Toepassingsartikel: Integratie van de QRD1114 reflectieve objectsensor

Toepassingsartikel: Integratie van de QRD1114 reflectieve objectsensor

Toepassingsartikel: Integratie van de QRD1114 Reflectieve Object Sensor

Dit artikel biedt een praktische handleiding voor het gebruik van de onsemi QRD1114 reflectieve object sensor in embedded systemen. Het behandelt het werkingsprincipe van de sensor, een volledig circuitontwerp, firmwarevoorbeeld en belangrijke prestatieoverwegingen op basis van het officiële datasheet.

1. Sensoroverzicht

De QRD1114 is een compacte, through-hole reflectieve sensor die een infrarood (IR) emitterende diode en een NPN fototransistor combineert in één behuizing. Wanneer een reflecterend object voor de sensor wordt geplaatst, wordt het uitgezonden IR-licht teruggekaatst naar de fototransistor, die vervolgens stroom geleidt. Deze uitgangsstroom is evenredig met de reflectiviteit van het object en de afstand (D) tot het sensoroppervlak. Het apparaat is Pb-vrij, RoHS-conform en beschikt over een daglichtfilter om interferentie van omgevingslicht te verminderen.

2. Toepassingsvoorbeeld: Objectdetectie voor een transportband

In een industriële automatiseringsscenario kan de QRD1114 worden gebruikt om passerende pakketten op een transportband te detecteren. De sensor wordt dicht bij het bandoppervlak gemonteerd. Volgens het datasheet is de optimale detectieafstand (D) 0,050 inch (1,27 mm) van het sensoroppervlak tot het reflecterende oppervlak. Wanneer een pakket op deze afstand passeert, neemt het gereflecteerde IR-licht toe, waardoor de collectorstroom van de fototransistor boven een ingestelde drempel uitkomt, wat de aanwezigheid van een object signaleert. Dit signaal kan vervolgens worden gebruikt om een teller te activeren, een omleider te bedienen of een tijdstempel te loggen.

3. Circuitontwerp en interface

De fototransistor werkt als een stroomput. Een eenvoudig interfacecircuit gebruikt een pull-up weerstand (R_L) om de collectorstroom (I_C) om te zetten in een spanning (V_OUT) die leesbaar is door een analoog-naar-digitaal converter (ADC) van een microcontroller of een digitale ingang met een comparator.

3.1. Schematisch ontwerp

3.2. Componentselectie

• V_CC: 5V (of 3,3V indien compatibel met de I/O van de microcontroller).
• R₁ (IR LED-stroombegrenzing): Om I_F = 20 mA in te stellen (typische testconditie), R₁ = (V_CC - V_F) / I_F. Met V_F ≈ 1,5V bij 20 mA (zie Figuur 1 in het datasheet), R₁ ≈ (5V - 1,5V) / 0,02A = 175 Ω. Een standaardwaarde van 180 Ω is geschikt.
• R_L (Pull-up weerstand): De waarde bepaalt de uitgangsspanningszwaai. Met I_C(ON) min = 1 mA bij V_CE = 5V (getest bij D = 0,050 inch), biedt een 4,7 kΩ weerstand een goede afweging. Met object aanwezig: V_OUT ≈ 5V - (1 mA * 4,7 kΩ) ≈ 0,3V (laag). Zonder object: V_OUT ≈ 5V (hoog, omdat donkerstroom verwaarloosbaar is). Een 4,7 kΩ weerstand wordt aanbevolen.
• C1: Optionele 0,1 µF condensator voor voedingsontkoppeling en ruisfiltering.

3.3. Firmwarevoorbeeld (Arduino-achtige pseudocode)

const int sensorPin = A0; // Analoge ingangspin
const int threshold = 200; // ADC-drempel (0-1023), aanpassen op basis van testen

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(sensorPin, INPUT);
}

void loop() {
  int sensorValue = analogRead(sensorPin);
  // In het bovenstaande circuit is Vout LAAG wanneer een object aanwezig is
  if (sensorValue < threshold) {
    Serial.println("Object gedetecteerd!");
    // Activeer een actie, bijv. teller verhogen, relais activeren
  } else {
    Serial.println("Geen object");
  }
  delay(100);
}

4. Prestatie- en optimalisatieoverwegingen

Op basis van het datasheet beïnvloeden verschillende factoren de uitgang van de sensor. De meest kritische is de detectieafstand (D):

• Optimale detectieafstand: Het datasheet specificeert de prestaties bij D = 0,050 inch (1,27 mm). Zoals weergegeven in figuur 2, neemt de uitgangsstroom sterk af naarmate de afstand groter wordt dan dit punt. Voor betrouwbare detectie moet de sensor zo dicht mogelijk bij deze optimale afstand worden geplaatst.
• Reflectiviteit van het object: De I_C(ON)-specificatie (1 mA min) wordt gemeten met een witte testkaart met 90% reflectie. Donkerdere of matte oppervlakken produceren een zwakker signaal. Drempelwaarden moeten mogelijk worden afgestemd op het specifieke doelwitmateriaal.
• Temperatuur: Figuur 3 in het datasheet toont dat de collectorstroom redelijk stabiel is over temperatuur, maar de donkerstroom (figuur 4) neemt toe met de temperatuur. Dit kan de drempelinstellingen bij hoge temperaturen beïnvloeden.
• Omgevingslicht: Het ingebouwde daglichtfilter vermindert, maar elimineert niet, het effect van omgevings-IR-licht. In omgevingen met veel omgevingslicht kunnen modulatietechnieken (bijv. het pulseren van de LED en het gebruik van synchrone detectie) de ruisimmuniteit verbeteren.
• Overspraak: De I_CX-specificatie (overspraak) (0,2 µA typisch) is de collectorstroom zonder reflecterend oppervlak. Hiermee moet rekening worden gehouden bij het ontwerp van de drempelwaarde.

5. Conclusie

De QRD1114 is een veelzijdige en kosteneffectieve oplossing voor contactloze objectdetectie in een breed scala aan toepassingen, met een optimaal detectiebereik van 1,27 mm (0,050 inch). Door de elektrische kenmerken te begrijpen en de ontwerprichtlijnen in dit artikel te volgen, kunnen ingenieurs deze sensor snel integreren in robuuste en betrouwbare systemen. Raadpleeg altijd het nieuwste datasheet voor volledige specificaties en ontwerpbeperkingen.

Referenties: onsemi QRD1114/D Reflective Object Sensor Datasheet, december 2024 – Rev. 5.

Afbeeldingen

qrd1114-pins

qrd1114-1

qrd1114-pins

qrd1114-1