Obwód czujnika podczerwieni
Komunikacja w podczerwieni, w skrócie IR, jest niedrogim i prostym sposobem bezprzewodowego przesyłania sygnałów na niewielką odległość.
Promieniowanie podczerwone ma większą długość fali niż światło widzialne i nie jest dostrzegane przez ludzkie oko. Dzięki temu może przenosić informacje bez emitowania widocznego światła.
Typowym przykładem jest pilot do telewizora lub klimatyzatora. Dioda nadawcza emituje zakodowany sygnał, a odbiornik w urządzeniu wykrywa go, demoduluje i przekazuje do układu sterującego.
Poniżej omawiamy zasadę działania nadajnika i odbiornika IR, potrzebne elementy, sposób budowy oraz najważniejsze zalety i ograniczenia tej technologii.
Zaczynamy od sposobu kodowania i odbierania sygnału.
Zasada działania obwodu odbiornika i nadajnika podczerwieni
Moduł odbiornika podczerwieni Sony
W prostym nadajniku IR generator pracuje zwykle w trybie astabilnym i wytwarza ciąg impulsów o częstotliwości 38KHz. Taka nośna odpowiada częstotliwości, na którą dostrojony jest popularny odbiornik TSOP 1738.
Obwód nadajnika Intersound HPI-5500
Dioda IR LED emituje modulowane promieniowanie podczerwone. Po naciśnięciu przycisku zostaje połączona z wyjściem nadajnika i wysyła impulsy światła o częstotliwości 38KHz.
Gdy sygnał dotrze do odbiornika IR, układ wykrywa nośną i ją demoduluje. Wyjście odbiornika ma zwykle stan wysoki, a po rozpoznaniu prawidłowego sygnału przechodzi w stan niski.
Wyjście można połączyć z tranzystorem, który wysteruje diodę LED lub inne niewielkie obciążenie, albo bezpośrednio z wejściem mikrokontrolera.
Infrared Receiver Circuits-Projekt obwodu
Projekt nadajnika trzeba dopasować do częstotliwości odbiornika. W opisywanym układzie zastosowano TSOP 1738, dlatego sygnał sterujący diodą IR powinien mieć częstotliwość około 38KHz.
Do wytworzenia nośnej wykorzystano timer 555 pracujący jako multiwibrator astabilny, czyli swobodnie działający generator. Układ generuje w przybliżeniu przebieg prostokątny 38KHz, a jego wyjście steruje diodą IR LED przez przycisk.
Wyjście odbiornika IR jest aktywne w stanie niskim. Tranzystor PNP pozwala więc tak wysterować diodę LED, aby zapalała się po wykryciu sygnału podczerwieni.
Infrared Receiver Circuits-Obwód nadajnika IR
Obwód nadajnika IR
Dr Joyanta Kumar Roy
Do zbudowania nadajnika IR potrzebne są:
Przewody połączeniowe
Układ czasowy NE555
Źródło zasilania
Kondensator ceramiczny 1nF (kod kondensatora 102)
Płytka stykowa
Rezystor 18KΩ (1/4 W)
Dioda IR LED
Rezystor 220Ω (1/4 W)
Płytka uniwersalna
Kondensator ceramiczny 10nF (kod kondensatora 103)
Rezystor 1KΩ (1/4 W)
Infrared Receiver Circuits-Kroki
Obwód można zmontować w następujący sposób:
1. Zidentyfikuj wszystkie elementy na schemacie i połącz je zgodnie z oznaczeniami.
2. Odszukaj wyprowadzenie bazy tranzystora i podłącz do niego diodę IR LED zgodnie ze schematem.
3. Do pozostałych wyprowadzeń diody podczerwieni podłącz rezystor 1KΩ zgodnie ze schematem.
4. Podłącz diodę LED i rezystor 220Ω w sposób pokazany na schemacie.
5. Dobierz rezystory i kondensatory tak, aby uzyskać częstotliwość około 38KHz. Można ją obliczyć ze wzoru: 1,44/((R1 + 2 X R2)
6. Po sprawdzeniu wszystkich połączeń podłącz zasilacz i przetestuj nadajnik IR.
Infrared Receiver Circuits-Działanie obwodu
W układzie odbiciowym promieniowanie emitowane przez diodę IR odbija się od przeszkody i dociera do detektora. Odebrana energia powoduje przepływ niewielkiego prądu w elemencie światłoczułym.
Sygnał ten wysterowuje tranzystor, który załącza diodę LED. Na tej zasadzie można zbudować na przykład automatyczne oświetlenie reagujące na zbliżenie osoby lub przedmiotu.
Obwód odbiornika podczerwieni
Do zbudowania odbiornika IR potrzebne są:
Płytka stykowa
Dioda LED
Przewody połączeniowe
TSOP 1738 (Q1)
Tranzystor PNP (5C558)
Rezystor 270Ω (1/4 W)
Źródło zasilania
Rezystor 10KΩ (1/4 W)
Schemat układu IR
Odbiorniki IR występują w wielu odmianach dostrojonych do różnych częstotliwości nośnych. Protokoły transmisji, takie jak Sony czy RC6, określają natomiast sposób kodowania danych na tej nośnej.
W tym projekcie zastosowano TSOP 1738, czyli odbiornik przeznaczony do zdalnego sterowania i dostrojony do nośnej 38KHz. Jego wyjście można podłączyć bezpośrednio do wejścia mikroprocesora lub mikrokontrolera.
TSOP 1738 ma trzy wyprowadzenia: OUT, GND i VS. Cechuje się małym poborem mocy, dobrą odpornością na światło otoczenia oraz wyjściem aktywnym w stanie niskim. Poziomy logiczne są zgodne z układami CMOS i TTL.
W jednej obudowie TSOP 1738 znajdują się fotodetektor, przedwzmacniacz, filtr pasmowy, układ automatycznej regulacji oraz demodulator. Kompletny system wymaga ponadto nadajnika IR i układu, który zinterpretuje odebrane dane, na przykład mikrokontrolera.
Jak pokazuje schemat, dioda IR LED emituje promieniowanie modulowane określoną częstotliwością. Odbiornik wykrywa tak przygotowany sygnał.
Następnie odbiornik demoduluje nośną i przekazuje przebieg cyfrowy do mikrokontrolera.
Bezpośrednie połączenie zwykle nie wymaga dodatkowego interfejsu. Kondensator i rezystor w torze zasilania pomagają natomiast ograniczyć zakłócenia, które mogłyby powodować błędny odbiór.
Infrared Receiver Circuits-Pros
Prosty układ z nadajnikiem i odbiornikiem podczerwieni jest łatwy do zbudowania.
Para nadajnik–odbiornik dobrze sprawdza się w prostych systemach zdalnego sterowania.
Układ pobiera niewiele energii.
Bezstykowa transmisja nie jest podatna na utlenianie i korozję styków.
Modulowany sygnał zapewnia dobrą odporność na zakłócenia.
Odbiornik ma wyjście aktywne w stanie niskim.
TSOP 1738 dobrze tłumi wpływ światła otoczenia.
Układ odbiciowy może wykrywać obiekty bez kontaktu.
Aktywne oświetlenie IR pozwala wykrywać obiekty również przy słabym świetle widzialnym.
Kierunkowy charakter wiązki ogranicza przypadkowe rozchodzenie się sygnału poza obszar działania.
Technologię można wykorzystać w pomiarach odległości, systemach bezpieczeństwa i czujnikach zbliżeniowych.
Cons
Typowe układy zdalnego sterowania oferują niewielką szybkość transmisji danych.
Transmisja wymaga widoczności optycznej lub skutecznego odbicia wiązki, dlatego nadajnik i odbiornik powinny być skierowane ku sobie.
Komunikacja działa na stosunkowo krótkich odległościach.
Pył, mgła, silne światło i przeszkody mogą osłabiać sygnał między nadajnikiem a odbiornikiem.
Infrared Receiver Circuits-Do aplikacji
Nadajniki i odbiorniki podczerwieni są wykorzystywane w wielu układach czujnikowych:
Czujniki temperatury, w tym bezkontaktowe pomiary w instalacjach przemysłowych.
Czujniki PIR stosowane w automatycznych systemach otwierania drzwi.
Czujniki prędkości służące do synchronizacji pracy różnych silników.
Czujniki odległości; w podobnych zastosowaniach używa się także czujników ultradźwiękowych, działających jednak na innej zasadzie.
Wprowadź się
Komunikacja w podczerwieni jest dobrym wyborem do prostego zdalnego sterowania na małą odległość. Wymaga nadajnika i odbiornika, ale oba elementy są niedrogie, łatwo dostępne i nieskomplikowane w obsłudze.
Montaż opisanego układu nie jest trudny, pod warunkiem prawidłowego połączenia elementów i dopasowania częstotliwości nadajnika do odbiornika.
Jeśli projektujesz urządzenie z odbiornikiem podczerwieni i potrzebujesz pomocy przy schemacie lub płytce PCB, skontaktuj się z nami.