Infracrveni senzori

Infracrveno svjetlo, senzor linije s LED-icom i fototranzistorom, daljinski upravljač i prijemnik na 38 kHz te zašto sunce zbunjuje senzore.

Što je infracrveno svjetlo?

Infracrveno svjetlo je svjetlo koje naše oči ne vide. Kad bismo ga mogli vidjeti, u dugi bi bilo odmah iza crvene boje. Ime mu dolazi otud što mu je frekvencija niža od frekvencije crvenog svjetla: infra znači ispod. Osjetimo ga kao toplinu, kad stojimo uz peć ili na suncu.

Za senzore je zgodno jer ga ne vidimo: lampica može stalno svijetliti, a nikome ne smeta. Kamera mobitela ga djelomično vidi. Uperi daljinski upravljač za televizor u kameru mobitela i pritisni tipku: na zaslonu ćeš vidjeti kako LED-ica na vrhu daljinskog trepće.

Svjetlo ima valnu duljinu, koja se mjeri u nanometrima (nm). Naše oči vide od oko 380 nm (ljubičasto) do 750 nm (crveno). Infracrvene LED-ice u senzorima i daljinskim upravljačima svijetle na 850 ili 940 nm.

Senzor linije

Senzor linije ima dva dijela, jedan pokraj drugoga: infracrvenu LED-icu, koja svijetli prema podu, i fototranzistor, koji gleda koliko se svjetla odbije natrag.

• Bijeli papir odbija mnogo svjetla, pa fototranzistor dobiva svjetlo.
• Crna traka svjetlo upija, pa se gotovo ništa ne odbije.

Fototranzistor je tranzistor koji ne uključuje struja u bazu, nego svjetlo. Što više svjetla padne na njega, to više struje propušta.

Robot Maqueen ima dva takva senzora na donjoj strani, lijevi i desni. S njima prati crnu liniju u lekciji Senzori linije.

Zašto ih sunce zbunjuje?

Sunce ne daje samo svjetlo koje vidimo, nego i mnogo infracrvenog. Kad sunce obasja stazu, fototranzistor dobiva infracrveno svjetlo i iznad crne trake, pa misli da je ispod njega bijelo. Sjajna crna traka također odbija svjetlo kao bijeli papir. Zato staza za robota nije uz prozor, a traka je mat.

Daljinski upravljač i prijemnik

Daljinski upravljač za televizor ima infracrvenu LED-icu. Kad pritisneš tipku, LED-ica pošalje poruku: niz kratkih bljeskova. Da prijemnik ne bi zbunili sunce i lampe u sobi, LED-ica u svakom bljesku treperi 38 000 puta u sekundi (38 kHz).

IR prijemnik je mali crni dio s tri nožice i kupolom. U njemu su fotodioda i sklop koji propušta samo svjetlo koje treperi 38 000 puta u sekundi. Sunce i lampe ne trepere tako, pa ih prijemnik gotovo ne primjećuje. Robot Maqueen također ima takav prijemnik.

Gornji red pokazuje što radi LED-ica daljinskog upravljača, a donji što prijemnik javlja na svom izlazu OUT: za vrijeme svakog niza bljeskova izlaz padne na 0 V. Bljeskovi su svi jednako dugi, a broj u poruci određuju razmaci između njih: kratki razmak je 0, a dugi 1.

Svjetlosna barijera

Infracrvena LED-ica i prijemnik mogu stajati i jedan nasuprot drugome, s dvije strane staze. LED-ica stalno svijetli prema prijemniku, a kad nešto prođe između njih, zraka se prekine. To je svjetlosna barijera: takve su u vratima dizala i na garažnim vratima, koja se ne zatvore dok je netko na putu. U lekciji Prepoznavanje kuglice barijera je jedan od načina da se kuglica prepozna bez dodira. Za razliku od fotootpornika, koji je spor, infracrveni senzori reagiraju za manje od milisekunde.

Infracrveni senzori na Arduino radionici

Od ovog mjesta stranica je za Arduino radionicu.

Senzor linije na Arduinu

Senzor linije (na primjer TCRT5000) spajamo ovako:

• LED-ica svijetli stalno, preko otpornika od 220 Ω. Na infracrvenoj LED-ici je oko 1,2 V, manje nego na crvenoj, pa je struja (5 V − 1,2 V) / 220 Ω ≈ 17 mA.
• Fototranzistor je s otpornikom od 10 kΩ u djelilu napona, kao fotootpornik. Kad se svjetlo odbije, fototranzistor propušta struju i napon na A0 padne. Iznad bijelog analogRead(A0) daje mali broj, a iznad crnog velik, blizu 1023.

Prije pisanja programa uvijek izmjeri što senzor daje iznad bijelog, a što iznad crnog, i granicu postavi između njih. Senzor najbolje radi nekoliko milimetara iznad podloge. Što je senzor dalje, to je razlika između bijelog i crnog manja.

Gotovi moduli imaju uz senzor još i čip LM393, koji napon uspoređuje s granicom namještenom malim potenciometrom. Takav modul ima digitalni izlaz DO (0 ili 1) i često još analogni AO. Senzori linije na robotu Maqueen također javljaju samo 0 ili 1.

Daljinski upravljač na Arduinu

IR prijemnik (na primjer VS1838B) ima tri nožice: OUT, GND i VCC. Raspored nije isti na svim prijemnicima i modulima, pa ga prije spajanja provjeri na oznakama. VCC spoji na 5V, GND na GND, a OUT na D2.

Poruke čita biblioteka IRremote. Instaliraj je u Arduino IDE-u, u Library Manageru, kao Bounce2 u lekciji o tipkalima:

// C++
#include <IRremote.hpp>                // biblioteka IRremote, verzija 4

const int prijemnik = 2;               // izlaz OUT IR prijemnika

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  IrReceiver.begin(prijemnik);         // počni slušati
}

void loop() {
  if (IrReceiver.decode()) {           // stigla je cijela poruka
    if (IrReceiver.decodedIRData.flags & IRDATA_FLAGS_IS_REPEAT) {
      Serial.println("tipka se drži");
    } else {
      Serial.print("Protokol: ");
      Serial.print(getProtocolString(IrReceiver.decodedIRData.protocol));
      Serial.print(", adresa: 0x");
      Serial.print(IrReceiver.decodedIRData.address, HEX);
      Serial.print(", naredba: 0x");
      Serial.println(IrReceiver.decodedIRData.command, HEX);
    }
    IrReceiver.resume();               // spreman za sljedeću poruku
  }
}

Otvori Serial Monitor i pritišći tipke daljinskog upravljača. Svaka tipka ima svoju naredbu, a adresa kaže kojem je uređaju poruka namijenjena. Zapiši naredbe tipki koje želiš koristiti, pa ih u programu usporedi s IrReceiver.decodedIRData.command. Brojevi su heksadecimalni, pa u programu pišeš 0x45, a ne 45.

Na Unu IRremote koristi brojač vremena Timer2, isti kao tone(). Ne mogu raditi zajedno, a ne radi ni PWM na pinovima 3 i 11.

Kako izgleda poruka

Mnogi daljinski upravljači koriste način slanja koji se zove NEC:

• poruka počinje bljeskom od 9 ms i stankom od 4,5 ms, da se prijemnik pripremi;
• slijede 32 bita: adresa, pa ista adresa obrnuto, naredba, pa ista naredba obrnuto. Obrnuti dijelovi služe za provjeru: ako se ne slažu, poruka se odbaci;
• svaki bit je bljesak od 562,5 µs i stanka: kratka (562,5 µs) za 0, a duga (1687,5 µs) za 1. Bit 0 traje 1,125 ms, a bit 1 2,25 ms;
• cijela poruka traje najviše oko 86 ms. Dok tipku držiš, daljinski svakih 108 ms šalje kratku poruku ponavljanja. Program je ispisuje kao tipka se drži.

Svaki je bljesak zapravo 21 treptaj na 38 kHz, svakih 26,3 µs po jedan.

Što smo naučili?

• Infracrveno svjetlo naše oči ne vide. Infracrvene LED-ice svijetle na 850 ili 940 nm, a kamera mobitela ih vidi.
• Senzor linije ima infracrvenu LED-icu i fototranzistor: bijelo svjetlo odbija, a crno ga upija.
• Sunce i stare žarulje daju mnogo infracrvenog svjetla i zbunjuju senzore linije.
• Daljinski upravljač šalje bljeskove koji trepere na 38 kHz, a prijemnik propušta samo njih i za vrijeme bljeska daje 0 V.
• Poruke daljinskog čita biblioteka IRremote. Na Unu ne radi zajedno s tone().

Mali kviz

Razgovaraj na Discord-u. (pridruži se)