Pereche LED IR emisie si receptie, 5mm, 940nm, corp transparent si negru

In acest tutorial punem in functiune perechea de LED-uri IR de 5 mm, formata dintr-un emitator infrarosu cu corp transparent si un receptor cu corp negru. Componentele nu au controller propriu, deci le folosim impreuna cu un microcontroler. Lucram cu Arduino Uno R3, alimentat prin cablul USB de la calculator, pentru ca placa are tot ce ne trebuie: iesire digitala, intrare analogica si 5 V.

Perechea se foloseste la senzori de obiecte prin reflexie, la bariere optice, la numaratoare de piese, la detectoare de linie pentru roboti si la senzori de proximitate simpli. Receptorul masoara doar intensitatea luminii IR, nu decodeaza coduri de telecomanda.

Cum functioneaza:

Emitatorul este o dioda care produce lumina infrarosie cu lungimea de unda de 940 nm. Lumina nu se vede cu ochiul liber, dar o camera de telefon o poate arata ca o lumina violeta slaba. Receptorul este o fotodioda pentru aceeasi lungime de unda. Se conecteaza in polarizare inversa, adica cu catodul la 5 V. Cu cat primeste mai multa lumina IR, cu atat prin ea trece un curent mai mare.

Curentul receptorului trece printr-o rezistenta de 10 kohmi spre GND, iar caderea de tensiune pe rezistenta este citita de intrarea analogica A0. Relatia este U = I x R. De exemplu, un curent de 10 uA produce 0.1 V pe 10 kohmi. Convertorul analog-digital al placii Arduino Uno are 10 biti, deci imparte 5 V in 1024 de trepte de aproximativ 4.88 mV. Fara lumina IR, citirea ramane aproape de 0, iar cu lumina puternica ea creste spre 1023.

Emitatorul are tensiunea directa tipica de 1.3 - 1.5 V si curentul de lucru tipic de 20 mA. Fara rezistenta, curentul ar creste necontrolat si ar distruge dioda si pinul placii. Cu rezistenta de 220 ohmi calculam: (5 V - 1.3 V) / 220 ohmi, adica aproximativ 17 mA. Valoarea ramane sub 20 mA, deci si dioda, si pinul D3 al placii sunt in siguranta.

Lumina ambientala contine si ea infrarosu, de la soare si de la becurile cu incandescenta. Din acest motiv programul citeste A0 de doua ori, o data cu emitatorul stins si o data cu emitatorul aprins, si foloseste diferenta. Astfel lumina din camera se scade si ramane doar lumina emisa de LED si reflectata de obiect.

Conectare:

Alimentati placa Arduino Uno doar prin cablul USB. Montajul foloseste 5 V si logica la 5 V, deci nu este nevoie de convertor de nivel. Doua rezistente completeaza circuitul: R1 de 220 ohmi pentru emitator si R2 de 10 kohmi pentru receptor. La ambele diode piciorul lung este anodul, iar piciorul scurt este catodul. Pe corp, partea plata a marginii marcheaza catodul.

Nu conectati niciodata emitatorul direct la 5 V sau la D3 fara rezistenta R1. Daca exista un singur pin GND liber pe breadboard, cele doua rezistente pot folosi aceeasi linie de masa.

Orientati emitatorul si receptorul in aceeasi directie, alaturi, la o distanta de 5 - 10 mm intre ele. In aceasta pozitie receptorul vede lumina reflectata de un obiect aflat in fata lor. Pentru o bariera optica asezati cele doua diode una in fata celeilalte, iar un obiect care trece printre ele va reduce citirea.

Placa si biblioteci:

In Arduino IDE selectati Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno. Pachetul Arduino AVR Boards vine instalat odata cu Arduino IDE, deci nu trebuie adaugata nicio adresa in File > Preferences.

Programul foloseste doar functiile de baza ale Arduino (pinMode, digitalWrite, analogRead, delay si Serial), deci nu trebuie instalata nicio biblioteca.

Codul:

Programul masoara lumina IR cu emitatorul stins si aprins, calculeaza diferenta, decide daca un obiect reflecta lumina si afiseaza rezultatul pe monitorul serial.

/*
  IR emitter and receiver pair, reflection and light barrier test
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno)
  Board package: Arduino AVR Boards (comes with the Arduino IDE)
  Libraries: none, the program uses only the core Arduino functions
  Wiring:
    D3  -> IR emitter anode (long leg)
    IR emitter cathode (short leg) -> R1 220 ohm -> GND
    5V  -> IR receiver cathode (short leg)
    A0  -> IR receiver anode (long leg) and R2 10 kohm
    R2 10 kohm other end -> GND
*/
const int EMITTER_PIN = 3;         // Digital pin that drives the IR emitter
const int RECEIVER_PIN = A0;       // Analog pin that reads the IR receiver
const int SAMPLES = 8;             // Number of readings averaged per measurement
const int DETECT_THRESHOLD = 30;   // Minimum difference (ADC counts) to report an object
// Read the receiver several times and return the average value
int readAverage() {
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
    sum += analogRead(RECEIVER_PIN);  // One ADC reading, 0 to 1023
    delayMicroseconds(200);           // Short pause between readings
  }
  return (int)(sum / SAMPLES);
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);                 // Start the serial monitor at 9600 baud
  pinMode(EMITTER_PIN, OUTPUT);       // The emitter pin is an output
  digitalWrite(EMITTER_PIN, LOW);     // Start with the emitter off
  Serial.println("IR pair test started");
}
void loop() {
  // Measure the ambient infrared light with the emitter off
  digitalWrite(EMITTER_PIN, LOW);
  delay(2);                           // Let the signal settle
  int ambient = readAverage();
  // Measure again with the emitter on
  digitalWrite(EMITTER_PIN, HIGH);
  delay(2);                           // Let the signal settle
  int lit = readAverage();
  // Turn the emitter off between measurements
  digitalWrite(EMITTER_PIN, LOW);
  // The difference removes the ambient light
  int difference = lit - ambient;
  if (difference < 0) {
    difference = 0;                   // Ignore negative noise
  }
  Serial.print("Emitter off: ");
  Serial.print(ambient);
  Serial.print("  Emitter on: ");
  Serial.print(lit);
  Serial.print("  Difference: ");
  Serial.print(difference);
  Serial.print("  Object: ");
  if (difference >= DETECT_THRESHOLD) {
    Serial.println("YES");
  } else {
    Serial.println("NO");
  }
  delay(300);                         // Wait between measurements
}

Cum functioneaza codul:

La inceput definim pinii si parametrii. EMITTER_PIN este 3 si comanda emitatorul, RECEIVER_PIN este A0 si citeste receptorul. SAMPLES stabileste cate citiri se mediaza la fiecare masurare, iar DETECT_THRESHOLD este diferenta minima, in trepte ale convertorului, de la care raportam un obiect.

Functia readAverage() citeste A0 de SAMPLES ori, aduna valorile intr-o variabila de tip long si returneaza media. Mediarea reduce zgomotul citirii, iar pauza scurta de 200 de microsecunde dintre citiri lasa convertorul sa se stabilizeze.

In setup() pornim monitorul serial la 9600 baud, setam EMITTER_PIN ca iesire si il pornim in starea LOW, adica cu emitatorul stins. Apoi trimitem un mesaj de start.

In loop() masuram intai lumina ambientala cu emitatorul stins si pastram valoarea in ambient. Apoi aprindem emitatorul, asteptam 2 ms si masuram din nou, iar valoarea ajunge in lit. Stingem emitatorul si calculam difference = lit - ambient. Daca rezultatul este negativ, il fortam la 0. Daca difference este cel putin DETECT_THRESHOLD, afisam ca obiectul este detectat. La final asteptam 300 ms pana la urmatoarea masurare.

Rezultat:

Deschideti monitorul serial din Arduino IDE la viteza de 9600 baud. Pe fiecare rand vedeti citirea cu emitatorul stins, citirea cu emitatorul aprins, diferenta si starea obiectului. Fara obiect in fata perechii, diferenta ramane mica. Cand apropiati o mana sau o foaie alba la cativa centimetri, diferenta creste mult si programul raporteaza obiectul.

IR pair test started
Emitter off: 11  Emitter on: 13  Difference: 2  Object: NO
Emitter off: 11  Emitter on: 14  Difference: 3  Object: NO
Emitter off: 12  Emitter on: 96  Difference: 84  Object: YES
Emitter off: 12  Emitter on: 241  Difference: 229  Object: YES
Emitter off: 11  Emitter on: 188  Difference: 177  Object: YES
Emitter off: 11  Emitter on: 15  Difference: 4  Object: NO
Emitter off: 12  Emitter on: 14  Difference: 2  Object: NO

Probleme frecvente:

Citirile raman la 0 si diferenta nu se schimba. Cauza obisnuita este receptorul conectat invers sau lipsa legaturii dintre A0 si anodul lui. Verificati ca piciorul scurt al receptorului este la 5V, iar piciorul lung la A0 si la rezistenta R2 de 10 kohmi spre GND.

Emitatorul nu apare aprins pe camera telefonului. Verificati ca anodul, adica piciorul lung, este la D3 si ca R1 duce catodul la GND. Unele telefoane au filtru IR la camera principala, asa ca incercati si camera frontala.

Diferenta este mica chiar cu un obiect in fata. Cele doua diode nu sunt orientate in aceeasi directie sau obiectul este prea departe sau prea inchis la culoare. Suprafetele negre absorb lumina IR, iar cele albe si lucioase o reflecta bine. Apropiati obiectul si verificati distanta de 5 - 10 mm dintre diode.

Valorile sunt apropiate de 1023 si nu mai variaza. Receptorul primeste lumina IR puternica, de exemplu de la soare sau de la un bec cu incandescenta. Mutati montajul la umbra sau acoperiti receptorul cu un tub scurt negru care sa lase liber doar directia spre obiect.

Citirile sar mult de la o masurare la alta. Verificati contactele de pe breadboard si masa comuna a celor doua rezistente, apoi cresteti valoarea SAMPLES din cod pentru o mediere mai buna.

Limitari si sfaturi:

Cu un emitator alimentat la aproximativ 17 mA, distanta de detectie prin reflexie este de ordinul centimetrilor si depinde mult de culoarea si de suprafata obiectului. Pentru distante mai mari folositi bariera optica, cu diodele fata in fata. Receptorul nu filtreaza lumina IR ambientala, de aceea metoda cu diferenta intre citirea cu emitatorul aprins si cea cu emitatorul stins este importanta.

Perechea nu decodeaza semnale de telecomanda, deoarece nu are demodulator. Pentru o bariera optica sau un detector de linie puteti ajusta DETECT_THRESHOLD dupa distanta si suprafata folosite. Cu aceleasi componente puteti construi un numarator de obiecte, un detector de linie pentru un robot sau un senzor de proximitate.