Оптическая система для слепых людей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В дипломной работе будет разработано оптическое устройство для слепых людей, которое

позволяет определять присутствие объектов перед пользователем. В ней описаны актуальность, проблемы, решения проблем перемещения сепых людей в повседневной жизни. Будут описаны виды и методы определения объектов на расстоянии. Предлагаемое мной устройство предназначено для помощи слепым людям в безопасном перемещении в пространстве. Это устройство является альтернативой приборам, которые описаны выше. Его можно использовать, как отдельный инструмент либо совместить с обычной тростью, т.о. получаем устройство объединяющее замену чувств осязательного и дистанционного характера. Основная схема устройства взята с простого парковочного радара (партроник) служит для сигнализации при приближении автомобиля к какому-либо препятствию или другому автомобилю. Из схемы были убраны лишние элементы из за ненадобности (т.к. они просто не нужны слепому человеку) и изменения связанные с этим. Был сделан преобразователь напряжения чтобы схема "питалась" не от аккумулятора автомобиля (в случае с парктроником ), а от двух обычных батареек по 1,5 В.

1. Обзор литературы в области технологических средств для незрячих

Незрячие люди могут быть самостоятельными и независимыми. Эта мысль уже никого не удивляет. Быть независимыми, незрячим во многом помогают технические средства реабилитации. К техническим средствам реабилитации следует отнести всю ту технику, которая создается специально для слепых, зрячие в ней не нуждаются, а для слепых же имеет неоценимо большое значение. Из всего разнообразия технических средств реабилитации для слепых и слабовидящих остановимся на тех, которые созданы для облегчения ориентирования в пространстве и помощи в свободном передвижении.

К техническим средствам ориентирования (ТСО) относятся множество приспособлений, начиная с простой белой трости и заканчивая высокотехнологичными GPS-навигаторами.

ТСО:

а) технические средства - это приспособления, не использующие электронику.

(пример: простая белая трость)

б) высокотехнологичные средства реабилитации - это приспособления, использующие электронику, и иные продукты технического прогресса.

(пример: белая трость с ультразвуковым маячком)

Если обратиться к истории, то мы с удивлением увидим, что только в первой половине XX века появилась белая трость как инструмент свободного и самостоятельного передвижения. Примерно в тоже время появилась и собака проводник, в задачу которой входило сопровождение слепого человека.

С официальным появлением приспособлений для самостоятельного и независимого передвижения людей с нарушением зрения стали появляться различные школы, разрабатывающие научно методическую базу ориентирования и мобильности. К этому процессу подключились и конструкторы, придумывающие и разрабатывающие более совершенные средства для ориентирования и мобильности с учётом последнего слова техники.

Таким образом, на сегодняшний день мы имеем в арсенале ряд технических и высокотехнологических средств ориентирования: белая трость цельная, складная, телескопическая; ультразвуковой локатор для определения препятствий на расстоянии, прибор фотофон, который определяет источник света и многое другое.

Передвижение из пункта А в пункт Б состоит из двух аспектов. Первое это непосредственно сама ориентировка, то есть человек должен знать направление движения, представлять пространство вокруг себя, представлять сам маршрут. Второе это мобильность, то есть, возможность безопасно и эффективно передвигаться в пространстве, не подвергая себя и других людей опасности. Безопасность передвижения во многом зависит от умения и навыков владения незрячей белой тростью.

Считается, что в ориентировании и мобильности в ближайшее время, несмотря на достижения науки и техники, наиболее эффективными средствами останутся трость, собака проводник, обученный сопровождающий и, самое главное, умение воспользоваться собственными возможностями, а для этого необходимо пройти обучение на специальных курсах под руководством квалифицированного учителя по ориентированию и мобильности.

Появляются все более сложные технологии, которые призваны облегчить быт и самостоятельное передвижение слепых в пространстве.

Виды приспособлений:

- ультразвуковой локатор

- лазерная трость

- фотофон.

1.1 Ультразвуковые локатор

Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на измерении временной задержки распространения ультразвука от момента излучения ультразвукового импульса до возвращения этого импульса обратно в датчик после отражения от объекта.

Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного меньших объектов, например таких, как бутылки или ампулы.

1.2 Лазерная трость

Это комбинация лазера, цифровой камеры и компьютера. Она была создана в рамках исследования самых разнообразных технологий, которые могли бы помочь слепым людям в передвижении по городу.

Электроника распознает, ведут ступеньки вниз или вверх, или, может быть, впереди провал. Владелец устройства держит ее в руке и двигает кистью вверх-вниз, сканируя пространство перед собой в вертикальной плоскости. Человек получает обратную связь в форме звуковых сигналов. Высота тона зависит от расстояния до препятствия.

1.3 Фотофон

Это прибор для передачи на расстояние звуков с помощью света.

Действие прибора основано на свойстве селена изменять электропроводимость под действием световых лучей, отражаемых от зеркала, вибрирующего под влиянием звука.

В фотофоне в качестве получателя сигнала используются кристаллические селеновые ячейки. Материал изменяет электропроводимость под действием световых лучей, т.е. проводимость выше, когда темнее, и ниже, когда светлее.

Принцип фотофона, таким образом состоял в модулировании светового луча: в результате разной освещённости приёмник будет создавать в селеновых ячейках соответствующее различное сопротивление, которое используется для воссоздания звуков, принятых приёмником.

Модулирование светового луча было сделано вибрирующим зеркалом: тонкое зеркало чередовалось между вогнутой и выпуклой формами и таким образом производилась фокусировка или рассеивание света от светового источника.

Фотофон работает по аналогии с телефоном с той разностью, что фотофон использует свет для выдачи информации, в то время как телефон использует электричество.

2. Методы и устройства для определения расстояния

Цифровой ИК датчик расстояния предназначен для измерения расстояния до объекта, не требующего большой точности. Данный датчик можно использовать для измерения расстояния до тех объектов, которые не поглощают ИК-излучение и не являются прозрачными для него.

Датчики расстояния обычно характеризуются следующими техническими параметрами:

1. Диапазон измеряемых расстояний

2. Точность измерения

3. Разрешение измерения

4. Линейность измерения

5. Время измерения

6. Тип выходной величины

Точность измерения показывает ту минимальную долю измеряемой величины (расстояния), с точностью до которой можно пролучать результат измерения. Также можно дать такое пояснение этого параметра: если считать результат измерения дискректной величиной, то точность измерения попросту показывает расстояние между двумя соседними значениями этой величины.

Разрешение в самом общем смысле - это минимальное расстояние между двумя объектами наблюдения, при котором эти объекты еще различимы (не сливаются в один). Применительно к датчикам получается, что разрешение - это-то минимальное расстояние между двумя различными положениями объекта, при котором эти положения будут различимы; т.е. при перемещении объекта на меньшее расстояние, изменение положения не будет фиксироваться датчиком (не будет меняться его показание), т.е. это степень квантования величины.

Линейность измерения показывает в процентах, на сколько отклоняется зависимость (функция) выходной величины (показания) от входной величины (расстояния) от линейной зависимости, т.е. зависимости вида f = kx + b

f - выход

x - вход

k,x - коэффициенты

Время измерения - это время между началом измерения и моментом получения показания (выходной величины) на выходе датчика.

Тип выходной величины определяет, какой сигнал данный датчик выдает на выход. Он может быть аналоговым или цифровым. В случае аналогового сигнала выходная величина (напряжение или реже ток) пропорциональна расстоянию до объекта. В случае цифрового сигнала значение цифрового кода на выходе пропорционально расстоянию до объекта. В случае цифрового выхода внутри датчика присутствует микроконтроллер, выполняющий преобразование аналоговой величины в цифровой код, а также уменьшающий нелинейность измерения с помощью специальных математических методов.

2.1 Индуктивные датчики

Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.

Вместе с тем, несмотря на прекрасную точность, разрешение и время отклика, существенная нелинейность, составляющая 3% - 5%, представляет определенную проблему. Что бы преодолеть это некоторые производители определяют выходной сигнал датчика как полиномную функцию, математически описывающую сигнал, и тем самым дают возможность запрограммировать с помощью такой функции большинство современных контроллеров для более точного алгоритма измерения.

2.2 Оптические датчики

Существует множество различных способов измерить расстояние до предмета с помощью оптики: например лазерные интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и аналоговым выходом могут измерять расстояния в широких пределах, однако поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов. Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно, позволяет измерять с ограниченным разрешением в 2 - 3 мм.

Подавляющее большинство задач по измерению в промышленности приходится на диапазоны от долей микрон до нескольких десятков метров. При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных: малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее подходят лазерные датчики расстояния, работающие по принципу оптической триангуляции.

Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая преобразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.

Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях. Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях. Так что, например, точность в 1 мкм на расстояниях в 1 метр получить вряд ли удастся.

Для снижения влияния шумов все лазерные датчики расстояний позволяют проводить интегральные или усредненные измерения. При этом производится множество измерений расстояния до объекта и результат потом усредняется, тем самым повышается точность измерений. Однако большая точность требует большого количества измерений, увеличивая при этом общее время измерения. Так, например, чтобы обеспечить точность в 1 мкм типичное время измерения составляет порядка 0,1 сек.

3. Подбор элементов. Информационный обзор элементов

3.1 Светодиод

Светодиод или светоизлучающий диод - полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом создающим оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда -- электроны и дырки -- рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Таблица 1. Диапазоны длин волн.

Цвет	Длина волны (нм)	Напряжение (В)	Материал полупроводника
Инфракрасный	л > 760	ДU < 1.9	Арсенид галлия (GaAs) Алюминия галлия арсенид (AlGaAs)
Красный	610 < л < 760	1.63 < ДU < 2.03	Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs) Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид(AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
Оранжевый	590 < л < 610	2.03 < ДU < 2.10	Галлия фосфид-арсенид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид(AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
Жёлтый	570 < л < 590	2.10 < ДU < 2.18	Галлия арсенид-фосфид (GaAsP) Алюминия-галлия-индия фосфид(AlGaInP) Галлия(III) фосфид (GaP)
Зеленый	500 < л < 570	1.9 < ДU < 4.0	Индия-галлия нитрид (InGaN) / Галлия(III) нитрид (GaN) Галлия(III) фосфид (GaP) Алюминия-галлия-индия фосфид(AlGaInP) Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
Голубой	450 < л < 500	2.48 < ДU < 3.7	Селенид цинка (ZnSe) Индия-галлия нитрид (InGaN) Карбид кремния (SiC) в качестве субстрата Кремний (Si) в качестве субстрата -- (в разработке)
Фиолетовый	400 < л < 450	2.76 < ДU < 4.0	Индия-галлия нитрид (InGaN)
Пурпурный	Смесь нескольких спектров	2.48 < ДU < 3.7	Двойной: синий/красный диод, синий с красным люминофором, или белый с пурпурным пластиком
Ультрафиолетовый	л < 400	3.1 < ДU < 4.4	Алмаз (235 nm) Нитрид бора (215 nm) Нитрид алюминия (AlN) (210 nm) Нитрид алюминия-галлия (AlGaN) Нитрид алюминия-галлия-индия (AlGaInN) -- (down to 210 nm)

3.2 Фотодиод

Фотодиод -- приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей -- дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C_p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

§ фотогальванический -- без внешнего напряжения

§ фотодиодный -- с внешним обратным напряжением

Особенности:

§ простота технологии изготовления и структуры

§ сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия

§ малое сопротивление базы

§ малая инерционность

Параметры фотодиодов:

- чувствительность

отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

токовая чувствительность по световому потоку:

- шумы

помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром -- шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

§ вольт-амперная характеристика (ВАХ)

зависимость выходного напряжения от входного тока.

§ спектральные характеристики

зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

§ световые характеристики

зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

§ постоянная времени

это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

§ темновое сопротивление

сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

§ инерционность

Классификация:

- p-i-n фотодиод.

В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при U_обр?0.1В p-i-n фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства:

1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области.

2) высокая чувствительность и быстродействие

3) малое рабочее напряжение U_раб

Недостатки:

сложность получения высокой чистоты i-области.

- Фотодиод Шоттки (фотодиод с барьером Шоттки)

Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник p-типа.

- Лавинный фотодиод.

В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Очень чувствительны. Для оценки существует коэффициент лавинного умножения:

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:

2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M=10-100 в зависимости от типа фотодиодов.

- Фотодиод с гетероструктурой.

Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток -- сложность изготовления.

3.3 Трансформатор

Трансформатор -- электрическая машина, состоящая из набора индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе или без него и предназначенный для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока без изменения частоты систем(системы) переменного тока.

Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения -- электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, намагнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

Принцип действия трансформатора.

На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подаётся напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создаёт переменный магнитный поток в магнитопроводе. В результате электромагнитной индукции, переменный магнитный поток в магнитопроводе создаёт во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока, при синусоидальном токе сдвинутой на 90° в обратную сторону по отношению к магнитному потоку.

Виды трансформаторов.

Силовой трансформатор -- трансформатор, предназначенный для преобразования электрической энергии в электрических сетях и в установках, предназначенных для приёма и использования электрической энергии.

Автотрансформатор -- вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию -- это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4.Существенным является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге -- меньшая стоимость.

Трансформатор тока -- трансформатор, питающийся от источника тока. Типичное применение -- для снижения первичного тока до величины, используемой в цепях измерения, защиты, управления и сигнализации. Номинальное значение тока вторичной обмотки 1А, 5А. Первичная обмотка трансформатора тока включается в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, равен току первичной обмотки, деленному на коэффициент трансформации. Вторичная обмотка токового трансформатора должна быть надёжно замкнута на низкоомную нагрузку измерительного прибора или накоротко. При случайном или умышленном разрыве цепи возникает скачок напряжения, опасный для изоляции, окружающих электроприборов и жизни людей.

Трансформатор напряжения -- трансформатор, питающийся от источника напряжения. Типичное применение -- преобразование высокого напряжения в низкое в цепях, в измерительных цепях и цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения.

Импульсный трансформатор -- это трансформатор, предназначенный для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. В большинстве случаев основное требование, предъявляемое к ИТ заключается в неискажённой передаче формы трансформируемых импульсов напряжения; при воздействии на вход ИТ напряжения той или иной формы на выходе желательно получить импульс напряжения той же самой формы, но, быть может, иной амплитуды или другой полярности.

Разделительный трансформатор -- трансформатор, первичная обмотка которого электрически не связана со вторичными обмотками. Силовые разделительные трансформаторы предназначены для повышения безопасности электросетей, при случайных одновременных прикасаниях к земле и токоведущим частям или нетоковедущим частям, которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения изоляции. Сигнальные разделительные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей.

Согласующий трансформатор -- трансформатор, применяемый для согласования сопротивления различных частей (каскадов) электронных схем при минимальном искажении формы сигнала. Одновременно согласующий трансформатор обеспечивает создание гальванической развязки между участками схем.

Пик-трансформатор -- трансформатор, преобразующий напряжение синусоидальной формы в импульсное напряжение с изменяющейся через каждые полпериода полярностью.

Сдвоенный дроссель (встречный индуктивный фильтр) -- конструктивно является трансформатором с двумя одинаковыми обмотками. Благодаря взаимной индукции катушек он при тех же размерах более эффективен, чем обычный дроссель. Сдвоенные дроссели получили широкое распространение в качестве входных фильтров блоков питания; в дифференциальных сигнальных фильтрах цифровых линий, а также в звуковой технике.

Трансфлюксор -- разновидность трансформатора, используемая для хранения информации. Основное отличие от обычного трансформатора -- это большая величина остаточной намагниченности магнитопровода. Иными словами трансфлюксоры могут выполнять роль элементов памяти. Помимо этого трансфлюксоры часто снабжались дополнительными обмотками, обеспечивающими начальное намагничивание и задающими режимы их работы. Эта особенность позволяла (в сочетании с другими элементами) строить на трансфлюксорах схемы управляемых генераторов, элементов сравнения и искусственных нейронов.

4. Разработка устройства

Предлагаемое мной устройство предназначено для помощи слепым людям в безопасном перемещении в пространстве. Это устройство является альтернативой приборам, которые описаны выше. Его можно использовать как отдельный инструмент либо совместить с обычной тростью, т.о. получаем устройство объединяющее замену чувств осязательного и дистанционного характера. Основная схема устройства взята с простого парковочного радара (партроник) служит для сигнализации при приближении автомобиля к какому-либо препятствию или другому автомобилю. Из схемы были убраны лишние элементы из-за ненадобности (т.к. они просто не нужны слепому человеку) и изменения связанные с этим была немного доработана путем добавления переменного резистора (потенциометра) благодаря которому изменяем предельную дальность. Был сделан преобразователь напряжения, чтобы схема "питалась" не от аккумулятора автомобиля (в случае с партроником), а от трех обычных батареек по 1,5 В.

Принцип работы устройства заключается в следующем: инфракрасный светодиод постоянно излучает импульсы.

Инфракрасный луч попадая на препятствие, отражается от него и попадает на приемный фотодиод. Чем ближе препятствие, тем сильнее отраженный сигнал. Далее сигнал, детектируется и попадает на операционные усилители. Напряжение, попадающее на усилители, прямо пропорционально расстоянию до объекта. Усилители включают звуковую сигнализацию. Звуковая сигнализация позволяет слепому определять расстояние между ним и объектом.



Рис. 1. Структурная схема устройства.

Схема устройства состоит из: таймера на микросхеме NE555 с излучающим светодиодом; приёмного фотодиода с операционным усилителем и детектором; трёх компараторов. Операционный усилитель и компараторы собраны на микросхеме типа LM324. Выходная звуковая сигнализация собрана на таймере VD3 NE555 и звуковом элементе Z1. Из начальной схемы видно, что она "питается" напряжением 9в. Поэтому был собран преобразователь напряжения из 3В в 9В с током нагрузки 100мА, которого хватит для работы устройства.

4.1 Принцип работы устройства

Таймер NE555 генерирует последовательность прямоугольных импульсов, частота которых определяется цепочкой R1, R2, C1 и равна в данной схеме 120 Гц со скважностью 91. Инфракрасный светодиод LED 1 постоянно излучает эти импульсы. Инфракрасный луч, попадая на препятствия, отражается от них и попадает в приемный фотодиод LED 2. С фотодиода LED2 сигнал поступает на операционный усилитель, собранный на ј микросхемы LM324. Усиленный сигнал детектируется диодами VD1-2 и поступает на компаратор, собранный на трёх оставшихся операционных усилителях микросхемы. Напряжение на входах компараторов прямо пропорционально расстоянию до препятствия. Делитель напряжения, собранный на резисторах R5-R9 определяет порог срабатывания компараторов. Через диоды VD3-5 и резисторы R11-R13 сигнал с компараторов поступает на таймер на микросхеме NE555. К выходу 3 таймера подключен звуковой пьезоэлемент Z1. При расстоянии до препятствия 3м будут слышны редкие звуковые сигналы примерно 1-2 раза в секунду. При расстоянии до препятствия 1.5м - будут слышны более частые 3-4 раза в секунду звуковые сигналы. При расстоянии до препятствия 0.75 м -будут слышны частые, более 4-х раз в секунду звуковые сигналы. Приведенные расстояния могут изменяться в зависимости от применённых в схеме типов инфракрасных элементов и свойств отражающей поверхности препятствия.

4.2 Преобразователь

Изначально при разработке устройства я поставил цель, чтобы оно питалось от батареек (кол-во 2-4). Была подобрана схема преобразователя напряжения из 3 в 12В. Выходное напряжение поменял на 9В путем расчета трансформатора и подбора стабилитрона.

Пример схемы имеется в приложении.

Расчет трансформатора.

Для устройства подойдет маломощный в/ч трансформатор.

Необходимое напряжение на вторичной обмотке (U2) и максимальной ток нагрузки (Iн) трансформатора.

1. Определение значения тока, текущего через вторичную обмотку трансформатора:

I2=1,5*Iн,

- где: I2-ток через обмотку 2 трансформатора, А;

Iн - максимальный ток нагрузки, А.

U2= 9В

Iн= 250 мА

I2= 1,5*250= 0,375 А

2. Определение мощности, потребляемую потребителем от вторичной обмотки трансформатора:

P2=U2*I2,

- где: P2- максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки, Вт ;

U2- напряжение на вторичной обмотке, В;

I2- максимальный ток через вторичную обмотку трансформатора, А

P2= 9*0,375= 3,375 Вт

3. Подсчитываем мощность трансформатора:

Pтр= 1,25*P2,

- где: Pтр- мощность трансформатора, Вт;

P2- максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора, Вт.

Pтр=1,25*3,375=4,22 Вт

4. Определяем значение тока, текущего в первичной обмотке:

I1=Pтр/U1,

- где: I1- ток через обмотку 1, А;

Pтр- подсчитанная мощность трансформатора, Вт;

U1- напряжение на первичной обмотке трансформатора. (напряжение батареек)

I1=4,22/3=1,4 А

5. Расчет необходимой площади сечения сердечника магнитопровода:

S=1,3*Pтр,

- где: S-сечение сердечника магнитопровода, см^2;

Pтр- мощность трансформатора, Вт.

S= 1,3* 4,22= 5,486 см^2

6. Определение числа витков первичной обмотки:

W1=50*U2/S,

- где: W1- число витков обмотки;

U1- напряжение в первичной обмотке, В;

S- сечение сердечника магнитопровода, см^2.

W1=50*3/5,486=27

7. Подсчитывание числа витков вторичной обмотки:

W2=55*U2/S,

- где: W2- число витков вторичной обмотки;

U2- напряжение на вторичной обмотке, В;

S- сечение сердечника магнитопровода, см^2.

W2=55*9/5,486= 90

8. Определение диаметра проводов обмоток трансформатора:

Таблица 2. Определение обмоток.

Iобм, мА	< 25	25-60	60-100	100-160	160-250	250-400	400-700	700-1000
d, мм	0,1	0,15	0,2	0,25	0,3	0,4	0,5	0,6

Iобм= 250мА, d=0,4 мм.

Транзисторы.

Таблица 3. Технические параметры КТ 203Б.

Структура	PNP
Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс),В	30
Макс. напр. к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэr макс),В	30
Максимально допустимый ток к ( Iк макс,А)	0.01
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	30
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр,МГц	5.00
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк,Вт)	0.15

Таблица 4. Технические параметры КТ 817Г.

Структура	NPN
Макс. напр. к-б при заданном обратном токе к и разомкнутой цепи э.(Uкбо макс),В	80
Макс. напр. к-э при заданном токе к и заданном сопр. в цепи б-э.(Uкэr макс),В	80
Максимально допустимый ток к ( Iк макс,А)	6
Статический коэффициент передачи тока h21э мин	25
Граничная частота коэффициента передачи тока fгр,МГц	3.00
Максимальная рассеиваемая мощность к (Рк,Вт)	25

Рассчитывая экономическую часть диплома, был найден преобразователь на микросхеме, который отлично подойдет под схему. Она преобразует из 4,5 в 9 В поэтому устройство будет работать от 3 батареек, относительно стоимости она будет гораздо дешевле чем преобразователь с трансформатором.

Преобразователь на микросхеме МС34063А.

Вычисления производились благодаря калькулятору данной схемы, что непосредственно облегчило расчет элементов.

На вход было подано напряжение 4,5 В (напряжение трех батареек).

В итоге были получены следующие значения элементов.

Ct= 1167 пкФ

Ipk= 960 мА

Rsc= 0.312 Ом

Lmin= 106 мкГн

Co= 475 мкФ

R=180 Ом

R1=1кОм

R2=6.2кОм (9V)

Рис. 2. Преобразователь MC34063A.

4.3 Выбор светодиода

Из линейки светодиодов был выбран BL-L314IRAC под параметры устройства.

Таблица 5. Электрические характеристики.

№	Материал	Л(nm)	Тип линзы	?л	Ir (Ur=5V,uA)	Прямое напряжение	Сила света
BL-L314IRAC	GaAs	940	Прозрачная бесцветная	50	10	1.40 -1.60	25
BL-L314IRAB	GaAs	940	Синяя цветная	50	10	1.40 -1.60	25
BL-L314IRBC	GaAlAs	880	Прозрачная бесцветная	50	10	1.70 -2.00	25
BL-L314IRBB	GaAlAs	880	Синяя цветная	50	10	1.70 -2.00	25
BL-L314IRCC	GaAlAs	850	Прозрачная бесцветная	50	10	1.70 -2.00	45
BL-L314IRCB	GaAlAs	850	Синяя цветная	50	10	1.70 -2.00	45
BL-L314IRCY	GaAlAs	850	Желтая цветная	50	10	1.70 -2.00	45

Таблица 6. Параметры.

Параметр	Значение	Величина измерения
Прямой ток	50	mA
Мощность рассеивания	150	mW
Обратное напряжение	5	V
Предельный ток	250	mA

Расчет резистора R3 под светодиод.

Напряжение на входе 9В, напряжение питания светодиода 1.5В и ток светодиода 50 мА.

R3= (Uвх-Uсв)/Iсв.

R3=(9В-1,5В)/50мА= 150Ом.

4.4 Выбор фотодиода

Фотодиод выбран BPW34 под параметры устройства.

Таблица 7. Параметры.

Параметр	Значение	Величина измерения
Обратное напряжение	60	V
Мощность рассеивания	215	mW

Таблица 8. Основные характеристики.

Параметр	Условия проверки	Минимальный	Средний	Максимальный	Величина измерения
Напряжение пробоя	Ir=100uA,E=0	60			V
Темный ток	Vr=50V, E=0		2	30	nA
Емкость диода	Vr=0V,f=1MHz,E=0		70		pF
	Vr=3V,f=1MHz,E=0		25	40	pF
Прямое напряжение	Ee=1mW/cm^2, л=950nm		350		mV

4.5 Таймер

Это прецизионный интегральный таймер. Российским аналогом NE555 является КР1006ВИ1.

Таблица 9. Назначение выводов.

№ вывода NE555	Название	Назначение	Описание
1	GND	Общий	Общий провод, минус питания
2	TRIG	Пуск	Когда напряжение на этом выходе упадёт ниже 1/3 отVCC начинается отсчёт времени.
3	OUT	Выход	Этот вывод переключается между GND и VCC, в зависимости от состояния таймера
4	RESET	Сброс	При замыкании этого вывода на GND, вывод OUT переходит в состояние низкого уровня (переключается на GND).
5	CTRL	Управление	Подключен напрямую к внутреннему делителю напряжения (обычно 2/3 от VCC).
6	THR	Остановка	Интервал заканчивается, когда напряжение на этом выводе превышает напряжение на выводе CTRL.
7	DIS	Разряд	Вывод типа «открытый коллектор», обычно используется для разрядки времязадающего конденсатора между интервалами.
8	VCC	Питание	Плюс питания (от 3 до 15 Вольт).

Таблица 10. Электрические параметры.

№	Параметр	Значение
1	Напряжение питания	от 3 до 15 В
2	Выходное напряжение низкого уровня при Uп=5 В, Uср=3,7...4,7 В, Iвых=5 мА при Uп=15 В, Uср=11,5...14 В, Iвых=0,1 А	не более 9,35 В не более 2,5 В
3	Выходное напряжение высокого уровня при Uп=5 В, Uср=1,8...2,8 В, Iвых=0,1 А при Uп=15 В, Uср=5,5...8 В, Iвых=0,1 А	не менее 2,75 В не менее 12,5 В
4	Ток потребления при Uп=5 В, Uср=3,7...4,7 В, Uвх=2,3...3,3 В при Uп=15 В, Uср=11,5...14 В, Uвх=7...9,5 В	не более 6 мА не более 15 мА
5	Ток сброса при Uп=15 В	не более 1,5 мА
6	Выходной ток при Uп=15 В	не более 2 мкА
7	Ток срабатывания	250 нА
8	Время нарастания (спада)	300 нс
9	Начальная погрешность при Uп=15 В	не более 3 %
10	Нестабильность начальной погрешности от напряжения питания	не более 0,3 %/В

Таблица 11. Предельно допустимые режимы эксплуатации.

№	Параметр	Значение
1	Напряжение питания	5...15 В
2	Ток нагрузки	не более 100 мА
3	Рассеиваемая мощность (50 ° C)	не более 50 мВт
4	Температура окружающей среды	-45...+70 ° C
5	Допустимое значение статического потенциала	200 В

Расчет элементов микросхемы сделан на калькуляторе от производителя микросхемы.

Формулы расчетов:

Длительность высокого уровня.

Длительность низкого уровня.

Рис. 3. Калькулятор таймера NE 555.

Период.

Частота.

Для подбора аналоговой базы значения элементов округлил.

4.6 Операционный усилитель

В роли операционного усилителя выбрана микросхема LM324 - аналог К1401УД2.

Общее описание.

Данная микросхема - счетверенный операционный усилитель с внутренней частотной коррекцией, широким диапазоном напряжений питания. Возможна работа от одного источника питания.

Особенности.

-Четыре усилителя в одном корпусе.

-Возможность работы от однополярного источника питания.

-Широкий диапазон напряжений питания. 1,5-16,5 В.

-Коэффициент разделения каналов 120дБ.

Рис. 4. Корпус с выводами.

1- выход первого канала

2- вход 1-го канала инвертирующий

3- вход 1-го канала не инвертирующий

4- питание (-Uп)

5- вход 2-го канала не инвертирующий

6- вход 2-го канала инвертирующий

7- выход второго канала

8- выход третьего канала

9- вход 3-го канала инвертирующий

10- вход 3-го канала не инвертирующий

11- питание (+Uп)

12- вход 4-го канала не инвертирующий

13- вход 4-го канала инвертирующий

14- выход четвертого канала

Таблица 12. Электрические параметры.

Параметр	Буквенное обозначение	Режим измерения	Не менее	Не более	Единица измерения
Напряжение смещения	Uсм.	Rн=2кОм	-	±5	мВ
Максимальное выходное напряжение	Uвых. макс.	Rн=2кОм Uвх=0.1 В	±12	-	В
Входной ток	Iвх.	Rн=2кОм	-	150	нА
Разность входных токов	?Iвх.	Rн=2кОм	-	30	нА
Ток потребления	Iпот.	Rн=?	0.7	3	мА
Коэффициент усиления напряжения	Kу.u	Rн=2кОм Uвых=±10В	50	-	Тыс.
Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений	Kос.сф	Uсф1=±10В Uсф2=±2 Rн=?	70	-	дБ
Максимальная скорость нарастания выходного напряжения	Vuвых.макс.	Rн=2кОм Uвх=3В	-	-	В/мкс
Средний температурный дрейф напряжения смещения	?Uсм./?T	Rн=2кОм T=45+ +100 С	-	30	мкВ/С

Таблица 13. Предельно допустимые значения параметров и режимов.

Параметр, режим	Буквенное обозначение	Не менее	Не более	Единица измерения
Напряжение питания	Uп.	±1.5	±16.5	В
Синфазное входное напряжение	Uвх.сф.	-	±Uп-2	В
Выходной ток	Iвых.	-	20	мА
Рассеиваемая мощность	Pрас.	-	600	мВт
Температура окружающей среды	T	-45	+100	С

5. Экономическая часть

Данная дипломная работа посвящена разработке устройства определения объектов на расстоянии для слепых людей.

Результатом проектирования будет создания пакета документов включающих в себя структурные, принципиальные электрические схемы и техническое описание на данный продукт. Определение экономической эффективности продукта затруднено, поскольку в рамках данной работы реализация продукта не предусмотрена.

5.1 Научно-технический раздел

Предложено устройство, которое позволяет определять объекты на расстоянии слепым людям. Аналогов светодиодных тростей нет.

Альтернатива:

Стандартная цельная трость выполнена чаще всего из дерева. Является надежной опорой, однако такую трость сложно подобрать точно под рост пациента. Для того чтобы подогнать цельную трость по длине, с неё снимают наконечник, отпиливают лишнюю часть и надевают наконечник обратно. Увеличить высоту стандартной трости невозможно.

Трость с Т-образной рукояткой обеспечивает устойчивость как пожилому человеку, так и пациенту в период реабилитации. Служит надежной опорой при перемещении дома и на улице.

Складная трость складывается секционно. Главное преимущество складной трости -- простота транспортировки. Длина складной трости в сложенном виде равняется примерно 30-35 см, что позволяет носить её в сумке или рюкзаке.

Трость телескопическая регулируется по длине телескопическим способом. Она оснащена фиксирующим замком, который защелкивается при выдвижении шафта на нужную длину. Трость телескопическая считается универсальной. Существует множество моделей телескопических тростей.

· Телескопическая трость со смещенным центром тяжести для пациентов с координационными нарушениями (атаксия, возрастные изменения, реабилитация после инсульта),

· Телескопическая трость с двумя опорными рукоятками для подъема из положения сидя. При подъеме пациент опирается на нижнюю рукоятку, встает, и при ходьбе опирается на верхнюю рукоятку.

· Телескопическая трость с рукояткой в форме лебединой шеи -- классическая трость для пожилых пациентов.

Позволяет: -- опереться на неё двумя руками, -- повесить на руку, когда трость не нужна, -- удобно расположить трость в руке при артрите или артрозе.

· Телескопическая трость с анатомической рукояткой для повышенных нагрузкок, когда на трость переносится фактически вес тела пациента. Анатомическая рукоятка повторяет контуры ладони. Максимально удобна.

Подвидом телескопических тростей являются трости с опорой на четырёх или трех ножках. Опоры могут быть большими и маленькими, квадратными и пирамидальными. Благодаря большому количеству опорных точек такая трость гарантирует повышенную устойчивость. Обычно трость с опорой рекомендуют пациентам с нарушениями координации, сильно ослабленным физически, перенесшим инсульт или находящимся на ранней стадии реабилитационного периода.

Трость для слепых изготавливается из светоотражающего светлого материала. Её ещё называют белой тростью. Белая трость стала символом слепых в 1921 году благодаря Джеймсу Биггсу, который первым перекрасил свою чёрную трость в белый цвет.

Корейская компания Primpo разработала ультразвуковую трость для слепых. Трость распознает препятствия «в диапазоне 25 градусов в горизонтальном направлении и 50 градусов по вертикали». Ультразвуковой сенсор реагирует на объекты размером до 3 см на расстоянии 2 метров от человека. О препятствиях ультразвуковая трость сообщает вибросигналом.

Ещё одна ультразвуковая трость представляет собой электронное устройство, которое одевается на запястье и посылает звуковой или вибросигнал о приближении препятствия или потенциальной опасности.

Декоративная трость выполняет функцию аксессуара, дополняющего образ её владельца. Декоративные прогулочные трости отличаются:

· материалом, из которого изготовлен ствол трости

· стилистикой оформления рукоятки (набалдашника)

· коллекционной ценностью (антикварная, не антикварная трость)

При изготовлении элегантных легких тростей применяются эксклюзивные, экзотические породы дерева (сапеле, зебрано, лайсвуд, американская вишня, ятоба), а при оформлении ручки или набалдашника -- металл (в том числе драгоценные металлы), янтарь, кость, бирюза. По заказу клиента трость ручной работы может венчать ручка оригинальной формы (голова орла, череп, собака и т. д.), стилизованная роспись шафта или своеобразное декоративное оформление. Коллекционные трости -- в особенности трости 19-го века -- могут быть украшены именной гравировкой, элементами из золота и серебра, инкрустацией из кости, перламутра и драгоценных камней.

Подарочные и прогулочные трости могут быть оснащены так называемым «секретом». «Секрет» трости (нож, рапира, фонарик, расческа, фляжка и т.д.) располагается в полом пространстве рукоятки. Первый секрет-фляжка был изготовлен в 19 веке по заказу принца Эдуарда, мать которого (королева Виктория) не одобряла пагубной привычки сына.

К многофункциональным тростям относят трость-зонт и трость-стул. Трость-стул представляет собой телескопическую трость, оснащенную складным пластмассовым сиденьем, на котором можно отдохнуть во время прогулки.

5.2 Производственный план

Производственный процесс, применяемый на предприятии, осуществляется частично на универсальном оборудовании (компьютерах), а так же с использованием ручного труда (пайка, сборка).

Производственный процесс изготовления устройства включает в себя пять основных стадий:

1) Разработка технической документации

2) Изготовление схем, отдельных блоков

3) Сборка

4) Настройка

5) Тестирование

Разработка технической документации - процесс создания технического задания, структурных схем, принципиальных электрических схем, моделирование.

Изгото...