Odbiornik podczerwieni, taki jak TSOP1738 lub VS1838, wykrywa paczki nośnej IR i przekazuje zdemodulowany sygnał do układu sterującego. Typowo, wg noty katalogowej, warianty te pracują z nośną 38 kHz, a ich wyjście przechodzi ze stanu wysokiego w niski podczas odbioru paczki. Nadajnik musi mieć zgodną nośną; dokładne parametry i układ wyprowadzeń zależą od producenta i wersji, dlatego sprawdź kartę katalogową.
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 astabilny wytwarza nośną, którą należy włączać w paczkach rozdzielonych przerwami. Dla TSOP1738 częstotliwość nośnej wynosi typowo, wg noty katalogowej, 38 kHz.
Obwód nadajnika Intersound HPI-5500
Dioda IR LED emituje modulowane promieniowanie podczerwone. Przycisk może uruchamiać nadawanie, ale samo jego przytrzymanie nie zastępuje kodowania paczek nośnej i przerw.
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.
Projekt układu nadajnika i odbiornika IR
Projekt nadajnika trzeba dopasować do częstotliwości odbiornika. Dla opisywanego TSOP1738 należy przyjąć typowo, wg noty katalogowej, nośną 38 kHz.
Do wytworzenia nośnej można wykorzystać timer 555 pracujący jako multiwibrator astabilny, czyli swobodnie działający generator. Sterowanie diodą wymaga rezystora ograniczającego prąd oraz układu włączającego nośną w paczkach.
Wyjście odbiornika IR jest aktywne w stanie niskim. Tranzystor PNP pozwala więc tak wysterować diodę LED, aby zapalała się po wykryciu sygnału podczerwieni.
Obwód nadajnika IR
Obwód nadajnika IR
Do zbudowania nadajnika IR potrzebne są:
Przewody połączeniowe
Układ czasowy NE555
Źródło zasilania
Kondensator do odsprzęgania zasilania, dobrany według karty katalogowej układu
Płytka stykowa
Rezystor R2 = 1,4 kΩ — założenie do przykładu obliczeniowego poniżej
Dioda IR LED
Rezystor szeregowy diody IR, dobrany do napięcia zasilania i dopuszczalnego prądu
Płytka uniwersalna
Kondensator C = 10 nF — założenie do przykładu obliczeniowego poniżej
Rezystor R1 = 1 kΩ — założenie do przykładu obliczeniowego poniżej
Montaż nadajnika krok po kroku
Obwód można zmontować w następujący sposób:
1. Zidentyfikuj wszystkie elementy na schemacie i połącz je zgodnie z oznaczeniami.
2. Sprawdź polaryzację diody IR i połącz ją szeregowo z rezystorem ograniczającym prąd.
3. Połącz elementy R1, R2 i C w obwodzie generatora astabilnego 555. Nie myl rezystorów ustalających częstotliwość z rezystorem diody.
4. Zapewnij sterowanie paczkami nośnej; sam generator astabilny nie koduje komend pilota.
5. Oblicz częstotliwość generatora: f = 1,44 / ((R1 + 2·R2)·C), gdzie rezystancje podaje się w Ω, pojemność w F, a wynik otrzymuje w Hz.
6. Po sprawdzeniu wszystkich połączeń podłącz zasilacz i przetestuj nadajnik IR.
Działanie układu z odbiornikiem demodulującym
Do odbiornika docierają paczki modulowanego promieniowania. Moduł wykrywa je, filtruje i demoduluje, więc na jego wyjściu otrzymujemy sygnał logiczny, a nie prąd bezpośrednio z fotodetektora.
Sygnał wyjściowy może sterować wskaźnikiem przez tranzystor albo trafiać do mikrokontrolera, który rozpozna komendę. Samo wykrycie paczki nie oznacza jeszcze odebrania poprawnej ramki danych.
Obwód odbiornika podczerwieni
Do zbudowania odbiornika IR potrzebne są:
Płytka stykowa
Dioda LED
Przewody połączeniowe
Moduł TSOP1738
Tranzystor PNP do opcjonalnego wskaźnika LED, dobrany według jego karty katalogowej
Rezystor ograniczający prąd wskaźnika LED
Źródło zasilania
Rezystor ograniczający prąd bazy tranzystora, dobrany do układu wskaźnika
Schemat układu IR
Odbiorniki IR występują w odmianach dostrojonych do różnych częstotliwości nośnych. Protokół transmisji, na przykład NEC, określa sposób kodowania danych za pomocą paczek nośnej i przerw.
TSOP1738 jest odbiornikiem zdalnego sterowania dostrojonym typowo, wg noty katalogowej, do nośnej 38 kHz. Jego wyjście można połączyć z wejściem mikrokontrolera po sprawdzeniu zgodności poziomów logicznych.
Typowo, wg noty katalogowej, moduł ma trzy wyprowadzenia: OUT, GND i VS, a wyjście jest aktywne w stanie niskim. Kolejność pinów i parametry elektryczne sprawdź w karcie konkretnego producenta i wersji.
W jednej obudowie odbiornika znajdują się fotodetektor, wzmacniacz, filtr pasmowy oraz demodulator. Kompletny system wymaga ponadto nadajnika IR i układu interpretującego dane; wybór układu sterującego omawia porównanie mikrokontrolera i mikroprocesora.
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.
Dobór nośnej i odsprzęganie odbiornika
Poniższe wartości są typowe, wg not katalogowych rodzin odbiorników i diod IR. Dokładne parametry zależą od producenta i wersji — sprawdź kartę katalogową konkretnego elementu. Odbiornik jest dostrojony do jednej nośnej; nie obsługuje automatycznie wszystkich częstotliwości z tabeli.
| Parametr | Typowo / wg noty katalogowej | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|
| Nośna odbiornika | Warianty około 30, 33, 36, 38, 40 lub 56 kHz | Nadajnik i odbiornik muszą pracować z tą samą nośną; w pilotach najpopularniejsza jest 38 kHz. |
| Długość fali diody IR do pilota | Około 940 nm | To parametr optyczny, odrębny od częstotliwości modulacji. |
| Kondensator odsprzęgający | 100 nF–4,7 µF | Umieść blisko pinów VS i GND. |
| Rezystor szeregowy zasilania | Około 100 Ω, jeśli zaleca go karta modelu | Stosuj w torze zasilania odbiornika zgodnie z zalecanym układem odsprzęgania. |
Moduł reaguje na zmodulowane paczki, a nie na stałe oświetlenie. Tłumienie światła dziennego nie oznacza odporności na każde zakłócenie: świetlówki i lampy LED kluczowane w pobliżu nośnej mogą powodować fałszywe wyzwolenia. Nie steruj diodą nadawczą tuż obok odbiornika na wspólnej płytce bez rozdzielenia torów zasilania; impulsy prądu nadajnika mogą zakłócać odbiór.
Protokół NEC: jakie czasy mierzy mikrokontroler?
NEC jest przykładem kodowania na nośnej 38 kHz. Ramka zawiera adres o długości 8 bitów i jego negację oraz komendę o długości 8 bitów i jej negację. Poniższe czasy opisują kodowanie protokołu, a nie wyniki pomiarów tego układu.
| Element transmisji NEC | Paczka nośnej | Przerwa | Łączny czas bitu |
|---|---|---|---|
| Sygnał wiodący | 9 ms | 4,5 ms | Nie dotyczy |
| Bit „0” | 562,5 µs | 562,5 µs | 1,125 ms |
| Bit „1” | 562,5 µs | 1,6875 ms | 2,25 ms |
Opis oczekiwanego przebiegu, nie nasz pomiar: na OUT należy zobaczyć stan wysoki w spoczynku i niski podczas paczek nośnej — typowo, wg noty katalogowej odbiornika. Wyjście pokazuje obwiednię paczek, nie poszczególne okresy 38 kHz. Mikrokontroler mierzy odstępy między zboczami: jednakowe paczki bitów rozróżnia dzięki długości następującej po nich przerwy. Odwrócenie interpretacji stanów prowadzi do błędnego dekodowania.
Przykład obliczenia rezystora diody IR
Przyjmijmy zasilanie 5 V, założony spadek napięcia diody Vf ≈ 1,25 V i docelowy prąd 20 mA. Są to założenia obliczeniowe, nie pomiar ani uniwersalne parametry katalogowe. Vf zależy od diody i prądu — sprawdź jej kartę katalogową. Rolę elementu szeregowego omawia artykuł o rezystorze ograniczającym prąd.
R = (5 V − 1,25 V) / 0,020 A = 187,5 Ω. Najbliższa wartość z szeregu E12 to 180 Ω. Dla niej obliczony prąd wynosi I ≈ (5 V − 1,25 V) / 180 Ω ≈ 20,8 mA, czyli nieco więcej niż założony cel.
Rezystor ogranicza prąd diody podczas świecenia; prąd średni zależy także od sterowania impulsowego. Krótkie impulsy mogą dopuszczać większy prąd niż praca ciągła, ale granice trzeba odczytać z karty diody. Przekroczenie dopuszczalnego prądu lub wydłużenie impulsów może ją uszkodzić.
Przykład obliczenia nośnej z timerem 555
Dla generatora astabilnego przyjmijmy R1 = 1 kΩ, R2 = 1,4 kΩ oraz C = 10 nF. Po przeliczeniu rezystancji na Ω i pojemności na F otrzymujemy:
f = 1,44 / ((1000 + 2·1400)·10·10−9) Hz ≈ 37,89 kHz. To wynik obliczenia, nie potwierdzona pomiarem częstotliwość nadajnika.
Wypełnienie wyjścia wynosi D = (R1 + R2) / (R1 + 2·R2) = (1000 + 1400) / (1000 + 2800) ≈ 63%. Dla modulacji IR często stosuje się typowo, wg noty katalogowej odbiornika, wypełnienie około 1/3. Uzyskanie go wymaga zmiany układu kształtowania impulsów, na przykład z dodatkowym tranzystorem, lub użycia mikrokontrolera. Sama bliskość obliczonej częstotliwości do 38 kHz nie zapewnia jeszcze właściwego wypełnienia ani kodowania paczek NEC.
Zalety komunikacji w podczerwieni
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.
Moduł demodulujący ułatwia odbiór komend, ponieważ układ sterujący analizuje czasy paczek i przerw zamiast każdego okresu nośnej.
Ograniczenia komunikacji w podczerwieni
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.
Zastosowania odbiorników IR
Omawiane moduły służą do odbierania sygnałów pilotów, na przykład sterujących telewizorem lub klimatyzatorem. Nie należy utożsamiać odbiornika paczek nośnej z dowolnym czujnikiem podczerwieni.
Osobną grupę opisuje artykuł o pasywnych czujnikach podczerwieni. Przy doborze elementu trzeba rozróżnić detekcję ruchu od odbioru zakodowanych komend.
Podsumowanie
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.
