CHƯƠNG III. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.6 Cảm biến vật cản hồng ngoại
Cảm biến là một thiết bị điện tử đo đạc và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh. Sẵn tiện chúng ta cùng tìm hiểu đôi chút về lịch sử.
Năm 1800, bức xạ hồng ngoại đã vô tình được phát hiện bởi một nhà thiên văn học tên là William Herchel. Trong khi đang đo nhiệt độ của từng màu trong dãy ánh sáng (tách dãy bằng lăng kính). Tình cờ ông nhận thấy một khoảng nhiệt cao hơn ánh sáng đỏ mà ông đo được.
Nguồn năng lượng này vô hình đối với mắt người. Và rồi ông đặt tên cho vùng năng lượng vô hình này là tia hoặc sóng hồng ngoại (Infrared Radio)
Nguyên lý làm việc đằng sau các cảm biến hồng ngoại được quy định bởi
ba định luật vật lý:
Định luật Planck: Mọi vật ở nhiệt độ T không bằng 0 độ Kelvin đều phát ra bức xạ.
Hình 3. 25 Định luật Plank
Trong đó:
B ký hiệu của cường độ bức xạ (spectral radiance),
T là nhiệt độ tuyệt đối
kB là hằng số Boltzmann
h là hằng số Planck
c là tốc độ ánh sáng trong môi trường hoặc trong chân không
Định luật Stephan Boltzmann: Tổng năng lượng phát ra ở mọi bước sóng bởi một vật đen có liên quan đến nhiệt độ tuyệt đối.
Với vật đen tuyệt đối
RT=𝛔T4 Với vật xám:
RT=𝛔ε T4 Trong đó:
RT là năng suất phát xạ toàn phần
𝛔 là hằng số Stefan-boltzmann
ε là hệ số phát xạ (<=1)
T là nhiệt độ tuyệt đối
Định luật dịch chuyển Wein: Các vật thể có nhiệt độ khác nhau phát ra quang phổ đạt cực đại ở các bước sóng khác nhau.
max
b
T
Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối đo bằng kelvin. b là hằng số tỷ lệ được gọi
là hằng số dịch chuyển Wien, bằng 2,897771955...×10−3 m⋅K, hoặc để thu được bước sóng tính bằng micromet, b ≈ 2898 μmm⋅K.
Có hai loại cảm biến hồng ngoại: chủ động (active) và thụ động (Passive).
Cả 2 loại được ứng dụng rộng rãi. Trước khi đến với ứng dụng, hãy tìm hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến trước.
Cảm biến hồng ngoại chủ động (AIR)
Cảm biến gồm hai phần là diode phát ánh sáng (LED) và cảm biến thu. Nó vừa phát tín hiệu hồng ngoại vừa thu lại tín hiệu.
Nguyên lý hoạt động cửa AIR: Khi một vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED sẽ phản xạ lại từ vật thể. Bộ thu nhận diện được và phát tín hiệu đã phát hiện vật thể. Cảm biến hồng ngoại hoạt động đóng vai trò
là cảm biến tiệm cận và chúng thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật (như trong robot).
Cảm biến hồng ngoại thụ động (Pir):
Cảm biến chỉ có một cảm biến phát hiện bức xạ hồng ngoại và không phát
IR từ đèn LED.
Cảm biến hồng ngoại thụ động bao gồm:
Hai dải vật liệu nhiệt điện (một cảm biến nhiệt điện).
Một bộ lọc hồng ngoại (chặn tất cả các bước sóng ánh sáng khác).
Một thấu kính fresnel (thu thập ánh sáng từ nhiều góc độ vào một điểm).
Vỏ bọc bảo vệ (để bảo vệ cảm biến khỏi tác động từ môi trường như độ
ẩm, bụi bặm)
Nguyên lý hoạt động của PIR: Do nó chỉ có chức năng dò hồng ngoại. Khi
có những bức xạ hồng ngoại trong phạm vi cảm biến. Cơ thể con người và động vật luôn phát ra hồng ngoại. Qua đó loại cảm biến này thường dùng để phát hiện chuyển động của con người.
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK Adjustable IR Infrared Proximity Sensor là loại chất lượng tốt với độ bền và độ ổn định cao, cảm biến
sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định vật cản phía trước cảm biến, cảm biến phát ra tia hống ngoại với dải tần số chuyên biệt cho khả năng chống nhiễu tốt kể cả ở điều khiện ánh sáng ngoài trời.
Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK Adjustable IR Infrared Proximity Sensor có thể chỉnh khoảng cách mong muốn thông qua biến trở trên cảm biến, cảm biến có ngõ ra là cấu trúc Transistor NPN (sinking sensors) đã được nối điện trở nội 10k lên VCC nên có thể sử dụng ngay mà không cần trở kéo lên VCC.
Hình 3. 26 Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK
Thông số kỹ thuật:
Model: E18-D80NK
Dạng đóng ngắt: Thường mở (NO - Normally Open)
Số dây tín hiệu: 3 dây (2 dây cấp nguồn DC và 1 dây tín hiệu).
Nguồn điện cung cấp: 5VDC.
Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 80cm.
Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở.
Dòng kích ngõ ra: 300mA.
Chân tín hiệu ngõ ra: dạng Transistor NPN đã được kéo nội trở 10k lên VCC, khi có vật cản sẽ xuất ra mức thấp (Low-GND), khi không
có vật cản sẽ ở mức cao (High-VCC).
Chất liệu sản phẩm: nhựa.
Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.
Kích thước: 18 x 45mm
Sơ đồ chân:
Màu nâu: VCC, nguồn dương 5VDC.
Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC
Màu đen: Chân tín hiệu cấu trúc Transistor NPN đã kéo trở nội 10k lên VCC.
Lưu ý: Tín hiệu ra có dòng rất nhỏ nên KHÔNG ĐƯỢC kích trực tiếp vào relay (rơ le) sẽ gây CHÁY cảm biến, có thể tham khảo các Module relay đã được thiết kế bảo vệ.
Kết nối cảm biến:
Vì cảm biến đã được kéo trở nội 10k lên VCC nên điện áp mức cao của chân tín hiệu (Vout) của cảm biến cũng chính là điện áp VCC, có hai trường hợp như sau:
Nếu mạch cần giao tiếp sử dụng mức tín hiệu có điện áp bằng với điện áp VCC của cảm biến (Ví dụ cảm biến và Arduino cùng cấp nguồn chung là VCC=5VDC, điện áp giao tiếp của Arduino cũng là 5VDC và Vout của cảm biến cũng là 5VDC) thì không cần nối trở Rx mà nối trực tiếp chân tín hiệu của cảm biến với chân tín hiệu của Arduino.
Nếu mạch cần giao tiếp sử dụng mức tín hiệu có điện áp khác với điện áp VCC của cảm biến (Ví dụ cảm biến cấp VCC=10VDC, điện áp giao tiếp của Arduino=5VDC) thì cần nối thêm trở Rx như hình dưới để giá trị của Vout=5VDC không làm cháy mạch Arduino, giá trị của Rx được tính theo công thức cầu phân áp là: Rx= (Vout*R1) / (VCC-Vout) = (5*10) / (10-5) = 10k.
Hình 3. 27 cấu trúc mạch cảm biến E18-D80NK