Подключение модуля инфракрасного датчика (IR Sensor) к плате Arduino
Датчик приближения (proximity sensor) или инфракрасный датчик (IR Sensor) – это электронное устройство, которое излучает инфракрасные лучи и на основе последующего приема отраженных от препятствий лучей может сделать определенные выводы об окружающей обстановке, например, может использоваться для обнаружения движения. Подобные датчики находят широкое применение в современной электронике и особенно в проектах робототехники, например, его можно использовать для создания робота, следующего вдоль линии или робота, объезжающего препятствия.
На нашем сайте ранее мы рассматривали использование инфракрасного датчика в следующих проектах:
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
- Модуль инфракрасного датчика (IR Sensor) (купить на AliExpress).
- Макетная плата.
- Соединительные провода.
Распиновка инфракрасного датчика
Модуль инфракрасного датчика содержит 3-пиновый коннектор для связи с “внешним миром”. Его распиновка показана на следующем рисунке.
VCC – контакт, через который подается питания на датчик. В нашем случае его необходимо подключить к контакту 5V платы Arduino.
OUT – выходной контакт датчика, работающий с логическими уровнями 5V TTL. Уровень LOW на этом контакте свидетельствует о том, что движения не выявлено, уровень HIGH свидетельствует о наличии движения.
GND – общий провод (земля). Его необходимо подключить к контакту земли платы Arduino.
Как работает модуль инфракрасного датчика
Принцип работы инфракрасного датчика достаточно прост, он состоит из двух основных компонентов: инфракрасного передатчика и инфракрасного приемника. Инфракрасным передатчиком служит излучающий ИК диод, а инфракрасным приемником – фотодиод.
Модуль инфракрасного датчика начинает работу когда на его излучающий ИК диод подано напряжение, при этом он испускает инфракрасные лучи. Лучи распространяются в пространстве, отражаются от препятствий и снова возвращаются к датчику, где улавливаются фотодиодом. Если препятствие (объект) находится близко, уровень отраженного света будет высок, если же объект находится далеко, то уровень отраженного света будет составлять небольшую величину.
При подаче питания на инфракрасный датчик на свой выходной контакт он выдает уровень Low, который может быть считан платой Arduino или любым другим микроконтроллером.
В большинстве электронных проектов данный датчик используется для обнаружения каких либо препятствий. Он находит широкое применение у радиолюбителей благодаря своей низкой стоимости и низкого энергопотребления, при этом он отличается достаточно большим диапазоном обнаружения препятствий.
Кроме передающего ИК диода и фотодиода модуль инфракрасного датчика содержит компаратор на основе операционного усилителя, который используется для преобразования поступающего аналогового сигнала в цифровой сигнал. Также в составе датчика есть потенциометр, с помощью которого можно отрегулировать его чувствительность.
Схема модуля инфракрасного датчика приведена на следующем рисунке.
Как видите, его схема достаточно проста и содержит набор простых, “массовых” компонентов. При желании вы даже можете собрать эту схему самостоятельно.
Схема проекта
Схема подключения инфракрасного датчика к плате Arduino Uno представлена на следующем рисунке.
Выход датчика необходимо подключить к любому цифровому контакту платы Arduino. В нашем случае это контакт D9. Считывать состояние этого контакта в плате Arduino можно потом двумя способами: обычным путем, в бесконечном цикле проверяя состояние этого контакта (high или low), либо с помощью прерываний (рекомендуется для сложных проектов).
Запитать инфракрасный датчик можно от 5V или 3.3V. Внешний вид собранной конструкции проекта приведен на следующем рисунке.
Объяснение программы для Arduino для подключения инфракрасного датчика
Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.
Код программы достаточно прост – в нем нам будет необходимо непрерывно проверять состояние (HIGH или LOW) контакта D9 платы Arduino, к которому подключен инфракрасный датчик. Код программы начнем с объявления двух глобальных переменных, в одной из которых будет храниться номер контакта, к которому подключен инфракрасный датчик, а во второй – номер контакта, к которому подключен светодиод.
Как подключить инфракрасный сенсор к Arduino
Для проекта нам понадобятся:
- Arduino UNO или иная совместимая плата;
- инфракрасный датчик препятствий;
- инфракрасный приёмник;
- соединительные провода (рекомендую вот такой набор);
- макетная плата (breadboard);
- персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.
1 Описание и принцип действия ИК датчика препятствий
Длины волн разных типов электромагнитного излучения
Если оснастить, для примера, своего робота несколькими такими ИК модулями, можно определять направление приближения препятствия и менять траекторию движения робота в нужном направлении.
Модуль с ИК излучателем и ИК приёмником
Когда перед сенсором нет препятствия, на выходе OUT модуля напряжение логической единицы. Когда сенсор детектирует отражённое от препятствия ИК излучение, на выходе модуля напряжение становится равным нулю, и загорается зелёный светодиод модуля.
Помимо инфракрасного свето- и фотодиода важная часть модуля – это компаратор LM393 (скачать техническое описание на LM393 можно в конце статьи). С помощью компаратора сенсор сравнивает интенсивность отражённого излучения с некоторым заданным порогом и устанавливает «1» или «0» на выходе. Потенциометр позволяет задать порог срабатывания ИК датчика (и, соответственно, дистанцию до препятствия).
2 Подключение ИК датчика препятствийк Arduino
Подключение ИК модуля к Arduino предельно простое: VCC и GND модуля подключаем к +5V и GND Arduino, а выход OUT сенсора – к любому цифровому или аналоговому выводу Arduino. Я подключу его к аналоговому входу A7.
Модуль с инфракрасным датчиком подключён к Arduino Nano
3 Скетч Arduino для инфракрасного датчика препятствий
Скетч для работы с инфракрасным сенсором препятствий также предельно простой: мы будем читать показания с выхода модуля и выводить в монитор порта. А также, если ИК модуль обнаружил препятствие, будем сообщать об этом.
ИК датчик может состоять из одного только инфракрасного приёмника, как в этом случае:
ИК приёмник
Такой сенсор используется для детектирования и считывания различных инфракрасных сигналов. Например, таким датчиком можно принять управляющие сигналы ИК пульта от телевизора или другой бытовой техники. На модуле присутствует светодиод, который загорается, когда на приёмник попадает инфракрасное излучение. На выхода модуля – цифровой сигнал, который показывает, падает ли на сенсор ИК излучение или нет.
К Arduino модуль с ИК приёмником подключается тоже очень просто:
| Пин модуля | Пин Arduino | Назначение |
|---|---|---|
| DAT | Любой цифровой | Признак наличия ИК излучения на входе приёмника |
| VCC | +5V | Питание |
| GND | GND | Земля |
Подключение ИК приёмника к Arduino
Напишем скетч, в котором будем просто показывать с помощью встроенного светодиода, что на входе приёмника присутствует ИК излучение. В данном модуле аналогично с ранее рассмотренным на выходе DAT уровень «0», когда ИК излучение попадает на приёмник, и «1» когда ИК излучения нет.
Если загрузить этот скетч в Arduino, направить на ИК приёмник ИК пульт и нажимать на нём разные кнопки, то мы увидим, что светодиод нашего индикатора быстро мигает. Разные кнопки – по-разному мигает.
Чтение команд ИК пульта с Arduino
Очевидно, что каждая команда закодирована своей бинарной последовательностью. Хотелось бы увидеть, какие именно команды приходят от пульта. Но прежде чем ответить на этот вопрос, нужно посмотреть другим способом, что же отправляет пульт. А именно – с помощью осциллографа. Подключим осциллограф DS203 к тому месту, где сигнал непосредственно излучается в пространство: к аноду инфракрасного светодиода.
Осциллограф отображает часть команды ИК пульта
На осциллограмме видна серия «пачек» импульсов примерно одинаковой длительности. Каждая «пачка» состоит из 24-х импульсов.
Осциллограф отображает часть команды ИК пульта
Подключение выхода с ИК приёмника и выхода ИК пульта к осциллографу
Вот так выглядит посылка пульта целиком. Здесь жёлтая линия – аналоговый сигнал пульта ДУ, голубая – цифровой сигнал с выхода ИК приёмника. Видно, что продолжительность передачи составляет примерно 120 мс. Очевидно, время будет несколько варьироваться исходя из того, какие биты присутствуют в пакете.
Осциллограмма пакета с ИК пульта ДУ
При большем приближении видно, что высокочастотное заполнение, которое имеется в аналоговом сигнале, в цифровом сигнале с ИК приёмника отсутствует. Приёмник прекрасно справляется со своей задачей и показывает чистый цифровой сигнал. Видна последовательность коротких и длинных прямоугольных импульсов. Длительность коротких импульсов примерно 1,2 мс, длинных – в 2 раза больше.
Биты пакета ИК пульта, масштаб: 1 клетка – 200 мкс 
Биты пакета ИК пульта, масштаб: 1 клетка – 1 мс 
Начало пакета ИК пульта, масштаб: 1 клетка – 5 мс, только цифровой сигнал
Мы уже видели подобный сигнал, когда разбирали сигнал комнатной метеостанции. Возможно, здесь применяется тот же способ кодирования информации: короткие импульсы – это логический ноль, длинные – логическая единица. На следующем видео можно посмотреть пакет целиком:
Если зарисовать этот пакет, то получится как-то так:
Один из пакетов ИК пульта
Дальнейшие исследования показали, что все пакеты данного пульта ДУ состоят из двух пачек импульсов. Причём первая всегда содержит 35 бит, вторая – 32.
Есть несколько вариантов, как поступить для получения цифровых данных пакета:
- опрашивать пакет через равные промежутки времени (т.н. «стробирование»), а затем принимать решение, это логический «0» или «1»;
- ловить фронты импульсов (детектор фронта), затем определять их длительность и также принимать решение, какой это бит.
Напомню, что будем считать короткие импульсы логическим нулём, длинные – логической единицей.
Для реализации первого варианта понятно, с какой частотой необходимо опрашивать ИК датчик, чтобы принимать с него корректные данные: 600 мкс. Это время в два раза меньшее, чем длительность коротких импульсов сигнала (логических нулей). Или, если рассматривать с точки зрения частоты, опрашивать приёмник нужно в 2 раза большей частотой (вспомним Найквиста и Котельникова). Напишем скетч, реализующий вариант со стробированием.
Скетч для чтения пакета от ИК пульта методом стробирования
Поэкспериментируем с данным скетчем и ИК приёмником. Загрузим скетч в память Ардуино. Запустим последовательный монитор. Нажмём на пульте несколько раз одну и ту же кнопку и посмотрим, что мы увидим в мониторе.
Выводим принятые пакеты ИК пульта в последовательный монитор
Это похоже на пакет, который мы видели на осциллограмме, но всё-таки есть ошибки. Между одинаковыми пакетами также встречаются различия, которых быть не должно. Можно улучшить результат, если увеличить частоту стробирования, чтобы точнее определять биты пакета. Для безошибочного приёма необходимо чтобы строб попадал ближе к середине импульса. Но мы не можем гарантировать это, т.к. импульсы могут распространяться с варьирующимися задержками; Arduio выполняет код также не моментально, каждый цикл требует малого, но всё же времени, поэтому с каждым битом мы немного будем уходить от исходной позиции посередине импульса и рано или поздно «промахнёмся» (определим бит с ошибкой).
Перепишем скетч, используя метеод детекции фронтов.
Скетч для чтения пакета от ИК пульта методом детекции фронтов
Здесь мы ввели таймаут, чтобы выходить из цикла в любом случае, даже если фронт импульса не пришёл. Это гарантирует, что мы не окажемся в бесконечном цикле ожидания.
Загрузим скетч, запустим монитор, нажмём несколько раз ту же кнопку пульта.
Выводим принятые пакеты ИК пульта в последовательный монитор
Результат, как видно, более стабильный.