บทความการประยุกต์ใช้งาน: การบูรณาการเซนเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบสะท้อนแสง QRD1114

บทความการประยุกต์ใช้งาน: การบูรณาการเซนเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบสะท้อนแสง QRD1114

บทความการประยุกต์ใช้งาน: การบูรณาการเซนเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบสะท้อนแสง QRD1114

บทความนี้ให้คำแนะนำเชิงปฏิบัติสำหรับการใช้เซนเซอร์ตรวจจับวัตถุแบบสะท้อนแสง QRD1114 ของ onsemi ในระบบฝังตัว โดยครอบคลุมหลักการทำงานของเซนเซอร์ การออกแบบวงจรที่สมบูรณ์ ตัวอย่างเฟิร์มแวร์ และข้อพิจารณาด้านประสิทธิภาพที่สำคัญตามข้อมูลจำเพาะอย่างเป็นทางการ

1. ภาพรวมเซนเซอร์

QRD1114 เป็นเซนเซอร์แบบสะท้อนแสงขนาดกะทัดรัดแบบทะลุรู ประกอบด้วยไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรด (IR) และโฟโตทรานซิสเตอร์ชนิด NPN ในแพ็คเกจเดียว เมื่อวางวัตถุที่สะท้อนแสงไว้ด้านหน้าเซนเซอร์ แสงอินฟราเรดที่เปล่งออกมาจะสะท้อนกลับไปยังโฟโตทรานซิสเตอร์ ซึ่งจะนำกระแสไฟฟ้า กระแสเอาต์พุตนี้เป็นสัดส่วนกับการสะท้อนแสงของวัตถุและระยะห่าง (D) จากพื้นผิวเซนเซอร์ อุปกรณ์นี้ปลอดสารตะกั่ว เป็นไปตามข้อกำหนด RoHS และมีตัวกรองแสงกลางวันเพื่อลดการรบกวนจากแสงแวดล้อม

2. ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งาน: การตรวจจับวัตถุสำหรับสายพานลำเลียง

ในสถานการณ์ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม QRD1114 สามารถใช้ตรวจจับพัสดุที่เคลื่อนผ่านบนสายพานลำเลียงได้ โดยติดตั้งเซนเซอร์ใกล้กับพื้นผิวสายพาน ตามข้อมูลจำเพาะ ระยะการตรวจจับที่เหมาะสมที่สุด (D) คือ 0.050 นิ้ว (1.27 มม.) จากพื้นผิวเซนเซอร์ถึงพื้นผิวสะท้อนแสง เมื่อพัสดุเคลื่อนผ่านที่ระยะนี้ แสงอินฟราเรดที่สะท้อนจะเพิ่มขึ้น ทำให้กระแสคอลเลกเตอร์ของโฟโตทรานซิสเตอร์สูงเกินเกณฑ์ที่ตั้งไว้ ส่งสัญญาณการมีอยู่ของวัตถุ สัญญาณนี้สามารถใช้เพื่อกระตุ้นตัวนับ เปิดใช้งานตัวเบี่ยงทิศทาง หรือบันทึกเวลาได้

3. การออกแบบวงจรและการเชื่อมต่อ

โฟโตทรานซิสเตอร์ทำงานเป็นตัวจมกระแส วงจรเชื่อมต่อแบบง่ายใช้ตัวต้านทานดึงขึ้น (R_L) เพื่อแปลงกระแสคอลเลกเตอร์ (I_C) เป็นแรงดันไฟฟ้า (V_OUT) ที่ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถอ่านได้ผ่านตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) หรืออินพุตดิจิทัลพร้อมตัวเปรียบเทียบ

3.1. การออกแบบแผนผังวงจร

3.2. การเลือกส่วนประกอบ

• V_CC: 5V (หรือ 3.3V หากเข้ากันได้กับ I/O ของไมโครคอนโทรลเลอร์)
• R₁ (ตัวจำกัดกระแส IR LED): เพื่อตั้งค่า I_F = 20 mA (เงื่อนไขการทดสอบทั่วไป) R₁ = (V_CC - V_F) / I_F ด้วย V_F ≈ 1.5V ที่ 20 mA (ดูรูปที่ 1 ในข้อมูลจำเพาะ) R₁ ≈ (5V - 1.5V) / 0.02A = 175 Ω ค่ามาตรฐาน 180 Ω เหมาะสม
• R_L (ตัวต้านทานดึงขึ้น): ค่านี้กำหนดช่วงสวิงของแรงดันเอาต์พุต ด้วย I_C(ON) ขั้นต่ำ = 1 mA ที่ V_CE = 5V (ทดสอบที่ D = 0.050 นิ้ว) ตัวต้านทาน 4.7 kΩ ให้การแลกเปลี่ยนที่ดี เมื่อมีวัตถุ: V_OUT ≈ 5V - (1 mA * 4.7 kΩ) ≈ 0.3V (ต่ำ) เมื่อไม่มีวัตถุ: V_OUT ≈ 5V (สูง เนื่องจากกระแสมืดมีค่าน้อยมาก) แนะนำตัวต้านทาน 4.7 kΩ
• C1: ตัวเก็บประจุ 0.1 µF เพิ่มเติมสำหรับการแยกแหล่งจ่ายไฟและการกรองสัญญาณรบกวน

3.3. ตัวอย่างเฟิร์มแวร์ (โค้ดเทียมแบบ Arduino)

const int sensorPin = A0; // ขาอินพุตอนาล็อก
const int threshold = 200; // เกณฑ์ ADC (0-1023) ปรับตามการทดสอบ

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

void loop() {
  int sensorValue = analogRead(sensorPin);
  // ในวงจรข้างต้น Vout จะต่ำเมื่อมีวัตถุ
  if (sensorValue < threshold) {
    Serial.println("ตรวจพบวัตถุ!");
    // กระตุ้นการทำงาน เช่น เพิ่มตัวนับ เปิดใช้งานรีเลย์
  } else {
    Serial.println("ไม่มีวัตถุ");
  }
  delay(100);
}

4. ข้อพิจารณาด้านประสิทธิภาพและการปรับให้เหมาะสม

ตามข้อมูลจำเพาะ มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อเอาต์พุตของเซนเซอร์ ปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือ ระยะการตรวจจับ (D):

• ระยะการตรวจจับที่เหมาะสมที่สุด: แดตาชีตระบุประสิทธิภาพที่ D = 0.050 นิ้ว (1.27 มม.) ดังแสดงในรูปที่ 2 กระแสเอาต์พุตจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระยะทางเพิ่มขึ้นเกินจุดนี้ สำหรับการตรวจจับที่เชื่อถือได้ ควรวางเซนเซอร์ให้ใกล้กับระยะที่เหมาะสมที่สุดนี้มากที่สุด
• การสะท้อนแสงของวัตถุ: ค่าพิกัด I_C(ON) (ขั้นต่ำ 1 mA) วัดโดยใช้การ์ดทดสอบสีขาวที่สะท้อนแสง 90% พื้นผิวที่เข้มกว่าหรือด้านจะให้สัญญาณที่อ่อนกว่า อาจต้องปรับเกณฑ์สำหรับวัสดุเป้าหมายเฉพาะ
• อุณหภูมิ: รูปที่ 3 ในแดตาชีตแสดงว่ากระแสคอลเลกเตอร์ค่อนข้างเสถียรเมื่อเทียบกับอุณหภูมิ แต่กระแสมืด (รูปที่ 4) จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ซึ่งอาจส่งผลต่อการตั้งค่าเกณฑ์ที่อุณหภูมิสูง
• แสงโดยรอบ: ฟิลเตอร์กรองแสงกลางวันในตัวช่วยลดแต่ไม่ได้กำจัดผลของแสงอินฟราเรดโดยรอบ ในสภาพแวดล้อมที่มีแสงสูง เทคนิคการมอดูเลต (เช่น การพัลส์ LED และใช้การตรวจจับแบบซิงโครนัส) สามารถปรับปรุงความทนทานต่อสัญญาณรบกวนได้
• ครอสทอล์ค: ค่าพิกัด I_CX (ครอสทอล์ค) (ทั่วไป 0.2 µA) คือกระแสคอลเลกเตอร์เมื่อไม่มีพื้นผิวสะท้อนแสง ควรพิจารณาค่านี้ในการออกแบบเกณฑ์

5. บทสรุป

QRD1114 เป็นโซลูชันที่หลากหลายและคุ้มค่าสำหรับการตรวจจับวัตถุแบบไม่สัมผัสในการใช้งานที่หลากหลาย โดยมีระยะการตรวจจับที่เหมาะสมที่สุดที่ 1.27 มม. (0.050 นิ้ว) การทำความเข้าใจคุณลักษณะทางไฟฟ้าและการปฏิบัติตามแนวทางการออกแบบในบทความนี้ วิศวกรสามารถรวมเซนเซอร์นี้เข้ากับระบบที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้อย่างรวดเร็ว ควรอ้างอิงแดตาชีตล่าสุดเสมอสำหรับข้อมูลจำเพาะและข้อจำกัดการออกแบบที่สมบูรณ์

เอกสารอ้างอิง: แดตาชีตเซนเซอร์วัตถุสะท้อนแสง onsemi QRD1114/D, ธันวาคม 2024 – Rev. 5.

ภาพ

qrd1114-pins

qrd1114-1

qrd1114-pins

qrd1114-1