BBC micro:bit [30

Poštovani čitatelji, u prošlom je nastavku serije korišteno osjetilo plinova MQ-7B ugrađeno na modulu koji proizvodi DFROBOT. Isti proizvođač proizvodi još jedan zanimljiv modul, PIR Motion Sensor (osjetilo pokreta) s ugrađenim pirosenzorom oznake NICERA 500BP, Slika 30.1.

Slika 30.1. Lijevo – PIR modul s ugrađenim pirosenzorom, desno – Fresnelova leća

Pirosenzor NICERA 500BP

Riječ piro, od grčkog πυρ (pŷr), što znači vatra (požar, žar), trebala bi asocirati da pirosenzor osjeća toplinu. Kako biste razumjeli što i kako modul radi, najprije valja objasniti načelo rada pirosenzora koji je građen tako da osjeća ljudsku toplinu. Kad se govori o toplini općenito, misli se na infracrveno zračenje koje obuhvaća valne dužine od 600 µm do 0,78 µm. Iz tog širokog spektra valja izdvojiti jedno specifično područje koje ide od 14 µm do 7 µm. Naime, to je valno područje na kojemu ljudsko tijelo zrači toplinom. Drugim riječima, ako tijelo zamislimo kao predajnik,

Slika 30.2. Pirosenzor oznake NICERA 500BP je u metalnom kućištu sličnom tranzistoru s prozorčićem na gornjoj strani i s tri izvoda na donjoj strani: 1 – Drain, 2 – Source, 3 – GND

KODIRANJE

Slika 30.3. Pojednostavljena elektronička shema pirosenzora NICERA 500BP

moglo bi se reći da njegova radna frekvencija ide od 21 428 GHz do 42 857 GHz. Radi detektiranja tako visokog frekvencijskog područja trebali biste vrlo osjetljiv prijemnik. Takav prijemnik u stvarnosti postoji, a sastoji se od ISD-a (Infrared Sensitive Detector) i još pokojeg elektroničkog elementa, ali suprotno od onoga što biste mogli pretpostaviti, taj je prijemnik ustvari minijaturni senzor koji ima tri izvoda i jedan mali prozorčić, Slika 30.2. Unutar metalnog kućišta nalaze se ISD piroosjetila, otpornik i FET (tranzistor s efektom polja), Slika 30.3. Kad piroosjetila ISD1 i ISD2 osjete infracrveno zračenje bilo koje valne duljine od 14 µm do 7 µm, tada generiraju mikronapon. FET pojačava taj napon tako da se na izvodu Sorce (S) dobiva signal od nekoliko milivolti. Taj signal još uvijek nije dovoljan za aktiviranje nekog možebitnog releja pa ga treba dodatno pojačati, no tu započinju problemi koji se rješavaju dodatnom elektronikom.

Dodatna elektronika

Kao prvo, pirosenzor mora biti posebno dizajniran kako bi se izbjeglo lažno uzbunjivanje. Naime, ne smijete zaboraviti da se u prostoriji mogu zateći izvori infracrvenog zračenja kao na primjer peć, štednjak, žarulja i tako dalje, koji mogu zračiti i na valnom području ISD piroosjetila. Kako bi se zaobišao taj problem, kod NICERA

Slika 30.4. Krivulje prikazuju generirani mikronapon za oba ISD piroosjetila. Kad se dvije krivulje sjedine, odnosno matematički zbroje, dobiva se rezultat 0 V

Slika 30.5. ISD1 je detektirao naglu promjenu topline, ISD2 nije. Zbrajanjem vrijednosti dvaju ISD piroosjetila dobiva se mikronapon koji FET pojačava

500BP primijenjeno je jedno zanimljivo rješenje. Unutar kućišta ugrađena su dva ISD piroosjetila, jedno pokraj drugoga, a električki su spojena u seriju, ali u spoju obrnute polarizacije (na Slici 30.3. primijetite oznake + i – kod dva ISD piroosjetila). Što se time dobiva? Kako oba ISD piroosjetila generiraju isti mikronapon (jer je izvor topline isti), a spojena su obrnuto, njihov se napon preko otpornika R međusobno poništava, Slika 30.4. Za bolje razumijevanje slijedi primjer. Pretpostavite da ste uključili električnu peć. Dok se peć zagrijava započinje zračenje i na valnom području od 14 µm do 7 µm, stoga će ISD piroosjetila usporeno povisivati napon koji će od 0 V doći do neke maksimalne vrijednosti. Kad bi se koristilo samo jedno ISD piroosjetilo ta bi se promjena trenutno osjetila, a to bi izazvalo uključivanje releja koji bi ostao uključen sve dok ne biste isključili peć, ali koriste se dva pa se generirani mikronapon poništava. Sad pretpostavite da u tu prostoriju, s lijevog boka pirosenzora ulazi čovjek i zastane. Njegovo će se toplinsko zračenje zbrojiti zračenju peći čime će se izazvati nagla promjena topline, ali najprije će se to desiti kod bližeg, lijevog ISD piroosjetila. Slika 30.5. prikazuje trenutak kad je lijevo ISD piroosjetilo zabilježilo naglu promjenu topline, a desno još nije. To će stanje trajati kraće od jedne sekunde. Nakon toga će, zato što je čovjek zastao, desno ISD piroosjetilo osjetiti naglu promjenu topline pa će se situacija stabilizirati. Oba će ISD piroosjetila generirati isti mikronapon pa FET neće imati signal za pojačavanje, ponovit će se situacija sa Slike 30.4. Dalje, kod svakog i najmanjeg čovjekovog pokreta doći će do promjena intenziteta infracrvenog zračenja pa će se napon kratkotrajno sniziti ili čak povisiti, najprije na samo jednom od dva ISD piroosjetila, što će izazvati razliku mikronapona i pojačanje... Te su promjene stvarno kratkotrajne, pretvorene u frekvenciju dešavaju se u rasponu od 0,3 Hz do 15 Hz, no i to je dovoljno kako bi se zabilježio pokret. Na izlaznom izvodu S se nakon pojačanja s FET-a dobiva izmjenični napon od nekoliko mV. Za daljnju obradu tako dobivenog signala na modulu je korišten integrirani sklop BISS0001, Slika 30.6. Za što je sve zadužen? Spomenuti integrirani sklop na svom čipu integrira pet operacionih pojačala, dva logička sklopa i tajmer. Prva dva operaciona pojačala koriste se kao selektivna pojačala s RC-mrežom. To je niskopropusni filtar s točno utvrđenim pojasom propuštanja čime se rješava problem utjecaja frekvencije gradske mreže od 50 Hz. Naime, korištena pojačala toliko su osjetljiva da bi 50 Hz, preko napajanja moglo negativno utjecati na odziv ovog osjetila. Druga dva operaciona pojačala koriste se u specifičnom spoju, prvi kao neinvertiraju-

Slika 30.6. PIR modul sa strane elemenata, uočite integrirani sklop BISS0001 9

će pojačalo jediničnog pojačanja, a drugi kao invertirajuće pojačalo jediničnog pojačanja. Neinvertirajuće operaciono pojačalo propušta samo pozitivne poluperiode izmjeničnog napona, a invertirajuće operaciono pojačalo zakreće fazu negativne poluperiode za 180° tako da se na njegovom izlazu dobivaju pozitivne poluperiode. Na taj se način iskorištavaju i negativni naponi koje generiraju ISD piroosjetila. Peto operaciono pojačalo pretvara te pozitivne analogne napone u digitalne impulse te u kombinaciji s logičkim sklopovima šalje upute za uključivanje tajmera. Tajmer je oscilatorni sklop kojemu je moguće mijenjati trajanje vremena okidanja (trigger) upotrebom vanjskih RC-elemenata, posebno se ugađa vrijeme odgode (ugrađenim trimer-potenciometrom), a posebno vrijeme blokiranja (kod ovog modula nije predviđeno da korisnik to samostalno ugađa, već je korištena predodređena vrijednost). Što to točno znači bit će objašnjeno poslije.

Probni rad

Prema montažnoj shemi sa Slike 30.7. spojite modul PIR Motion Sensor s BBC micro:bitom. Na PIR modulu ugodite trimer-potenciometar tako da njegov klizač namjestite skroz ulijevo, a STRIP-premosnicu namjestite prema oznaci L (oznaka je vidljiva na tiskanoj pločici PIR modula).

Slika 30.7. Montažna shema spajanja PIR modula s BBC micro:bitom. Ženski STRIP-konektor sa spojnih žica PIR modula možete neposredno spojiti na muški STRIPkonektor rubnog priključka BBC micro:bita tako da zahvatite 0V (crna žica), 3V (crvena žica) i P16 (plava žica) Slika 30.8. Programski kôd s kojim će na displeju BBC micro:bita zasjati nekoliko LED-ica svaki put kad PIR modul osjeti pokret

Programski kôd

Prema Slici 30.8. u MC Editoru prepišite predloženi kôd. Program otpremite. Ako je sve kako valja i ako se u prostoriji nitko ne kreće, LED-ice displeja BBC micro:bita ne bi trebale svijetliti. Ako ipak tu i tamo zasvijetle, onda otvorenom šakom potpuno prekrijte modul tako da izolirate bilo kakve vanjske pokrete. Možebitno upaljene LED-ice se gase i ostaju ugašene. Kad ruku odmaknete displej bi nanovo trebao prikazivati svaki i najmanji pokret.

Nažalost, ovdje valja zaključiti da osjetilo ponekad reagira, a da nije ničim izazvano. To je tako jer je PIR modul prilagođen za napon od 5 V, a s BBC micro:bita dobiva 3 V. Kako biste to prevenirali morat ćete sve presložiti i dodati elemente koji će omogućiti traženi napon napajanja. Prema montažnoj shemi sa Slike 30.9. spojite modul s BBC mikro:bitom na način da dobije potrebnih 5 V napajanja iz baterije od 9 V. S obzirom da PIR modul treba samo 2,5 mA struje (podatak iz proizvođačkih podatkovnih tablica) ne koristi se integrirani sklop L78L05 (o njemu se raspravljalo u prošlom broju ABC tehnike), već se za snižavanje i stabiliziranje napona koristi Zenerova dioda i otpornik, jer su jeftiniji. Ne morate brinuti o naponu izlaza iz PIR modula jer prema proizvođačkim podatkovnim tablicama on iznosi 3,2 V što BBC micro:bit podnosi.

Slika 30.9. Montažna shema spajanja BBC micro:bita i PIR modula koji se napaja iz baterije. Za snižavanje napona koristi se otpornik R1 od 180 Ω (ili 150 Ω) i Zenerova dioda snage ½ W za stabilizaciju napona na 5,1 V Bez ikakvih preinaka i za ovu konfiguraciju možete koristiti program sa Slike 30.8. Ovom nadogradnjom bi odziv PIR modula trebao biti realniji.

Ugađanje vremena odgode

Sportskim rječnikom može se reći da tajmer upravlja s dva timeouta. Prvi timeout određuje koliko će dugo svijetliti LED-ice displeja BBC micro:bita nakon što PIR modul detektira pokret. Korisnik može ugoditi to vrijeme preko ugrađenog trimer-potenciometra, od približno 0,5 sekundi do približno 35 sekundi. Drugi timeout određuje koliko će dugo LED-ice biti ugašene između dviju bliskih detektiranih kretnji. Korisniku modula DFROBOT-a nije omogućeno to ugađanje, već je vrijeme predodređeno na približno 0,5 sekundi. Čemu služi STRIP-premosnica? Za bolje razumijevanje slijedi primjer. Prva situacija. Zamislite da čovjek ulazi u predvorje stambene zgrade. PIR modul ga detektira te pali rasvjetu. Čovjek zastane kako bi iz poštanskog sandučića izvukao poštu. Pismo ga zainteresira pa ga otvara i u miru započinje čitati. Rasvjeta se nakon isteka ugođenog vremena gasi. Kako je na modulu ugođena STRIP-premosnica prema oznaci L rasvjeta se neće nanovo upaliti sve dok čovjek ne napravi neki pokret. Druga situacija. Sve je isto kao i u prošlom primjeru, jedino je na PIR modulu ugođena STRIP-premosnica tako da je bliža trimer-potenciometru. Ugođeno vrijeme produžavat će se za svaki i najmanji čovjekov pokret. Da bi se rasvjeta ugasila, čovjek bi trebao biti potpuno nepokretan cijelo vrijeme trajanja ugođenog timeouta. Drugim riječima, tajmer ne uzima u obzir bilo kakve promjene stanja osjetila kad je STRIP-premosnica ugođena prema oznaci L, već čeka istek zadanog vremena. No kad je STRIP-premosnica namještena bliže trimer-potenciometru, tajmer započinje odbrojavanje vremena ispočetka, kad god mu osjetilo dojavljuje promjenu stanja. Prvo rješenje koristi se kad se želi ostvariti veća ušteda energije, a drugo se rješenje koristi kako bi rasvjeta duže svjetlila, umjesto da se neprekidno pali i gasi, jer bi ljudima to moglo smetati.

Osjetljivost PIR modula

Na tržištu postoje modeli raznih proizvođača PIR modula. Kod nekih je moguće ugoditi osjetljivost, čime se djeluje na krajnji domet detekcije. To se izvodi preko trimer-potenciometra koji ugrađuju u krug prva dva operaciona pojačala gdje djeluje na ukupno pojačanje. Kod PIR modula DFROBOT-a nije predviđena ta mogućnost, ali zato je ispred PIR senzora ugrađena Fresnelova leća. To je posebno dizajnirana leća kojom se povećava domet (na približno 5 m) i proširuje kut djelovanja (na približno 120°). Na Slici 30.1. vidljiva je Fresnelova leća.

Slika 30.10. Montažna shema prijemnog BBC micro:bita 2 za protuprovalni alarm 11

Protuprovalni alarm

Osim u automatici za paljenje i gašenje rasvjete i slično, PIR modul možete iskoristiti i kao protuprovalni alarm. Za primjer koji slijedi trebate jedan PIR modul, dva BBC micro:bita i jedan aktivan piezo-zvučnik (buzzer). Prema montažnoj shemi sa Slike 30.9. spojite sve potrebno za prvi BBC micro:bit 1 koji će detektirati pokret i radijem slati signal drugom BBC micro:bitu 2, a prema montažnoj shemi sa Slike 30.10. spojite sve potrebno za drugi BBC micro:bit 2 koji će primati radijski signal i po potrebi aktivirati piezo-zvučnik.

Programski kodovi

Za BBC micro:bit 1 s PIR modulom trebate program sa Slike 30.11. Za BBC micro:bit 2 s piezo-zvučnikom trebate kodove sa Slike 30.12., Slike 30.13. i Slike 30.14.

Slika 30.11. Programski kôd za BBC micro:bit 1 Slika 30.12. Početni uvjeti programa za BBC micro:bit 2

Slika 30.13. Obrada podataka za BBC micro:bit 2

Slika 30.14. Startanje i gašenje alarma za BBC micro:bit 2 Dva programa preuzmite i otpremite, do BBC micro:bita 1 onaj sa Slike 30.11., a preostale do BBC micro:bita 2. Na PIR modulu ugodite trimer-potenciometar tako da zakrenete njegovo vratilo skroz ulijevo, za najkraće vrijeme odgode, a STRIP-premosnicu ugodite prema oznaci L. Ako je sve kako valja, displej BBC micro:bita 1 će prikazivati, čas manji, čas veći kvadrat, ovisno o detekciji PIR modula. Displej BBC micro:bita 2 prikazivat će strelicu koja upućuje na tipku A. Pritiskom tipke A započinje odbrojavanje od 9 prema 0. Kad se na displeju pojavi smješko alarm je aktiviran. Pažnja, dosad ste trebali izaći iz prostorije kako se ne bi oglasio piezo-zvučnik, no to možete i simulirati. Za simulaciju će biti dovoljno da otvorenom šakom prekrijete PIR modul tako da ne može detektirati pokrete (to učinite prije isteka odbrojavanja). Onog trenutka kad odmaknete ruku s PIR modula na displeju će se prikazati strelica koja upućuje na tipku B i oglasit će se piezo-zvučnik. Piezo-zvučnik će zujati sve dok ne pritisnete tipku B čime resetirate BBC micro:bit 2 koji se ponovno pokreće i sve počinje ispočetka. Predloženim kodom nije predviđeno da se jednom aktivan alarm deaktivira bez oglašavanja piezo-zvučnika, odnosno ne možete ući u prostoriju da biste deaktivirali alarm, jer nije predviđena odgoda uzbunjivanja. Neka vam to bude izazov koji biste mogli riješiti tijekom predstojećeg ljetnog raspusta. Sretno! U nastavku, elektroničari početnici mogu pronaći objašnjenja vezana za Zenerovu diodu koja se prvi put koristi kod opisanog sklopa.

Zenerova dioda

Zenerove diode mogu biti veličine otpornika od ¼ W ili znatno veće ako im je snaga veća od 5 W. Izvodi se označavaju slovima K i A. U elektroničkim se shemama koristi simbol kao na Slici 30.15. Zenerova dioda je polarizirana, izvod K je katoda koju uvijek treba spajati prema pozitivnom naponu, a izvod A je anoda koju uvijek treba

spajati prema masi. Radi prepoznavanja izvoda kod manjih Zenerovih dioda snage ½ W i 1 W na tijelu je nacrtan prsten u boji sa strane katode. Kako bi ispravno obavljala svoju funkciju stabilizacije napona, Zenerova dioda mora biti napajana preko otpornika koji će izazvati određeni pad napona, Slika 30.16. Kod izračuna vrijednosti otpora otpornika R1, koristite sljedeće formule: - za Zenerove diode od ½ W, R1 = (Uin – UDZ) / (20 + I) × 1000 - za Zenerove diode od 1 W, R1 = (Uin – UDZ) / (30 + I) × 1000 - za Zenerove diode od 2 W, R1 = (Uin – UDZ) / (40 + I) × 1000 gdje je: R1= otpor otpornika izražen u Ω

Slika 30.15. Simbol Zenerove diode

Slika 30.16. Shema spajanja zenerove diode i otpornika. Uin je napon koji treba sniziti, a Uout je snižen i stabiliziran napon