آشکارسازی موانع با استفاده از سنسور مادون قرمز

این حس کننده برای آشکارسازی وجود هر نوع شیئ در مجاورت آن به کار می رود. بسیاری از جاها لازم است که حضور اشیاء در محدوده خاصی بدون این که تماسی با آن وجود داشته باشد، آشکار گردد. برای نمونه می توان از شمارنده های اشیاء، دورسنج ها و … نام برد. میکروسوئیچ ها به دلیل عمر زیاد، حساسیت به کوچکترین ضربه به طور وسیعی در این موارد به کار می روند اما آنها را نمی توان در بعضی مکان های غیرقابل دسترس و یا مکان دارای حرارت بالا به کار برد.

اما اساس کار حس کننده مجاورتی مادون قرمز با میکروسوئیچ ها تفاوت دارد. این حس کننده از اشعه مادون قرمز برای آشکارسازی استفاده می کند. اشعه مادون قرمز پس از برخورد با شی مورد نظر، منعکس شده و سیگنال “حضور شی” تولید خواهد شد.

نمودار بلوکی مدار در شکل 1 نشان داده شده است. در این مدار اشعه مادون قرمز به وسیله یک مدار فرستنده منتشر می شود و سپس به وسیله یک مدار آشکارساز، اشعه برگشتی آشکار خواهد شد. سیگنال حاصل از آشکار ساز مادون قرمز از یک تقویت کننده لگاریتمی عبور کرده سپس به وسیله یک پیش تقویت کننده قدرت پایین تقویت شده به آشکارساز هم فاز کننده (PLL) اعمال می شود. خروجی آشکارساز PLL را می توان به دستگاه های جانبی (واسطه) میکروپروسسور یا هر دستگاه دیگر اعمال نمود.

شکل 1 نمودار بلوکی آشکارسازی موانع با استفاده از سنسور مادون قرمز

فرستنده

نمودار مداری حس کننده مجاورتی در شکل 2 نشان داده شده است. IC3 یک تراشه زمانسنج NE555 است که به عنوان یک نوسان ساز با چرخه کار (duty cycle) بالا به کار رفته است. نوسان ساز پالس ساعت با فرکانس 100KHz و چرخه کار 90 درصد تولید می کند. یعنی دوره on پالس 9 برابر دوره off آن می باشد.

LED1 و LED ، LED2های مادون قرمز هستند که به خروجی نوسان ساز وصل شده اند. چون LED های مادون قرمز (IR) بین خروجی و خط منبع تغذیه وصل شده اند، جریان تنها برای 10 درصد دوره تناوب از آنها عبور می کند که حدود 100mA می باشد.

با توجه به این که مدت بسیار کوتاهی از دوره تناوب جریان از دیودها عبور می کند، جریان زیاد 100mA، دیودها را نمی سوزاند، اما می توانند پالس های قوی مادون قرمز تولید کنند. این به منظور داشتن برد بالا در آشکارسازی می باشد. برای داشتن برد بیشتر، چرخه کار جریان باید به 1% کاهش و پیک جریان باید به 1A افزایش یابد.

مقاومت R17 و خازن C12 تشکیل یک فیلتر جداساز را می دهند. C12 پالس های جریان را به LED ها تغذیه می کند بدون این که اعوجاج یا اغتشاشی در خطوط منبع تغذیه اصلی مدار ایجاد نماید. فرکانس نوسان را می توان با تغییر مقاومت 10K تنطیم نمود.

شکل 2 نقشه شماتیک پروژه آشکارسازی موانع با استفاده از سنسور مادون قرمز

آشکارساز مادون قرمز

پرتوهای مادون قرمز پس از برخورد به شی مورد نظر، برگشت داده می شوند. پرتوهای منعکس شده به وسیله یک مدار آشکارساز مادون قرمز آشکار می شوند. ترانزیستور T1 تشکیل یک منبع جریان ثابت را می دهد که جریان امیتر آن ثابت و برابر با مجموع جریان دیود نوری با بایاس معکوس و مقاومت R3 است. هنگامی که پرتوهای مادون قرمز به دیود نوری برخورد می کنند باعث ایجاد جریان نشتی معکوس در دیود می شوند که مقدار آن متناسب با شدت انتشار پرتوها می باشد.

جریان دیود نوری به شدت پرتوهای مادون قرمز بستگی دارد نه به ولتاژ منبع تغذیه با مقاومت بار. بدین ترتیب یک سیگنال ولتاژ دو سر مقاومت R3 ایجاد می شود. مؤلفه DC ولتاژ R3 که یک مقدار ثابت است به وسیله C3 حذف و مؤلفه AC آن (سیگنال) به تقویت کننده لگاریتمی اعمال می شود.

شکل 3 اندازه واقعی نقشه مدار چاپی شکل 2

شکل 4 نقشه قطعات مدار چاپی شکل 3

تقویت کننده لگاریتمی

شدت پرتوهای مادون قرمز منعکس شده ثابت نیست و به طور وسیعی با فاصله شی و همچنین ضریب انعکاس آن تغییر می کند. ضریب انعکاس برابر نسبت پرتوهای منعکس شده از شی به پرتوهای برخورد کرده به شی می باشد. این ضریب به جنس شی بستگی دارد و از صفر تا یک تغییر می کند. با توجه به تغییرات وسیع قدرت پرتوهای منعکس شده، نمی توان از یک تقویت کننده خطی استفاده نمود، زیرا به ازای سیگنال های قوی به اشباع می رود و به ازای سیگنال های ضعیف نویزدار خواهد شد.

تقویت کننده لگاریتمی یک تقویت کننده غیرخطی است که بهره آن رابطه معکوس با ولتاژ ورودی دارد. به عبارت دیگر، این تقویت کننده در برابر سیگنال های قوی دارای حساسیت کم و در برابر سیگنال های ضعیف دارای حساسیت بالایی می باشد.

(IC1(a که معمولا به عنوان پیش تقویت کننده صوتی به کار می رود، در اینجا به عنوان یک تقویت کننده لگاریتمی سیم بندی شده است. دو دیود 1N4148 تشکیل یک فیدبک منفی غیر خطی را می دهند. خروجی تقویت کننده لگاریتمی سپس به وسیله یک پیش تقویت کننده، تقویت می شود.

شکل 5 مدار منبع تغذیه

لیست قطعات پروژه آشکارسازی موانع با استفاده از سنسور مادون قرمز

تقویت کننده قدرت پایین

(IC1(b به عنوان یک تقویت کننده قدرت پایین به کار رفته است. این یک تقویت کننده معکوس کننده است که سیگنال های ضعیف را پس از تقویت به ورودی آشکارساز هم فاز کننده اعمال می کند. مقاومت های R5 ، R9 و R4 یک شبکه تقسیم ولتاژ را تشکیل می دهند تا ورودی معکوس کننده اپ امپ پیش تقویت کننده را تثبیت نماید و در نتیجه مصونیت نویزی مناسبی ایجاد شود.

آشکار ساز هم فاز کننده

تا کنون، پرتوهای مادون قرمز منعکس شده دریافت و سپس تقویت گردید. اما چنانچه برای آشکارسازی از یک شبکه RC ساده استفاده شود، این امر به دلیل وجود نویز فراوان در محیط عملی نخواهد بود. لامپ های رشته ای، بخاری ها و غیره به دلیل تولید نور مادون قرمز از منابع نویز حساب می شوند که میلیون ها برابر قوی تر از پرتوهای برگشتی، اشعه مادون قرمز تولید می کنند. اگرچه یک پرتو مدوله شده به کار رفته است تا سیگنال را از نویز جدا نماید اما تغییرات سریع نویز ممکن است آشکارساز را به اشتباه بیندازد. بنابراین یک آشکارساز مطمئن مانند حلقه های هم فاز کننده مورد نیاز است.

یک سیگنال 100KHz به همراه نویز به پایه 3 از PLL NE567 از طریق R12 و C6 اعمال می شود. C1 و C7 به ترتیب خازن های فیلتر خروجی و فیلتر پایین گذر برای نقطه کار 100KHzمی باشند. R13 و C9 عناصر زمان بندی برای نوسان نوسان ساز کنترل-جریان داخل تراشه می باشند. فرکانس نوسان نوسان ساز 100KHz است. هنگامی که سیگنال 100KHz در ورودی ظاهر می شود، PLL قفل می کند و خروجی صفر خواهد شد. این سیگنال صفر به وسیله T2 معکوس می شود (خروجی از کلکتور گرفته می شود). خروجی 1 و 2 خروجی های مکمل هستند که برای مدارهای گوناگون به فراخور به کار می روند.

ساخت و تنظیم مدار

نقشه مدار چاپی و قطعات مدار در شکل 3 و 4 نشان داده شده است. LED های مادون قرمز باید داخل یک لوله سیاه رنگ به طول 3cm و قطر 6mm ثابت شوند. دیود نوری احتیاج به پوشش ندارد. LED ها و دیود نوری باید مستقیما روی صفحه مدار چاپی لحیم شوند و داخل یک محفظه با دو سوراخ 10mm برای ورود و خروج پرتوهای مادون قرمز قرار می گیرند.

مدار را جلوی یک آینه با فاصله 5cm قرار دهید. سپس VR1 را به گونه ای تنظیم کنید که پایه خروجی 8 از IC2 صفر شود. مدار اکنون آماده کار می باشد.