วงจรเซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุความแม่นยำสูง

ปก

สวัสดีครับ ช่วงนี้ไม่ได้เขียนบทความเกี่ยวกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่มีไมโครโปรเซอร์เข้ามาเกี่ยวข้องเลย เหตุผลก็เพราะการใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ หรือไมโครคอนโทรลเลอร์มีความยืดหยุ่นในการใช้งานมาก วงจรน้อย แต่ว่าในขณะเดียวกันก็ไม่สามารถนำมาใช้กับในบางงานได้ อย่างเช่นงานในการตรวจจับวัตถุ เนื่องจากวงจรไม่จำเป็นต้องใช้การประมวลผลของไมโครโปรเซสเซอร์เข้ามาเกี่ยวข้อง และต้องการความง่าย และทนทานต่อการใช้งาน สามารถซ่อมได้เอง การนำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วๆไปมาใช้งานจริงเหมาะสมกว่า


วงจรตรวจจับวัตถุความแม่นยำสูงแตกต่างจากวงจรอื่นอย่างไร ?

ในวงจรนี้จะมีความพิเศษจากเซ็นเซอร์แบบ Reflectance ทั่วๆไปตรงที่ เซ็นเซอร์แบบ Reflectance ที่มีจำหน่ายอยู่ในท้องตลาดจะใช้โฟโต้ไดโอดในการรับแสงอินฟาเรด เมื่อมีวัตถุเข้ามาบังแนวแสง ก็จะทำให้โฟโต้ไดโอดไม่ได้รับแสง ปล่อยสถานะทางลอจิกที่เปลี่ยนไป

InfraredReflective.1 (Medium)

รูปของเซ็นเซอร์ตรวจจับวัตถุราคาถูกที่มีจำหน่ายในท้องตลาด

ปัญหาของเซ็นเซอร์ที่มาขายอยู่คือแสงอินฟาเรดจากภายนอกเข้ามารบกวน ทำให้การตรวจจับผิดพลาดไป อย่างเช่นการใช้งานเซ็นเซอร์ในสถานที่ที่มีแสงอาทิตย์มาก หรือเปิดไฟส่องสว่างมาก แสงอินฟาเรดจากดวงอาทิตย์ก็จะเข้ามารบกวนตัวเซ็นเซอร์ เมื่อมีวัตถุมาบังแนวแสงก็จะทำให้ไม่มีการเปลี่ยนแปลงสถานะทางลอจิกเนื่องจากตัวเซ็นเซอร์ยังได้รับแสงอินฟาเรดจากดวงอาทิตย์อยู่

วงจรตรวจจับวัตถุในบทความนี้จะใช้ตัวรับอินฟาเรดที่เป็นแบบไอซี และจะยอมรับข้อมูลเข้ามาก็ต่อเมื่อแสงอินฟาเรดที่ได้รับนั้นมีการมอดูเลชั่นมาแล้ว ทำให้แสงอินฟาเรดที่ส่องเข้าตัวเซอร์เซอร์ไม่มีผลต่อการตรวจจับแสงของตัวเซอร์เซอร์

รูปวงจรตรวจจับวัตถุความแม่นยำสูง

วงจรภาคส่ง

รูปวงจรภาคส่ง

รูปวงจรภาครับ

รูปวงจรภาครับ

บล็อกไดอะแกรมของวงจร

บล็อกไดอะแกรมภาคส่ง บล็อกไดอะแกรมภาครับ

หลักการทำงานของวงจร

ภาคส่ง

วงจรจะแบ่งออกได้เป็น 4 ภาค ดังนี้

ภาคสร้างความถี่ต่ำ 15Hz – เนื่องจากตัวไอซีที่เป็นตัวรับแสงอินฟาเรดจะไม่ตอบสนองต่อความถี่ 38KHz ที่ป้อนเข้าไปแบบตรงๆ, ตัวรับจะเลือกเปลี่ยนสถานะก็ต่อเมื่อมีการปล่อยความถี่ 38KHz ผสมกับคลื่นความถี่ต่ำ ผลที่ได้จากเอาต์พุตของตัวรับจะให้ออกมาเป็นคลื่นความถี่ต่ำที่ได้ป้อนเข้าไปผสม โดยในภาคนี้จะใช้ลอจิกเกตในการสร้างความถี่ออกมา ความถี่ที่ได้ออกมาสามารถคำนวนได้ตามสูตร f = 1 / (0.8 * R * C) กรณีเป็นไอซีประเภท TTL และใช้สูตร f = 1 / (1.2 * R * C) กรณีที่เป็นไอซีประเภท CMOS ซึ่งทั้งสูตรเมื่อคำนวนแล้วจะได้ออกมาเป็นค่าประมาณ จากที่ผู้เขียนได้ทำการทดลองพบว่าการใช้ค่า R 100KE และ C ค่า 1uF จะให้ความถี่ประมาณ 15Hz และได้ค่าดิวตี้ไซเคิล 50%

ภาคบัพเฟอร์ 1 – ภาคนี้จะใช้ไอซีลอจิกเกต Not Gate เป็นบัพเฟอร์ เพื่อกั้นไม่ให้โหลดมีผลต่อการผลิตความถี่ หากไม่มีภาคนี้จะทำให้ค่าความถี่เปลี่ยนแปลงไปมาเนื่องจากโหลดจะไปดึงกระแสที่ควรจะถูกชาร์จให้ตัวเก็บประจุ

ภาคสร้างความถี่ 38KHz ที่ควบคุมได้ – ภาคนี้จะใช้วงจรสร้างความถี่โดยใช้ลอจิกเกตแบบธรรมดา ผู้เขียนได้ทดลองแล้วว่าตัว R 36KE และ C 10nF จะผลิตความถี่ได้ประมาณ 38KHz และความถี่จะถูกสร้างต่อเมื่อมีการปล่อยสถานะทางลอจิกเป็น 0 เข้าไดโอด ทำให้ไดโอดไม่นำกระแส แต่หากปล่อยลอจิก 1 เข้าไป ก็จะทำให้มีกระแสไหลไปชาร์จตัวเก็บประจุอย่างรวดเร็วและค้างไว้ ทำให้ไม่มีการผลิตความถี่ออกมา

ภาคบัพเฟอร์ 2 – ภาคนี้จะกั้นไม่ให้โหลดที่นำมาต่อมีผลต่อการผลิตความถี่ 38KHz

ภาคส่งสัญญาณ – เมื่อความถี่ 15Hz และความถี่ 38KHz มารวมกัน ก็จะได้คลื่นที่เหมาะสมสำหรับส่งออกไปแล้ว ในภาคนี้จะใช้หลอด LED อินฟาเรดในการส่งสัญญาณออกไป

ภาครับ

แบ่งออกเป็น 4 ภาค

ภาครับสัญญาณ – ภาคนี้จะรับแสงเข้ามาโดยใช้ไอซีอินฟาเรด 38KHz รับความถี่เข้ามา ความถี่ที่ได้จากไอซีจะได้ออกมา 15Hz โดยความถี่สูง 38KHz จะถูกตัดทิ้งไป โดย R5 ในวงจรทำหน้าที่จำกัดกระแสไหลเข้าตัวไอซี และมีตัวเก็บประจุ C3 ช่วยกรองให้แรงดันไฟเรียบมากยิ่งขึ้น หากไม่มี C3 จะทำให้แรงดันความถี่แฝงที่เราไม่ต้องการปะปนมาด้วยแล้วจะทำให้ไอซีไม่สามารถใช้งานได้

ภาคบัพเฟอร์ – เนื่องจากตัวไอซีให้กระแสเอาต์พุตที่ต่ำมากๆ ทำให้ควรใช้ไอซีต่อเป็นบัพเฟอร์ และเลือกใช้ไอซีลอจิกเกตเป็นบัพเฟอร์ส่งสัญาณไปภาคต่อไป

ภาคแปลงความถี่เป็นสัญญาณดิจิตอลลอจิก – สัญญาณอินพุตของภาคนี้จะเป็นสัญญาณความถี่ 15Hz ซึ่งยังไม่เหมาะที่จะนำไปใช้งาน จึงต้องวงจรในภาคนี้ในการรับสัญญาณเข้ามาแปลงเป็นสัญญาณลอจิก หลักการของวงจรคือการนำความถีเข้ามาผ่านไดโอด ทำให้มีเฉพาะลอจิก 1 เท่านั้นที่สามารถผ่านไปได้ เมื่อมีลอจิก 0 ก็จะทำให้ไม่มีผลต่อตัวเก็บประจุเนื่องจากไดโอดได้กั้นแรงดันไม่ให้ไหลกลับไปอยู่ เมื่อความถี่ขอบขาขึ้นเข้ามาก็จะทำให้เกิดการชาร์จประจุอย่างรวดเร็ว ทำให้ตัวเก็บประจุเก็บแรงดันไว้เต็ม เมื่อถึงขอบขาลง ตัวต้านทาน R6 จะทำหน้าที่ชาร์จประจุให้แรงดันลดลงเรื่อยๆ เมื่อถึงตรงนี้มีลอจิก 1 เข้ามาเร็วพอที่จะไม่ทำให้แรงดันตกลงจนถึงค่าของแรงดันต่ำสุดที่ลอจิกเกตนับเป็นลอจิก 1 ก็จะทำให้เกิดการชาร์จประจุและวนลูปต่อไปแบบนี้เรื่อยๆ ทำให้ลอจิกค้างสภาวะเป็น 1 ค้างไว้ แต่หากความถี่ 15Hz หายไปเนื่องจากมีวัตถุมากั้นแสงที่ส่งมาจากภาคส่ง ก็จะทำให้ตัวเก็บประจุคลายประจุจนหมด แล้วให้ลอจิกออกมาเป็น 0

ภาคบัพเฟอร์ – ภาคนี้จะทำหน้าที่เป็นบัพเฟอร์ที่กลับสภาวะ หากอินพุตเป็นลอจิก 1 เอาต์พุตจะได้ลอจิก 0 และหากอินพุตเป็นลอจิก 0 เอาต์พุตจะให้ออกมาเป็นลอจิก 1

*** วงจรนี้ผู้เขียนบทความจะทำเป็นโมดูลให้สามารถใช้งานได้ง่าย ติดตามได้เร็วๆนี้ที่หน้าเว็บร้าน IOXhop ***

1 comment

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องที่ต้องการถูกทำเครื่องหมาย *