Pereche LED IR emisie și recepție, 5mm, 940nm, corp transparent și negru

Ebben a bemutatóban az 5 mm-es IR LED-párt helyezzük üzembe, amely egy átlátszó tokozású infravörös adóból és egy fekete tokozású vevőből áll. Az alkatrészeknek nincs saját vezérlőjük, ezért mikrokontrollerrel együtt használjuk őket. Arduino Uno R3-mal dolgozunk, amelyet a számítógép USB-kábelén keresztül táplálunk, mert a kártya mindent megad, amire szükségünk van: digitális kimenetet, analóg bemenetet és 5 V-ot.

A párt tárgyérzékelésre reflexiós módban, fénysorompókhoz, alkatrészszámláló berendezésekhez, robotok vonaldetektoraihoz és egyszerű közelségérzékelőkhöz használjuk. A vevő csak az IR fény intenzitását méri, távirányítói kódokat nem dekódol.

Működése:

Az adó egy dióda, amely 940 nm hullámhosszúságú infravörös fényt bocsát ki. Ez a fény szabad szemmel nem látható, de egy telefon kamerája halvány lila fényként jeleníti meg. A vevő ugyanarra a hullámhosszra érzékeny fotodióda. Fordított előfeszítéssel kötjük be, vagyis a katódot 5 V-ra kötjük. Minél több IR fényt kap, annál nagyobb áram folyik rajta keresztül.

A vevő árama egy 10 kohm-os ellenálláson keresztül folyik GND felé, az ellenálláson eső feszültséget pedig az A0 analóg bemenet méri. A összefüggés: U = I x R. Például 10 uA áram 0.1 V feszültséget hoz létre 10 kohm-on. Az Arduino Uno analóg-digitális átalakítója 10 bites, tehát az 5 V-ot 1024 lépésre osztja, kb. 4.88 mV-onként. IR fény nélkül az érték közel 0 marad, erős IR fénynél pedig 1023 felé emelkedik.

Az adó tipikus nyitófeszültsége 1.3 - 1.5 V, tipikus munkaárama 20 mA. Ellenállás nélkül az áram szabályozatlanul nőne, és tönkretenné a diódát és a kártya lábát. A 220 ohm-os ellenállással számolva: (5 V - 1.3 V) / 220 ohm, ami körülbelül 17 mA. Az érték 20 mA alatt marad, így a dióda és a D3 láb is biztonságban van.

A környezeti fény is tartalmaz infravörös részt, a napfényből és az izzólámpákból. Ezért a program kétszer olvassa az A0 bemenetet: egyszer az adó kikapcsolt, egyszer bekapcsolt állapotban, és a különbséget használja. Így a szoba fénye kivonódik, és csak a LED által kibocsátott, a tárgyról visszaverődő fény marad.

Csatlakoztatás:

Az Arduino Uno kártyát kizárólag az USB-kábelen keresztül táplálja. Az áramkör 5 V-ot és 5 V-os logikát használ, ezért nincs szükség szintillesztőre. Két ellenállás egészíti ki a kapcsolást: R1, 220 ohm az adóhoz, és R2, 10 kohm a vevőhöz. Mindkét diódánál a hosszú láb az anód, a rövid láb a katód. A testen a lapos oldal jelzi a katódot.

Soha ne kösse az adót közvetlenül 5 V-ra vagy a D3 lábra R1 ellenállás nélkül. Ha a próbapanelen csak egy szabad GND csatlakozó van, a két ellenállás használhatja ugyanazt a földvezetéket.

Az adót és a vevőt egymás mellett, ugyanabba az irányba állítsa be, 5 - 10 mm távolságra egymástól. Ebben a helyzetben a vevő az elé helyezett tárgyról visszavert fényt látja. Fénysorompóhoz a két diódát egymással szemben helyezze el, és a köztük áthaladó tárgy csökkenti az értéket.

Kártya és könyvtárak:

Az Arduino IDE-ben válassza a Tools > Board > Arduino AVR Boards > Arduino Uno menüpontot. Az Arduino AVR Boards csomag az Arduino IDE-vel együtt települ, ezért a File > Preferences menüben nem kell címet megadni.

A program csak az Arduino alapfunkcióit használja (pinMode, digitalWrite, analogRead, delay és Serial), ezért nem kell könyvtárat telepíteni.

A kód:

A program az IR fényt az adó kikapcsolt és bekapcsolt állapotában méri, kiszámítja a különbséget, eldönti, hogy egy tárgy visszaveri-e a fényt, és az eredményt a soros monitoron jeleníti meg.

/*
  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
}

A kód működése:

Elsőként definiáljuk a lábakat és a paramétereket. EMITTER_PIN értéke 3, és az adót vezérli, RECEIVER_PIN értéke A0, és a vevőt olvassa. SAMPLES határozza meg, hány olvasást átlagolunk minden méréskor, DETECT_THRESHOLD pedig az a minimális különbség az átalakító lépéseiben, amelytől tárgyat jelzünk.

A readAverage() függvény SAMPLES alkalommal olvassa az A0 bemenetet, az értékeket egy long típusú változóban összegzi, és visszaadja az átlagot. Az átlagolás csökkenti a mérési zajt, az olvasások közötti 200 mikroszekundumos szünet pedig lehetővé teszi, hogy az átalakító stabilizálódjon.

A setup() függvényben 9600 baud sebességgel indítjuk a soros monitort, az EMITTER_PIN lábat kimenetként állítjuk be, és LOW állapotban indítjuk, vagyis az adó kikapcsolva marad. Ezután elküldünk egy indító üzenetet.

A loop() függvényben először a környezeti fényt mérjük az adó kikapcsolt állapotában, és az értéket az ambient változóban tároljuk. Majd bekapcsoljuk az adót, várunk 2 ms-ot, és újra mérünk, az értéket a lit változó tárolja. Kikapcsoljuk az adót, és kiszámítjuk a difference = lit - ambient értéket. Ha az eredmény negatív, 0-ra állítjuk. Ha a difference legalább DETECT_THRESHOLD, kiírjuk, hogy a tárgy érzékelve van. A végén 300 ms-ot várunk a következő mérésig.

Eredmény:

Nyissa meg az Arduino IDE soros monitorát 9600 baud sebességgel. Minden sorban látja az adó kikapcsolt állapotában mért értéket, a bekapcsolt állapotban mért értéket, a különbséget és a tárgy állapotát. Ha nincs tárgy a pár előtt, a különbség kicsi marad. Amikor néhány centiméterre tartja elé a kezét vagy egy fehér papírt, a különbség jelentősen megnő, és a program jelzi a tárgyat.

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

Gyakori problémák:

Az értékek 0-n maradnak, és a különbség nem változik. Gyakori ok, hogy a vevő fordítva van bekötve, vagy hogy hiányzik a kapcsolat az A0 és a vevő anódja között. Ellenőrizze, hogy a vevő rövid lába az 5V-on van, a hosszú láb pedig az A0-n és a 10 kohm-os R2 ellenálláson keresztül a GND felé van.

Az adó nem látszik bekapcsoltnak a telefon kamerájában. Ellenőrizze, hogy az anód, vagyis a hosszú láb a D3 lábon van, és hogy R1 a katódot a GND-hez köti. Egyes telefonok fő kamerája IR-szűrőt tartalmaz, ezért próbálja ki az elülső kamerát is.

A különbség kicsi, még tárgy előtt is. A két dióda nincs ugyanabba az irányba állítva, vagy a tárgy túl messze van, illetve túl sötét. A fekete felületek elnyelik az IR fényt, a fehér és fényes felületek jól visszaverik. Közelítse a tárgyat, és ellenőrizze a 5 - 10 mm-es távolságot a diódák között.

Az értékek közel 1023-hoz vannak, és nem változnak. A vevő erős IR fényt kap, például napfényből vagy izzólámpából. Helyezze árnyékba az egész összeállítást, vagy takarja le a vevőt egy rövid fekete csővel, amely csak a tárgy irányába enged fényt.

A mérések nagyot ugranak egyik mérésről a másikra. Ellenőrizze a próbapanel érintkezőit és a két ellenállás közös földelését, majd növelje a kódban a SAMPLES értékét a jobb átlagolás érdekében.

Korlátok és tanácsok:

Körülbelül 17 mA-es adóárammal a visszaverődéses érzékelési távolság centiméteres nagyságrendű, és erősen függ a tárgy színétől és felületétől. Nagyobb távolsághoz használjon fénysorompót, a diódákkal egymással szemben. A vevő nem szűri ki a környezeti IR fényt, ezért fontos a különbségképzés a bekapcsolt és a kikapcsolt adóval mért érték között.

A pár nem dekódol távirányítói jeleket, mert nincs benne demodulátor. Fénysorompóhoz vagy vonaldetektorhoz a DETECT_THRESHOLD értéket a használt távolsághoz és felülethez igazíthatja. Ugyanezekkel az alkatrészekkel tárgyszámlálót, robotos vonaldetektort vagy közelségérzékelőt is építhet.