Aplikačný článok: Integrácia reflexného snímača objektov QRD1114

Aplikačný článok: Integrácia reflexného snímača objektov QRD1114

Aplikačný článok: Integrácia reflexného snímača objektov QRD1114

Tento článok poskytuje praktického sprievodcu používaním reflexného snímača objektov onsemi QRD1114 vo vstavaných systémoch. Pokrýva princíp činnosti snímača, kompletný návrh obvodu, príklad firmvéru a kľúčové aspekty výkonu na základe oficiálneho dátového listu.

1. Prehľad snímača

QRD1114 je kompaktný priechodný reflexný snímač, ktorý kombinuje infračervenú (IR) emisnú diódu a NPN fototranzistor v jednom puzdre. Keď sa pred snímač umiestni reflexný objekt, emitované IR svetlo sa odrazí späť na fototranzistor, ktorý potom vedie prúd. Tento výstupný prúd je úmerný odrazivosti objektu a vzdialenosti (D) od čela snímača. Zariadenie je bezolovnaté, v súlade s RoHS a obsahuje denný filter na zníženie rušenia okolitým svetlom.

2. Príklad aplikácie: Detekcia objektov pre dopravný pás

V scenári priemyselnej automatizácie možno QRD1114 použiť na detekciu prechádzajúcich balíkov na dopravnom páse. Snímač je namontovaný blízko povrchu pásu. Podľa dátového listu je optimálna snímacia vzdialenosť (D) 0,050 palca (1,27 mm) od čela snímača k reflexnému povrchu. Keď balík prechádza v tejto vzdialenosti, odrazené IR svetlo sa zvýši, čím sa kolektorový prúd fototranzistora dostane nad nastavenú hranicu, čo signalizuje prítomnosť objektu. Tento signál sa potom môže použiť na spustenie počítadla, aktiváciu presmerovača alebo zaznamenanie časovej pečiatky.

3. Návrh obvodu a rozhranie

Fototranzistor funguje ako prúdový výstup. Jednoduchý rozhranový obvod používa pull-up rezistor (R_L) na konverziu kolektorového prúdu (I_C) na napätie (V_OUT) čitateľné analógovo-digitálnym prevodníkom (ADC) mikrokontroléra alebo digitálnym vstupom s komparátorom.

3.1. Návrh schémy

3.2. Výber komponentov

• V_CC: 5V (alebo 3,3V, ak je kompatibilné s I/O mikrokontroléra).
• R₁ (obmedzenie prúdu IR LED): Na nastavenie I_F = 20 mA (typická testovacia podmienka), R₁ = (V_CC - V_F) / I_F. Pri V_F ≈ 1,5V pri 20 mA (pozri Obrázok 1 v dátovom liste), R₁ ≈ (5V - 1,5V) / 0,02A = 175 Ω. Vhodná je štandardná hodnota 180 Ω.
• R_L (Pull-up rezistor): Hodnota určuje rozsah výstupného napätia. Pri I_C(ON) min = 1 mA pri V_CE = 5V (testované pri D = 0,050 palca), rezistor 4,7 kΩ poskytuje dobrý kompromis. S prítomným objektom: V_OUT ≈ 5V - (1 mA * 4,7 kΩ) ≈ 0,3V (nízke). Bez objektu: V_OUT ≈ 5V (vysoké, pretože tmavý prúd je zanedbateľný). Odporúča sa rezistor 4,7 kΩ.
• C1: Voliteľný kondenzátor 0,1 µF na oddelenie napájania a filtrovanie šumu.

3.3. Príklad firmvéru (pseudokód v štýle Arduino)

const int sensorPin = A0; // Analógový vstupný pin
const int threshold = 200; // ADC prah (0-1023), upravte podľa testovania

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

void loop() {
  int sensorValue = analogRead(sensorPin);
  // V obvode vyššie je Vout NÍZKE, keď je objekt prítomný
  if (sensorValue < threshold) {
    Serial.println("Objekt detekovaný!");
    // Spustite akciu, napr. zvýšte počítadlo, aktivujte relé
  } else {
    Serial.println("Žiadny objekt");
  }
  delay(100);
}

4. Výkon a optimalizačné aspekty

Na základe dátového listu ovplyvňuje výstup snímača niekoľko faktorov. Najkritickejšia je sniacia vzdialenosť (D):

• Optimálna snímacia vzdialenosť: Technický list špecifikuje výkon pri D = 0,050 palca (1,27 mm). Ako je znázornené na obrázku 2, výstupný prúd prudko klesá so zvyšujúcou sa vzdialenosťou za týmto bodom. Pre spoľahlivú detekciu by mal byť senzor umiestnený čo najbližšie k tejto optimálnej vzdialenosti.
• Odrazivosť objektu: Špecifikácia I_C(ON) (min. 1 mA) sa meria pomocou bielej testovacej karty s 90% odrazivosťou. Tmavšie alebo matné povrchy produkujú slabší signál. Prahové hodnoty môžu vyžadovať úpravu pre konkrétny cieľový materiál.
• Teplota: Obrázok 3 v technickom liste ukazuje, že kolektorový prúd je pomerne stabilný v závislosti od teploty, ale tmavý prúd (obrázok 4) sa so zvyšujúcou sa teplotou zvyšuje. To môže ovplyvniť nastavenie prahových hodnôt pri vysokých teplotách.
• Okolité svetlo: Zabudovaný denný filter znižuje, ale neeliminuje účinok okolitého infračerveného svetla. V prostrediach s vysokým okolitým osvetlením môžu modulačné techniky (napr. pulzovanie LED a použitie synchronnej detekcie) zlepšiť odolnosť voči šumu.
• Presluchy: Špecifikácia I_CX (presluchy) (typ. 0,2 µA) je kolektorový prúd bez reflexného povrchu. Toto by sa malo zohľadniť pri návrhu prahových hodnôt.

5. Záver

QRD1114 je všestranné a nákladovo efektívne riešenie pre bezkontaktnú detekciu objektov v širokej škále aplikácií, s optimálnym snímacím rozsahom 1,27 mm (0,050 palca). Pochopením jeho elektrických charakteristík a dodržiavaním konštrukčných pokynov v tomto článku môžu inžinieri rýchlo integrovať tento senzor do robustných a spoľahlivých systémov. Vždy sa odporúča konzultovať najnovší technický list pre úplné špecifikácie a konštrukčné obmedzenia.

Referencie: Technický list onsemi QRD1114/D Reflective Object Sensor, december 2024 – Rev. 5.

Images

qrd1114-pins

qrd1114-1

qrd1114-pins

qrd1114-1