Paar IR-LED Sender und Empfänger, 5mm, 940nm, transparentes und schwarzes Gehäuse

In diesem Tutorial nehmen wir das 5-mm-IR-LED-Paar in Betrieb, bestehend aus einem IR-Sender mit transparentem Gehäuse und einem Empfänger mit schwarzem Gehäuse. Die Bauteile haben keinen eigenen Controller, deshalb verwenden wir sie zusammen mit einem Mikrocontroller. Wir arbeiten mit einem Arduino Uno R3, der über das USB-Kabel vom Computer versorgt wird, denn das Board hat alles, was wir brauchen: einen digitalen Ausgang, einen analogen Eingang und 5 V.

Das Paar wird eingesetzt für Objektsensoren per Reflexion, Lichtschranken, Stückzähler, Linienerkennung für Roboter und einfache Näherungssensoren. Der Empfänger misst nur die Intensität des IR-Lichts und dekodiert keine Fernbedienungscodes.

So funktioniert es:

Der Emitter ist eine Diode, die infrarotes Licht mit einer Wellenlänge von 940 nm erzeugt. Das Licht ist mit dem bloßen Auge nicht sichtbar, aber eine Handykamera kann es als schwaches violettes Licht darstellen. Der Empfänger ist eine Fotodiode für dieselbe Wellenlänge. Sie wird in Sperrrichtung betrieben, also mit der Kathode an 5 V. Je mehr IR-Licht sie empfängt, desto größer ist der Strom, der durch sie fließt.

Der Strom des Empfängers fließt über einen Widerstand von 10 kOhm nach GND, und der Spannungsabfall am Widerstand wird am analogen Eingang A0 gelesen. Die Beziehung lautet U = I x R. Zum Beispiel erzeugt ein Strom von 10 uA an 10 kOhm eine Spannung von 0,1 V. Der Analog-Digital-Wandler des Arduino Uno hat 10 Bit und teilt 5 V daher in 1024 Stufen von etwa 4,88 mV. Ohne IR-Licht bleibt der Messwert nahe 0, bei starkem Licht steigt er Richtung 1023.

Der Emitter hat eine typische Flussspannung von 1,3 - 1,5 V und einen typischen Betriebsstrom von 20 mA. Ohne Widerstand würde der Strom unkontrolliert steigen und die Diode sowie den Pin des Boards zerstören. Mit einem Widerstand von 220 Ohm berechnen wir: (5 V - 1,3 V) / 220 Ohm, also etwa 17 mA. Der Wert bleibt unter 20 mA, deshalb sind sowohl die Diode als auch der Pin D3 des Boards sicher.

Auch das Umgebungslicht enthält Infrarot, etwa von der Sonne und von Glühlampen. Aus diesem Grund liest das Programm A0 zweimal, einmal mit ausgeschaltetem Emitter und einmal mit eingeschaltetem Emitter, und verwendet die Differenz. So wird das Raumlicht abgezogen, und es bleibt nur das vom LED emittierte und vom Objekt reflektierte Licht übrig.

Anschluss:

Versorgen Sie das Arduino Uno Board nur über das USB-Kabel. Die Schaltung nutzt 5 V und 5-V-Logik, daher ist kein Pegelwandler nötig. Zwei Widerstände vervollständigen die Schaltung: R1 mit 220 Ohm für den Emitter und R2 mit 10 kOhm für den Empfänger. Bei beiden Dioden ist das lange Bein die Anode, das kurze Bein die Kathode. Am Gehäuse markiert die abgeflachte Seite des Randes die Kathode.

Verbinden Sie den Emitter niemals direkt mit 5 V oder mit D3 ohne Widerstand R1. Wenn auf dem Breadboard nur ein GND-Pin frei ist, können die beiden Widerstände dieselbe Masseleitung nutzen.

Richten Sie Emitter und Empfänger in dieselbe Richtung aus, nebeneinander, mit einem Abstand von 5 - 10 mm zueinander. In dieser Position sieht der Empfänger das Licht, das von einem Objekt vor ihnen reflektiert wird. Für eine Lichtschranke stellen Sie die beiden Dioden einander gegenüber, und ein Objekt, das zwischen ihnen hindurchgeht, verringert den Messwert.

Board und Bibliotheken:

Wählen Sie in der Arduino IDE Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno. Das Paket Arduino AVR Boards ist bereits mit der Arduino IDE installiert, daher muss unter File > Preferences keine Adresse eingetragen werden.

Das Programm verwendet nur die Grundfunktionen von Arduino (pinMode, digitalWrite, analogRead, delay und Serial), daher muss keine Bibliothek installiert werden.

Der Code:

Das Programm misst das IR-Licht bei ausgeschaltetem und eingeschaltetem Emitter, berechnet die Differenz, entscheidet, ob ein Objekt Licht reflektiert, und gibt das Ergebnis im seriellen Monitor aus.

/*
  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
}

So funktioniert der Code:

Zu Beginn definieren wir die Pins und Parameter. EMITTER_PIN ist 3 und steuert den Emitter, RECEIVER_PIN ist A0 und liest den Empfänger. SAMPLES legt fest, wie viele Messwerte bei jeder Messung gemittelt werden, und DETECT_THRESHOLD ist die minimale Differenz in Stufen des Wandlers, ab der wir ein Objekt melden.

Die Funktion readAverage() liest A0 SAMPLES-mal aus, addiert die Werte in einer Variablen vom Typ long und gibt den Mittelwert zurück. Die Mittelung reduziert das Rauschen der Messung, und die kurze Pause von 200 Mikrosekunden zwischen den Messungen lässt den Wandler sich stabilisieren.

In setup() starten wir den seriellen Monitor mit 9600 Baud, setzen EMITTER_PIN als Ausgang und schalten ihn im Zustand LOW, also mit ausgeschaltetem Emitter, ein. Danach senden wir eine Startmeldung.

In loop() messen wir zuerst das Umgebungslicht bei ausgeschaltetem Emitter und speichern den Wert in ambient. Dann schalten wir den Emitter ein, warten 2 ms und messen erneut, der Wert landet in lit. Anschließend schalten wir den Emitter aus und berechnen difference = lit - ambient. Ist das Ergebnis negativ, setzen wir es auf 0. Ist difference mindestens DETECT_THRESHOLD, geben wir aus, dass das Objekt erkannt wurde. Zum Schluss warten wir 300 ms bis zur nächsten Messung.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor in der Arduino IDE mit 9600 Baud. In jeder Zeile sehen Sie den Messwert bei ausgeschaltetem Emitter, den Messwert bei eingeschaltetem Emitter, die Differenz und den Status des Objekts. Ohne Objekt vor dem Paar bleibt die Differenz klein. Wenn Sie eine Hand oder ein weißes Blatt Papier auf wenige Zentimeter nähern, wächst die Differenz stark, und das Programm meldet das Objekt.

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

Häufige Probleme:

Die Messwerte bleiben bei 0 und die Differenz ändert sich nicht. Die übliche Ursache ist ein verpolter Empfänger oder eine fehlende Verbindung zwischen A0 und seiner Anode. Prüfen Sie, ob das kurze Bein des Empfängers an 5V liegt und das lange Bein an A0 und am Widerstand R2 mit 10 kOhm nach GND.

Der Emitter ist auf dem Handy-Display nicht eingeschaltet zu sehen. Prüfen Sie, ob die Anode, also das lange Bein, an D3 liegt und ob R1 die Kathode mit GND verbindet. Manche Handys haben einen IR-Filter an der Hauptkamera, versuchen Sie es deshalb auch mit der Frontkamera.

Die Differenz ist auch mit einem Objekt davor klein. Die beiden Dioden sind nicht in dieselbe Richtung ausgerichtet, oder das Objekt ist zu weit entfernt oder zu dunkel. Schwarze Oberflächen absorbieren IR-Licht, weiße und glänzende reflektieren es gut. Nähern Sie das Objekt an und prüfen Sie den Abstand von 5 - 10 mm zwischen den Dioden.

Die Werte liegen nahe 1023 und ändern sich nicht mehr. Der Empfänger bekommt starkes IR-Licht, etwa von der Sonne oder einer Glühlampe. Stellen Sie den Aufbau in den Schatten oder bedecken Sie den Empfänger mit einem kurzen schwarzen Röhrchen, das nur die Richtung zum Objekt freilässt.

Die Messwerte springen stark von einer Messung zur nächsten. Prüfen Sie die Kontakte auf dem Breadboard und die gemeinsame Masse der beiden Widerstände, dann erhöhen Sie den Wert SAMPLES im Code für eine bessere Mittelung.

Grenzen und Tipps:

Mit einem Emitter, der mit etwa 17 mA betrieben wird, liegt die Erkennungsreichweite bei der Reflexion im Bereich von Zentimetern und hängt stark von Farbe und Oberfläche des Objekts ab. Für größere Abstände verwenden Sie eine Lichtschranke mit den Dioden einander gegenüber. Der Empfänger filtert das Umgebungs-IR nicht heraus, deshalb ist die Methode mit der Differenz zwischen Messung mit eingeschaltetem und ausgeschaltetem Emitter wichtig.

Das Paar dekodiert keine Fernbedienungssignale, weil es keinen Demodulator hat. Für eine Lichtschranke oder einen Linienerkenner können Sie DETECT_THRESHOLD an Abstand und verwendete Oberfläche anpassen. Mit denselben Bauteilen können Sie einen Objektzähler, einen Linienerkenner für einen Roboter oder einen Näherungssensor bauen.