Artykuł aplikacyjny: Integracja odblaskowego czujnika obiektów QRD1114

Artykuł aplikacyjny: Integracja odblaskowego czujnika obiektów QRD1114

Artykuł aplikacyjny: Integracja odbiciowego czujnika obiektów QRD1114

Ten artykuł stanowi praktyczny przewodnik dotyczący wykorzystania odbiciowego czujnika obiektów QRD1114 firmy onsemi w systemach wbudowanych. Omówiono w nim zasadę działania czujnika, kompletny projekt obwodu, przykład oprogramowania układowego oraz kluczowe aspekty wydajnościowe na podstawie oficjalnej karty katalogowej.

1. Przegląd czujnika

Czujnik QRD1114 to kompaktowy, przewlekany czujnik odbiciowy łączący diodę elektroluminescencyjną na podczerwień (IR) i fototranzystor NPN w jednej obudowie. Gdy przed czujnikiem znajduje się obiekt odbijający światło, emitowane światło podczerwone odbija się z powrotem do fototranzystora, który następnie przewodzi prąd. Ten prąd wyjściowy jest proporcjonalny do współczynnika odbicia obiektu oraz odległości (D) od powierzchni czujnika. Urządzenie jest bezołowiowe, zgodne z dyrektywą RoHS i wyposażone w filtr światła dziennego ograniczający zakłócenia od światła otoczenia.

2. Przykład zastosowania: Wykrywanie obiektów na taśmie przenośnika

W scenariuszu automatyki przemysłowej czujnik QRD1114 może być używany do wykrywania przechodzących paczek na taśmie przenośnika. Czujnik jest montowany blisko powierzchni taśmy. Zgodnie z kartą katalogową optymalna odległość wykrywania (D) wynosi 0,050 cala (1,27 mm) od powierzchni czujnika do powierzchni odbijającej. Gdy paczka przechodzi w tej odległości, odbite światło podczerwone wzrasta, zwiększając prąd kolektora fototranzystora powyżej ustalonego progu, co sygnalizuje obecność obiektu. Sygnał ten może być następnie użyty do wyzwolenia licznika, aktywacji rozgałęźnika lub rejestracji znacznika czasu.

3. Projekt obwodu i interfejs

Fototranzystor działa jako źródło prądu. Prosty obwód interfejsu wykorzystuje rezystor podciągający (R_L) do konwersji prądu kolektora (I_C) na napięcie (V_OUT) odczytywalne przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) mikrokontrolera lub wejście cyfrowe z komparatorem.

3.1. Projekt schematu

3.2. Dobór komponentów

• V_CC: 5V (lub 3,3V, jeśli jest kompatybilne z wejściami/wyjściami mikrokontrolera).
• R₁ (ograniczenie prądu diody IR LED): Aby ustawić I_F = 20 mA (typowy warunek testowy), R₁ = (V_CC - V_F) / I_F. Przy V_F ≈ 1,5V przy 20 mA (patrz Rysunek 1 w karcie katalogowej), R₁ ≈ (5V - 1,5V) / 0,02A = 175 Ω. Standardowa wartość 180 Ω jest odpowiednia.
• R_L (rezystor podciągający): Wartość określa zakres napięcia wyjściowego. Przy I_C(ON) min = 1 mA przy V_CE = 5V (testowane przy D = 0,050 cala), rezystor 4,7 kΩ zapewnia dobry kompromis. Z obiektem: V_OUT ≈ 5V - (1 mA * 4,7 kΩ) ≈ 0,3V (niski poziom). Bez obiektu: V_OUT ≈ 5V (wysoki poziom, ponieważ prąd ciemny jest pomijalny). Zalecany jest rezystor 4,7 kΩ.
• C1: Opcjonalny kondensator 0,1 µF do odsprzęgania zasilania i filtrowania szumów.

3.3. Przykład oprogramowania układowego (pseudokod w stylu Arduino)

const int sensorPin = A0; // Analogowy pin wejściowy
const int threshold = 200; // Próg ADC (0-1023), wyreguluj na podstawie testów

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

void loop() {
  int sensorValue = analogRead(sensorPin);
  // W powyższym obwodzie Vout jest niski, gdy obiekt jest obecny
  if (sensorValue < threshold) {
    Serial.println("Wykryto obiekt!");
    // Wyzwól akcję, np. zwiększ licznik, aktywuj przekaźnik
  } else {
    Serial.println("Brak obiektu");
  }
  delay(100);
}

4. Zagadnienia wydajnościowe i optymalizacyjne

Na podstawie karty katalogowej kilka czynników wpływa na sygnał wyjściowy czujnika. Najbardziej krytyczna jest odległość wykrywania (D):

• Optymalna odległość wykrywania: Karta katalogowa określa wydajność przy D = 0,050 cala (1,27 mm). Jak pokazano na rysunku 2, prąd wyjściowy gwałtownie maleje wraz ze wzrostem odległości powyżej tego punktu. Aby zapewnić niezawodne wykrywanie, czujnik powinien być umieszczony jak najbliżej tej optymalnej odległości.
• Odbijalność obiektu: Specyfikacja I_C(ON) (min. 1 mA) jest mierzona przy użyciu białej karty testowej o odbijalności 90%. Ciemniejsze lub matowe powierzchnie generują słabszy sygnał. Progi mogą wymagać dostrojenia do konkretnego materiału docelowego.
• Temperatura: Rysunek 3 w karcie katalogowej pokazuje, że prąd kolektora jest dość stabilny w zakresie temperatur, ale prąd ciemny (rysunek 4) wzrasta wraz z temperaturą. Może to wpływać na ustawienia progów w wysokich temperaturach.
• Światło otoczenia: Wbudowany filtr światła dziennego redukuje, ale nie eliminuje, wpływ otaczającego światła podczerwonego. W środowiskach o wysokim poziomie światła otoczenia techniki modulacji (np. pulsowanie diody LED i zastosowanie detekcji synchronicznej) mogą poprawić odporność na zakłócenia.
• Przesłuch: Specyfikacja I_CX (przesłuch) (typ. 0,2 µA) to prąd kolektora przy braku powierzchni odbijającej. Należy to uwzględnić przy projektowaniu progów.

5. Wnioski

QRD1114 to wszechstronne i opłacalne rozwiązanie do bezdotykowego wykrywania obiektów w szerokim zakresie zastosowań, z optymalnym zakresem wykrywania wynoszącym 1,27 mm (0,050 cala). Dzięki zrozumieniu jego charakterystyk elektrycznych i przestrzeganiu wskazówek projektowych zawartych w tym artykule, inżynierowie mogą szybko zintegrować ten czujnik z niezawodnymi i solidnymi systemami. Zawsze należy odwoływać się do najnowszej karty katalogowej w celu uzyskania pełnych specyfikacji i ograniczeń projektowych.

Referencje: Karta katalogowa czujnika odbiciowego QRD1114/D firmy onsemi, grudzień 2024 – wersja 5.

Obrazy

qrd1114-pins

qrd1114-1

qrd1114-pins

qrd1114-1