Czujnik zbliżeniowy IR (3)

W dwóch poprzednich odcinkach zbudowaliśmy prosty sensor zbliżeniowy, który zapalał diodę LED lub żarówkę po wykryciu światła podczerwonego, które zostało wyemitowane przez diodę IR, odbite od jakiejś powierzchni i odebrane przez fototranzystor. Problem jednak był taki, że fototranzystor reagował także na światło IR pochodzące z innych źródeł niż dioda IR naszego układu, np. lampa biurkowa czy słońce. W tym odcinku rozwiążemy ten problem.

Zastanówmy się, jaką cechę mają wszystkie niepożądane źródła podczerwieni, jakie występują w naszym środowisku. Mogą być słabe lub silne, mogą być daleko lub blisko. Wspólną cechą każdego z nich, że emitowane przez nie promieniowanie IR jest ciągłe. Nasze dotychczasowe układy również emitowały ciągłe światło IR, a fototranzystor oczekiwał ciągłego oświetlenia. Jeśli będziemy emitować sygnał świetlny o pewnych konkretnych parametrach (np. częstotliwość), a odbiornik będzie reagował tylko na taki sygnał, wówczas pozbędziemy się problemu światła z otoczenia.

Odbiornik

W naszym układzie wykorzystamy popularny układ TSOP31236. Jest on de facto odbiornikiem podczerwieni skonstruowany dla pilotów RTV, jednak jego niska cena i uniwersalność sprawiają, że znajduje on więcej zastosowań. 

Poniżej przedstawiam pinout tego układu, który jest w dość nietypowej obudowie. Składa się z fotodiody, filtra środkowoprzepustowego oraz prostego układu wyjściowego. Moglibyśmy te elementy skonstruować sami przy pomocy wzmacniaczy operacyjnych, gdyż nie jest to żadna wielka technika. Zwróć uwagę na przykładowy schemat, zamieszczony w prawym dolnym rogu poniższej ilustracji. Widzimy tam rezystor R1 oraz kondensator C1 wraz z adnotacją, że te elementy służą do zabezpieczenia układu TSOP31236 przed chwilowymi przepięciami (EOS, Electrical oversteress). Dla wygody w naszym układzie pominiemy te elementy, ponieważ w przypadku zasilania bateryjnego najmniejszego sensu by nie miały.

Działanie układu polega na tym, że wykrywa on błyski światła podczerwonego pojawiające się z częstotliwością 36kHz. Wbudowane filtry powodują, że układ jest nieczuły na inne częstotliwości. W momencie wykrycia właściwego sygnału IR, otwiera się tranzystor widoczny na schemacie poniżej. Po otwarcie tego tranzystora, prąd może wpłynąć do pinu OUT i przepływa dalej do masy GND. Jeżeli układ nie wykrywa sygnału IR, wtedy tranzystor jest zamknięty, a na pinie OUT pojawia się napięcie równe napięciu zasilania, ponieważ jest on połączony do Vcc przez rezystor 30k. Wynika z tego ważny wniosek - większy prąd może wpłynąć do pinu OUT niż z niego wypłynąć. Jak sobie na szybko policzymy z prawa Ohma I = U / R = 5V / 30k = 166uA. Czyli możemy pobrać z pinu out zaledwie 166uA, kiedy układ nie widzi podczerwieni. A kiedy widzi podczerwień? Maksymalny prąd musimy odczytać z datasheetu układu - jest to 5mA.

Po zmontowaniu na płytce stykowej, nasz odbiornik powinien wyglądać w ten sposób. Aby zademonstrować czułość układu, zbudował trzy identyczne odbiorniki.

Nadajnik

Musimy jeszcze skonstruować nadajnik, który będzie nadawał odpowiedni sygnał IR, tzn. będzie o odpowiedni sposób mrugał diodą podczerwoną. Możliwości jest wiele, a my wykorzystamy tani i popularny układ NE555. Ten układ generuje sygnał prostokątny o częstotliwości i wypełnieniu zależnym od kilku rezystorów i kondensatora. Jeżeli nie masz pod ręką dokładnie takich elementów, jakie pokazałem na schemacie, możesz spróbować użyć innych, byle tylko uzyskać sygnał jak najbardziej zbliżony do częstotliwości 36kHz i wypełnienia 50%.

Rzućmy okiem na schemat:

Po zmontowaniu na płytce stykowej, układ powinien wyglądać mniej więcej w ten sposób:

Natomiast całość prezentuje się następująco:

Testujemy układ

Po pierwszych próbach stwierdzamy, że udało się wyeliminować wpływ podczerwieni z innych źródeł. Nie powinien zareagować nawet o bezpośrednim przyłożeniu układu do lampy halogenowej. Dodatkowo zauważyć można, że zasięg działania naszego czujnika jest zdecydowanie większy niż w poprzednich. Dzieje się tak dlatego, że wykrywamy tutaj błyskanie diody podczerwonej o konkretnej częstotliwości. Wbudowane filtry układu TSOP31236 są w stanie wychwycić taki sygnał bardzo skutecznie.

Kolejna różnica między tym, a poprzednimi układami jest taka, że wyjście TSOP31236 działa dwustanowo. Odbiornik albo widzi sygnał, albo nie widzi sygnału. Objawia się to tym, że dioda świeci pełną jasnością lub nie świeci wcale. Stany pośrednie nie występują.

Może się okazać, że TSOP31236 cały czas widzi podczerwień z mrugającej diody IR. W takiej sytuacji pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem wstaw kawałek tekturki, aby te elementy nie widziały się wzajemnie. 

Pamiętaj, że wydajność prądowa pinu OUT odbiornika TSOP31236 to zaledwie 5mA. Jeśli potrzebujesz sterować większym prądem, możesz wzmocnić układem Sziklai'ego z tranzystorem PNP, w podobny sposób jak to zrobiliśmy w drugiej części naszego kursu.