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V850でライントレースーカー(フォトセンサー編)

ここではラインを検出するフォトセンサー回路を紹介します。ご覧のように、車体の下側に付いていてます。黒い素子がフォトセンサーで水平に並べています。

フォトインタラプタ

フォトセンサーには発光と受光が一体となってるフォトインタラプタRPR-220(ローム製)を使用しています。他にもあるみたいですが、値段が安く、反射距離が6mmと、この手のセンサーでは最も距離が長かったため、これにしました。多くの店で売っており、入手しやすいのも決めた理由の一つです。フォトインタラプタ1個分の回路図は次のようになります。フォトインタラプタは発光と受光が一体となってるため、回路自体は割と簡単です。RPR-220のデータシートによれば、発光ダイオードの順電流の最大定格が50mAですので、20mAぐらい流すことに決めました。発光ダイオードの順電圧が1.34Vであるため、発光ダイオード側の抵抗は、(5 - 1.34) / 0.02 = 183 Ωとなり、180Ωの抵抗にしました。同じくデータシートによれば、発光ダイオードの順電流が20mAで、標準白紙(90%反射率)の時、受光側トランジスタのコレクタ電流は約0.6mA流れます。標準白紙というぐらいだから、いわゆる白い部分と思われるので、この時、V850のHIGHレベル3.3Vになるように、受光トランジスタ側の抵抗を決めました。計算では 3.3 / 0.0006 = 5.5 KΩとなりますが、1KΩの抵抗と10Kオームの半固定抵抗で調整できるようにしました。この時、コレクタ-エミッタ間電圧は、1.7V (= 5 - 3.3)となりますが、流れる電流はほとんど変わらず0.6mA程度です。実際に計測してみると半固定抵抗が5KΩ弱ぐらいの時、即ち6KΩ程度の時、約3.3Vになっていました。

実際の回路では、RPR-220を3個使用しているため、ラインの白黒に関係なく60mA (= 20 * 3)流れます。結構な電流なので、後閑先生の「PICマイコンではじめる-作って遊べるロボット工作」を参考に、オンオフできるようMOSFET 2SK2231を付けました。センシングが不要なときには、オフにして消費電力を減らすのが狙いです。ゲート・ソース間の電圧が3V程度だとあまりドレイン電流が流れないような気もしたので、V850のポートP35はNチャンネル・オープンドレインで5V出力にしました。プルアップ抵抗の1KΩは適当です。

実際に走らせてみると

最初、写真のようにコンデンサーをフォトインタラプタと同じ側に付けてしまいました。写真では分かりにくいのですが、2~3mmぐらいコンデンサーの方がRPR-220よりも背が高いです。

ライントレースカー用に作成したコースは、ダイソーで購入した8枚の画用紙をホッチキスで引っ付けて作成したため、画用紙同士の境界部分で片側の紙が少し浮いていると、引っかかることがありました。しばらく放置していたのですが、最後、きちんと仕上げようと思い、下の写真のようにコンデンサーだけは逆側に付けました。

路面とフォトインタラプタの距離については6mmが最も感度が高いようですが、私の場合、ちょうどいいスペーサーがなかったため8mmぐらいになっています。RPR-220のデータシートを見ると、6~8mmはほぼ100%の感度であり、ほとんど問題ないと思います。実際、8mmでも黒い部分と白い部分をきちんと識別できています。上の写真では真ん中のセンサーが黒いライン上にあり、両脇のセンサーが白い部分の上になっており、その場合、上にあるLED二つが点灯するようになっています。よく見ると、紫色っぽい光が紙に反射していることが分かります。

当初、フォトインタラプタで白か黒かを取得する間だけ、MOSFETによりセンサーをオンにしようと思いましたが、オンにしてから約1~2msec待たないとセンサーがうまく反応してくれないことが分かりました。実際、ライントレースカーを走らせると分かりますが、1~2msec間隔で白黒を検知し、モーターを制御していると反応が遅くなるため、今のところ、常にスイッチをオンにしています。センサー取得の間隔は5msecぐらいにして、モーター制御だけは短い間隔で行うようにすれば、オンオフによる低消費電力化がうまくできるかもしれません。


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