ภาคเซนเซอร์ เป็นภาคที่ตรวจสอบสภาวะของหุ่นยนต์ เพื่อที่จะให้หุ่นรับรู้ถึงสภาพของตัวเองว่าเป็นอย่างไร เช่น ตำแหน่ง สิ่งกีดขวาง ความสูญเสียในตัวหุ่น เป็นต้น ซึ่งจะมีตัวเซนเซอร์ที่แตกต่างกันออกไป ในการศึกษาภาคนี้ ผมจะขอแบ่ง ออกเป็น 3 ส่วนสำคัญ ๆ ที่ภาคเซนเซอร์ส่วนใหญ่โดยทั่วไปใช้กันก็คือ
1. เซนเซอร์
2. วงจรแบ่งแรงดัน
3. วงจรเปรียบเทียบแรงดัน
1. เซนเซอร์
เซนเซอร์คืออะไร ในที่นี้ เซนเซอร์เป็นตัวที่ใช้ตรวจจับสภาวะใด ๆ เช่น อุณหภูมิ สี แสง หรือ วัตถุ ต่าง ๆ โดยอาศัยหลักการที่แตกต่างกันไปแต่ละตัว เพื่อ เปลี่ยนจากคุณสมบัติของฟิสิกส์ มาเป็นคุณสมบัติทางไฟฟ้า เช่น ที่ใช้งานกันใน Sumo Robot คือ เซนเซอร์ สีขาวดำ โดยอาศัยหลักการสะท้อนแสงของสีขาวและสีดำ ทางฟิสิกแล้วจะเห็นว่าสีขาวมีอัตราการสะท้อนแสงมากกว่าสีดำ เราจึงสามารถนำแสงสะท้อนมาเปรียบเทียบได้ โดยใช้ตัวเซนเซอร์คือ อุปกรณ์จำพวก โฟโต้ เช่น โฟโต้ไดโอด โฟโต้ทรานซิสเตอร์ LDR เป็นต้น ซึ่งจะมีความไวต่อแสงมาก ตัวเซนเซอร์ส่วนใหญ่เมื่อแสดงผลเอาพุต จะแสดงผลในรูปความต้านทานที่เปลี่ยนไปตามสภาวะของตัวเซนเซอร์นั้น ๆ ในปัจจุบัน ในวงการเซนเซอร์ ได้พัฒนาไปมาก มีเซนเซอร์ให้เราได้เลือกใช้มากมาย มีวงจรที่ง่ายขึ้น มีความแน่นอน สูง จึงทำให้เราสามารถมีตัวเลือกในการใช้งานมากขึ้น งานที่เราจะทำก็ ง่ายขึ้น ถ้าจะศึกษาด้านนี้ โดยตรง ก็ลองหาหนังสือมาอ่านดู จะได้มีความรู้สามารถคิดประดิษฐ์โครงงานใหม่ มาอวดโฉมกันต่อไป เพราะในบางสิ่งที่เราคิดไม่ถึงว่า เซนเซอร์จะสามารถตรวจจับได้ เช่น ปริมาณการไหลของน้ำ อากาศ การทรงตัวของหุ่นยนต์ 2 ขา หรือ เซนเซอร์วัดปริมาณฝุ่นในอากาศ กลิ่น หรือ น้ำในกล่อง เป็นต้น ในปัจจุบันก็มีเซนเซอร์ จำพวกนี้ให้เราเลือกใช้กันแล้วครับ
2. วงจรแบ่งแรงดัน
จากรูปที่ 1 จะเห็นว่าเป็นวงจรที่ นำตัวต้านทานมาต่ออนุกรมกัน เมื่อเราป้อนป้อนแรงดันให้แก่วงจรจะมีแรงดันตกคร่อมที่ ตัวต้านทานทั้ง 2 ตัว โดยแรงดันตกคร่อมที่ตกคร่อม R1 R2 รวมกันแล้วจะ เท่ากับแหล่งจ่าย แต่ เอาพุตที่เรานำไปใช้งานคือ แรงดันที่ตกคร่อม R2 สังเกตว่าแรงดันที่ตกคร่อม R2 จะมีมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับ ค่าความต้านทานของ R2 ถ้า R2 มีค่ามากกว่า R1 จะทำให้แรงดันเอาพุตมีค่ามากไปด้วย และถ้า R2 มีค่าน้อยกว่า R1 ก็จะทำให้แรงดันเอาพุตมีค่าน้อยไปด้วย ตามกฎของโอมห์ โดยจากวงจรสามรถทดลองได้โดยเปลี่ยนค่า R ทั้งสองตัวดูนั้นเอง
2. วงจรเปรียบเทียบแรงดัน
วงจรเปรียบเทียบแรงดันก็ คือวงจรที่ นำแรงดัน 2 ค่า มาเปรียบเทียบกันนั้นเอง จะเป็นประโยชน์กับภาคเซนเซอร์มาก เพื่อที่จะทำเอาพุตของเซนเซอร์ มีเอาพุตเป็น 0 และ 1 ในทางดิจิตอลเพื่อให้สอดคล้องที่จะนำไปใช้เป็นสัญญาณ อินพุตที่ใช้กับภาคคอนโทรน การที่จะวงจรอื่นทำเอาพุตให้เป็น 0 1 ก็มีเห็นที่ใช้งานกันอยู่บ้างก็คือ ใช้ เกท ชนิด ชมิททริกเกอร์ แต่ที่นิยมใช้กันก็คือ ออปแอมป์ นั่นคือ การต่อแบบ คอมพาเรเตอร์ ดังรูปที่ 2
จากรูปที่ 2 เมื่อเราต่อ วงจร เอาพุตที่ได้จะเท่ากับ V (ไม่เกิน 15 V) และ 0 ดังนั้น เมื่อเราต้องการให้ลอจิกเป็น 1 หรือ 5 V. เราจึงจ่าย ไฟให้กับออปแอมป์ 5 V. เพื่อให้เอาพุต ออกเป็น 1 และ 0 โดยจะมีเอาพุตออกเป็น 1 ก็ต่อเมื่อขา + หรือ นอนอินเวสติ้ง ของออปแอมป์ มีแรงดันมากกว่าขา – หรือ อินเวสติ้ง ของออปแอมป์ (V 2 >V1)และจะมีเอาพุตออกเป็น 0 ก็ต่อเมื่อขา - หรือ อินเวสติ้ง ของออปแอมป์ มีแรงดันมากว่าขา + หรือ นอน-อินเวสติ้ง ของออปแอมป์ (V 1 >V2)นั่นเอง
เราจำเป็นต้องเข้าใจหลักการข้างต้นก่อนเพราะ ตัวเซนเซอร์ ส่วนใหญ่แล้ว จะมีเอาพุต ออกมาในรูปแบบของแรงดันที่เปลี่ยนแปลงไป หรือ ความต้านทานที่เปลี่ยนไปเราจะทำการนำค่าความต้านทานที่เปลี่ยนแปลงนี้ มาทำเป็นรูปของแรงดันโดยใช้วงจรแบ่งแรงดัน เพื่อนำไปเปรียบเทียบกับแรงดันที่อยู่ในสภาวะปกติ กับสภาวะที่เปลี่ยนแปลงไปในช่วงที่เราต้องการตรวจสอบนั้นเอง
เมื่อเข้าใจถึงหลักการข้างต้นแล้วต่อไปเราจะมาดูการนำมาต่อเป็นวงจรเซนเซอร์เพื่อใช้งานจริง ๆ ของวงจรตรวจจับสีขาว- ดำ
วงจรเซนเซอร์ เส้นสีขาว
ในวงจรเซนเซอร์ เส้นสีขาวนี้ เราจะมีไว้เพื่อตรวจจับเส้น สีขาว บนพื้นสีดำ โดยอาศัยหลักการสะท้อนกลับ ของแสงบนพื้นสีขาว และสีดำมาเปรียบเทียบกับ แรงดันอ้างอิง และแสดงเอาพุตออกมาเป็น สัญญาณดิจิตอล คือ สัญญาณจะเป็น 0 เมื่อ เซนเซอร์ อยู่บนเส้นสีดำ และสัญญาณจะเป็น 1 เมื่อ เซนเซอร์ อยู่บนพื้นสีขาว ตามวงจรที่ออกแบบไว้ในรูปที่ 3 นั้นเองครับ
การทำงานของวงจร
จากรูปที่ 3 ตัวเซนเซอร์ ที่เราใช้ในที่นี้ คือ LDR จากคุณสมบัติคือ เมื่อมีแสงมาตกกระทบที่ตัวมันมาก จะทำให้ค่าความต้านทานของตัวมันเองต่ำลง ในที่นี้เราจะนำแสงจาก LED ความส่องสว่างสูงมาช่วยในการสะท้อนแสง เมื่อ เซนเซอร์ เราไปอยู่บนพื้นสีดำ แน่นอน ค่าความต้านทานของ LDR จะมากกว่า ในขณะที่เซนเซอร์ อยู่บนพื้นสีขาวนั้นเอง เพราะว่า สีขาวจะสะท้อนแสงมาตกกระทบ LDR มากว่า สีดำตามหลักฟิสิกส์นั้นเอง R1 จะเป็นตัวจำกัดกระแส ในการจ่ายกระแสให้กับ LED R2 ก็จะเป็น ตัวต้านทานเพื่อนำไปแบ่งแรงดันกับ LDR เพื่อเปลี่ยนเอาพุต จากความต้านทานเปลี่ยนไปเป็นแรงดันนั้นเอง R3 กับVR1 ก็เป็นการสร้างแรงดัน เพื่อ นำไปเป็นแรงดันอ้างอิงให้กับ ออปแอมป์ R4 กับ LED2 ทำการแสดงผลเอาพุตนั้นเอง ส่วน R5 เป็น R Pull up เพื่อช่วยในการจ่ายกระแสเอาพุต นั้นเอง
จากที่ได้ศึกษาการทำงานของวงจรข้างต้นแล้วก็คงจะสามารถทำได้นะครับ ผมเลือกเอาอุปกรณ์ที่หาได้ง่าย ผมเคยใช้มาแล้วครับ ได้ผลดีมาก นะครับ แต่ดูแล้ววงจรค่อนข้างที่จะมากพอสมควร และจากคุณสมบัติของ Op amp แล้วจะตัดแรงดันได้ใจช่วงเดียวเท่านั้น เรายังมีอีกวิธีที่สามารถที่จะทำได้ดูไม่แพ้กันคือการใช้ การเปลี่ยน จาก แรงดันมา เป็น ดิจิตอล หรือ A to D นั้นเอง ซึ่งจะมีวงจรแค่ IC ตัวเดียว และสามารถที่จะปรับช่วงการตัดแรงดันได้ด้วยโปรแกรม จะทำระบบวงจรเราเล็กลง และ ประสิทธิภาพในการทำงานสามารถทำได้ดีกว่า การใช้ Op amp ในกรณีที่ค่าสีดำกับ สีขาว นั้น ให้แรงดันที่ใกล้เคียงกัน หรือไม่สม่ำเสมอ แต่จะไปเพื่อความซับซ้อนตรงการเขียนโปรแกรมนั้นเอง
การประยุคใช้งาน
สำหรับ เซนเซอร์ตัวนี้มีการใช้งานกันหลากหลาย ที่เป็นกันบ่อย ๆ ให้ก็ คือการตรวจจับเส้นทางการเดินของหุ่นยนต์ หรือที่เรียกว่า หุ่นยนต์เดินตามเส้นนั้นเอง อาจจะเป็นการประยุคใช้ในโรงานเช่น หุ่นยนต์ ส่งเอกสาร หุ่นยนต์ขนถ่ายผลิตภัณฑ์เป็นต้น นอกจากนี้จะพบเป็นได้ในงานที่ต้องการแยกวัตถุระหว่างสีขาว กับสีดำนั้นเอง