいくLED並列回路

もともとLEDに直列に入っていた抵抗Rと同じ値の抵抗をLEDそれぞれに直列にします。 こうすると各LEDにもともと流れていたと同じ電流が流れます。 これで並列化できたことになります。

このためには基板についている抵抗Rを短絡する必要があります。 そして、並列化により電源電流が多く流れることになります。


LED回路図4. 悪い回路

電圧負荷を並列にすることはまちがいです。 この図の回路を思いつくかもしれません。 しかしこの回路ではLEDの順方向電圧の個体差により各LEDの電流に差ができます。これは明るさのムラになります。
多くの場合、ムラはあっても見た目は2個とも光るので使えなくはありません。 これは「アマチュア規格」と言って動けばいいというものづくりです。 将来会社でプロフェッショナルとして仕事をする場合にはこの設計は許されません。


フォトトランジスタを並列化する

フォトトランジスタ回路図5. もとの回路

フォトトランジスタ受光回路ひとつ分はこうなっています。
フォトトランジスタは光が当たると電流を流そうとします。 電流は受ける光の量にほぼ比例(ひれい)します。
このような決まった値の電流を流そうとする回路を、電源であれば「電流源」、 負荷(ふか)(電力を消費する回路)であれば「電流負荷」と言います。 以後はまとめて電流負荷と書きます。


フォトトランジスタ回路図6. フォトトランジスタ並列回路

電流負荷を増やすには並列にすることです。 全体の電流は各フォトトランジスタに流れる電流をたしたものになります。 白線検出の場合は、フォトトランジスタどれかひとつが反射光を受けると センサ全体として白線を検出した状態になります。


どこまで並列にできるか

上記の方法でいくらでも並列にできます。
でも、LEDを並列にするほど電流が増えます。センサ基板上のトランジスタがそれに耐えられるか。 あなたのロボットの電源がそれに耐えられるか。は、あなたが考えてください。
また、フォトトランジスタの並列を増やすほど電流が加算されるので感度が高くなります。 これは、白線でないところで白線だと誤検出しやすくなるということです。 白線とそうでないところの境い目の調整がきびしくなります。

LEDを増やすもうひとつの方法

LED直列回路図7. LED直列回路

WS08Fでは使えませんが、知っておくと何かの役に立ちます。
電圧負荷を増やすには直列にすることです。LEDは直列にすることで増やせます。
この方法の利点はLEDがいくつあっても抵抗が1つですむことです。 さらに有利なことは、各LEDには同じ電流が流れて、明るさのムラが最小になる点です。
ただしこの方法は、全LEDの順方向電圧をたした電圧より高い電源電圧が必要です。


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