Как проверить фотодатчик: принцип работы и подключение к Ардуино

Термин

Фоторезистор — это, по сути, полупроводниковый прибор, который под воздействием света способен изменять свою проводимость или сопротивление.

Их отличает отсутствие pn перехода, который широко используется в солнечных фотопластинках.

А поскольку здесь нет pn-перехода, этот элемент имеет свойство пропускать ток, несмотря на его направленность. Эта отличительная особенность позволяет использовать их в электрических цепях переменного или постоянного тока.

Характеристики фоторезисторов

Итак, у фоторезисторов есть основные особенности, на которые обращаешь внимание при выборе:

• Темное сопротивление. Как следует из названия, это сопротивление фоторезистора в темноте, то есть при отсутствии светового потока.
• Интегральная светочувствительность — описывает реакцию элемента, изменение тока через него на изменение светового потока. Измеряется при постоянном напряжении в А / лм (или мА, мкА / лм). Он обозначается как S. S = Iph / F, где Iph — фототок, а F — световой поток.

В этом случае указывается фототок. В этом разница между темновым током и током освещенного элемента, то есть той части, которая возникла из-за эффекта фотопроводимости (аналогично эффекту фоторезиста).

Примечание: сопротивление в темноте, конечно, типично для каждой конкретной модели, например для FSK-G7 оно составляет 5 МОм, а интегральная чувствительность составляет 0,7 А / лм.

Помните, что фоторезисторы обладают определенной инерцией, то есть его сопротивление изменяется не сразу после облучения световым потоком, а с небольшой задержкой. Этот параметр называется частотой среза. Это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток через элемент, при котором чувствительность элемента уменьшается в 2 раза (1,41). Скорость компонентов обычно находится в пределах десятков микросекунд (10 ^ (- 5) с). Поэтому использование фоторезистора в схемах, где требуется быстрый отклик, ограничено и часто не требуется.

Устройство

Форма тела или активного слоя меняется от модели к модели, но одно остается неизменным.

Это основа: подставка из керамического материала.

Тончайший слой золотого или платинового проводника наносится на подложку змейкой.

Кроме того, в качестве полупроводников могут использоваться различные типы фоторезистивных материалов.

Если вы хотите уловить видимый свет с длинной волны:

Чаще всего используются селенид кадмия и сульфид кадмия.

Для фиксации инфракрасного излучения пластины могут быть изготовлены из:

• германий в чистом виде или с добавлением мелких примесей;
• кремний;
• сульфид свинца и другие химические соединения на его основе.

В чистом виде германий или кремний обнаруживают в частях, обладающих собственным фотоэлектрическим эффектом.

Остальные примеси могут быть применены в устройствах с внешним фотоэффектом.

Производство первых фоторезисторов серо-висмутовой серии в нашей стране началось в 1948 году.

Позже они были заменены моделями из сульфида кадмия и селена кадмия, которые показали гораздо лучшие параметры.

В любом случае свойства остаются прежними.

Осажденные таким образом слои имеют выводы к электродам, через которые проходит электрический ток.

Сверху вся конструкция помещена в кожух, защищенный тонким слоем прозрачного пластика, через который проникают световые потоки.

Форма, размер и материал защитного футляра могут отличаться. Эти параметры определяются производителем в зависимости от назначения фоторезистора и выглядят по-разному.

Устройство обычного фоторезистора может быть разной конструкции:

• в металлическом корпусе;
• в пластиковом футляре;
• открытого типа.

Металлическое напыление применяется не всегда. Проводящий слой можно вырезать из тонкого полупроводникового слоя.

Также есть варианты пленочных фотодатчиков.

Обозначение на схемах

Фоторезистор обозначен на схеме подключения почти так же, как и стандартный резистор. Но есть небольшая разница. Это всегда один и тот же прямоугольник, но в круге, за пределами которого находится изображение двух стрелок под углом 45 °. Эти стрелки символически показывают падающий на элемент поток излучения.

Это обозначение было принято Международной электротехнической комиссией IEC (Международная электротехническая комиссия).

В зарубежных источниках можно увидеть еще один символ. Фотоэлемент условно показан пунктирной линией. Это устаревшее соглашение, но оно также довольно часто встречается на диаграммах.

Принцип работы

Посмотрим, как работает фоторезистор?

В неактивном состоянии он является диэлектриком. Для того, чтобы устройство начало проводить ток, необходимо оказать на него внешнее воздействие. Тепловой или, как в нашем случае, световой.

Фотоны света, попадая на активный слой, насыщают его электронами, и теперь появляется способность передавать электрический ток. Есть прямая взаимосвязь, которую можно увидеть на графике.

Из графика видно, что чем больше электронов образуется, тем ниже электрическое сопротивление полупроводника. На этом свойстве фоторезистора основан принцип его работы.

Кроме того, эффект образования электронов может вызывать как видимый спектр излучения, так и инфракрасное. В последнем случае они способны генерировать гораздо больше энергии.

Восприимчивость слоя фоторезиста можно повысить, легируя его различными добавками. После такой обработки фоторезисторы уменьшаются, но повышается светочувствительность в спектрах видимого света.

Для этих элементов характерен процесс старения. Выражается:

• в снижении омического сопротивления;
• изменения фототока;
• повышается чувствительность.

Этот процесс недолговечный — до нескольких сотен часов, затем параметры стабилизируются.

Виды

В целом все фотосенсоры делятся на две основные группы:

1. Детали с внутренним фотографическим эффектом.
2. Детали с внешним фотоэффектом.

Они отличаются друг от друга технологией производства, а точнее составом самого слоя фоторезиста.

Если в первом при изготовлении используются чистейшие химические компоненты, без примесей. Таким образом, характеристики сенсора меняются, фоторезистор практически не реагирует на видимый свет, но хорошо работает в инфракрасном диапазоне.

Последние, наоборот, содержат примеси в полупроводниковом веществе. За счет этого спектр чувствительности в зоне видимого света расширяется и даже захватывает инфракрасные лучи (тепловые лучи).

Хотя по принципу действия и способу подключения эти два типа не отличаются: внутреннее сопротивление уменьшается с увеличением интенсивности падающего на них светового потока.

На самом деле это свойство помогает при установке карт с фотодатчиками. Вопрос, как проверить фоторезистор, решается проверкой его сопротивления мультиметром. Рабочий элемент должен иметь большую прочность при отсутствии освещения. Если на его чувствительный элемент будет подан свет, сопротивление мгновенно упадет до нескольких кОм.

Область применения

В современном мире ассортимент этих радиодеталей значительно расширился.

Использование разнообразных фоторезисторов, работающих в видимой области спектра, довольно обширно. Может быть:

1. Системы автоматического освещения.
2. Счетные устройства.
3. Датчики обрыва ткани или бумаги.
4. Датчики проникновения.
5. В приборах, оборудованных экспонометрами. Например, такие элементы можно использовать в типичных фотоаппаратах для мыльниц.

Сами по себе они всего лишь элемент сложных фотоприемников, в состав которых, помимо фотоприемника, могут входить:

• интегрированный усилитель;
• микросхема, отвечающая за автоматическое управление освещением;
• схемы силовых соединений, интегрированные системой охлаждения Пельтье.

Все это разнообразие фотоприемных элементов заключено в небольшой герметичный корпус.

Если эти устройства работают в инфракрасном диапазоне, их область применения немного отличается. Они используются в составе сложных устройств, таких как:

• датчики пламени;
• системы бесконтактного измерения температуры;
• системы контроля уровня влажности;
• используется для обнаружения углекислого газа;
• в инфракрасных газоанализаторах;
• используются в датчиках обрыва полотна в полиграфической или бумажной промышленности;
• в промышленной электронике подключение фоторезистора может использоваться для автоматического подсчета предметов, движущихся по конвейерной ленте.

Соответственно, исходя из того, чем будет управлять такой резистор, рассчитываются его параметры.

Для примера того, как этот элемент используется на практике, давайте рассмотрим схему фотореле, управляющую уличным освещением.

Автоматика уличного освещения

Уличные светильники способны определять наличие / отсутствие солнечного света.

Вот типичная реализация подключения фоторезистора для автоматического включения ночника.

В общих чертах принцип работы схемы.

С наступлением сумерек и ночью сопротивление LDR увеличивается, что вызывает уменьшение напряжения на переменном резисторе R2. Транзистор VT1 закрывается, а VT2 открывается, а затем напряжение подается на реле, которое включает лампу.

Это полнофункциональная схема фотографического реле, но ее главный недостаток — отсутствие гистерезиса. Это заставляет реле на мгновение дребезжать в сумерках, когда есть небольшие изменения в освещении.

Эта электронная часть помогает отслеживать уровень внешней освещенности.

Датчики наличия других условий

В полиграфической промышленности структуры на специальном фоторезисторе отслеживают обрыв рулона бумаги. Их также можно использовать для подсчета листов бумаги на конвейерной ленте.

Подключение фоторезистора к ардуино

Датчики света, которые могут использовать фоторезисторы, можно реализовать своими руками на базе плат Arduino.

Такие схемы достаточно просты, вопрос «где найти» не стоит, они есть в интернет-магазинах и их цена не пугает покупателей.

Самодельный модуль позволяет контролировать уровень освещения и реагировать на его изменение.

Имея в руках такую ​​плату Arduino, легко реализовать такие проекты, как:

• световой датчик;
• включить / выключить реле;
• запускать двигатели и так далее.

Вот типичный пример использования детектора света на базе Arduino.

Типы фоторезисторов

Фоторезисторы делятся на два типа в зависимости от материала, из которого они сделаны:

• Внутренний фотоэлектрический эффект
• Внешний фотоэффект

Фоторезистор с внутренним фотоэффектом

Запатентованные фоторезисторы изготовлены из чистых полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий. Внешняя оболочка любого атома может содержать до восьми валентных электронов. Однако в кремнии или германии каждый атом состоит только из четырех валентных электронов. Эти четыре валентных электрона от каждого атома образуют четыре ковалентные связи с четырьмя соседними атомами, чтобы полностью заполнить внешнюю оболочку. Следовательно, ни один электрон не остается свободным.

Когда мы прикладываем световую энергию к фоторезистору с внутренним эффектом, только небольшое количество валентных электронов получает достаточную энергию и высвобождается из родительского атома. В результате образуется небольшое количество носителей заряда. В результате через внутренний фоторезистор протекает лишь небольшой электрический ток.

Внутренние фоторезисторы менее чувствительны к свету, поэтому они ненадежны для практического применения.

Фоторезистор с внешним фотоэффектом

Внешние фотоэлектрические резисторы изготовлены из внешних полупроводниковых материалов. Рассмотрим пример внешнего фоторезистора, состоящего из комбинации атомов кремния и примеси фосфора.

Каждый атом кремния имеет четыре валентных электрона, а каждый атом фосфора имеет пять валентных электронов.

Четыре валентных электрона атома фосфора образуют четыре ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния. Однако пятый валентный электрон атома фосфора не может образовывать ковалентную связь с атомом кремния, поскольку атом кремния имеет только четыре валентных электрона. В результате из атома высвобождается пятый валентный электрон каждого атома фосфора. Таким образом, каждый атом фосфора генерирует свободный электрон.

Образовавшийся свободный электрон сталкивается с валентными электронами других атомов и освобождает их. Точно так же один свободный электрон порождает несколько свободных электронов. Следовательно, добавление небольшого количества примесных атомов (фосфора) генерирует миллионы свободных электронов.

Внешние фоторезисторы уже содержат большое количество носителей заряда. Следовательно, предоставление небольшого количества световой энергии генерирует еще больше носителей заряда. Следовательно, электрический ток быстро увеличивается.

Увеличение электрического тока означает уменьшение сопротивления. Сопротивление внешнего фоторезистора быстро уменьшается при небольшом увеличении приложенной световой энергии. Внешние фоторезисторы надежны для практического применения.

Как проверить исправность элемента

Проверить фоторезистор на самом деле очень просто. Для этого нам понадобится мультиметр и, например, папка для документов.

Проверка осуществляется следующим образом: переведите ручку мультиметра в положение измерения сопротивления, соедините щупы с крокодилами (полярность не имеет значения) и поместите элемент в папку, чтобы исключить влияние света на элемент.

Таким образом достигается сопротивление элемента в затемненном состоянии. Вынув фоторезистор из папки, вы увидите, что сопротивление элемента изменилось. Кроме того, чем интенсивнее световой поток, тем меньше сопротивление элемента.

Чувствительность и инертность фоторезистора

Чувствительность фоторезистора зависит от длины волны света. Если длина волны находится за пределами рабочего диапазона, свет не влияет на синфазную решетку. Можно сказать, что фоторезистор не чувствителен в этом диапазоне длин волн. Эти радиокомпоненты имеют меньшую чувствительность, чем фототранзисторы и фотодиоды.

Еще одна важная особенность фоторезистора называется инерцией, ее физический смысл заключается в том, что существует некоторая инерция (или, проще говоря, время задержки) между изменениями освещения и последующим изменением сопротивления. Требуется около 10 мс, чтобы сопротивление упало до минимально возможного значения при полном освещении, и около секунды, чтобы сопротивление поднялось до максимального значения после уменьшения яркости того же компонента.

Чувствительность и инерционность фоторезистора.

Составляющие фоторезистора

В общем случае фоторезистор представляет собой керамическую подложку, на которую нанесен светочувствительный слой в качестве первой оболочки и металлический слой с пустым пространством в виде изогнутой линии — «змейка» — в качестве второй. Зазор разделяет металлизацию на два отдельных контактных слоя, к которым крепятся паяные штыри. Змеевидный вырез обеспечивает хорошее освещение светочувствительного материала.

В качестве светочувствительного слоя могут использоваться материалы: сульфид кадмия, сульфид свинца, селенит кадмия и другие.

Выбор материала при изготовлении фоторезистора зависит от его спектральной характеристики, то есть от диапазона длин волн при освещении, который будет правильно изменять сопротивление элемента. Поэтому при выборе фоторезистора необходимо учитывать спектр, в котором он работает.

Особенности фоторезисторов

Фоторезистор предназначен не для точного измерения освещенности, а для определения того, стало ли окружение светлее или темнее.

Фоторезисторы не имеют pn перехода, поэтому вы можете подключить компонент к цепи, не думая о плюсах и минусах.

Фоторезистор инертен, т.е есть время задержки между изменением сопротивления от засветки. Для значительного падения сопротивления от воздействия луча света требуется около 10 миллисекунд.

В противном случае сброс значения сопротивления займет около 1 секунды. Благодаря этим свойствам фоторезистор постепенно заменяется другими компонентами, которые быстро фиксируют резкие скачки освещения.

Единица измерения

Единица освещенности в системе СИ называется люкс, что формально представляет собой «световой поток на единицу площади». В фотометрии люкс используется как мера интенсивности света, попадающего или проходящего через поверхность, воспринимаемого человеческим глазом.

Освещение, люкс Пример

0,002	Ясное и безлунное ночное небо
0,25-1	Полнолуние
50	Гостинная
80	Коридор / WC
сто	Темный пасмурный день
300-500	Восход или закат в ясный день
1000	Пасмурный день / Обычное освещение для телестудии
10000-25000	Полный дневной свет (без прямых солнечных лучей)
32000-30000	Полный дневной свет (прямой солнечный свет)

Материалы чувствительного слоя фоторезисторов

Фоторезисторы изготавливаются на основе полупроводников как с собственной, так и с примесной фотопроводимостью.

Полупроводники с собственной фотопроводимостью — это соединения на основе свинца (PbS — сульфид свинца, PbSe — селенид свинца, PbTe — теллурид свинца) и индия (InAs — арсенид индия, InSb — антимонид индия).

Полупроводники с фотопроводимостью примесей включают германий и кремний, легированные примесями таких элементов, как золото (Ge: Au), цинк (Ge: Zn), кадмий (Ge: Cd), медь (Ge: Cu), ртуть (Ge: Hg), бор (Si: B), селен (Si: Se), индий (Si: In).

Материалы на основе CdS и CdSe классифицируются как полупроводники как с собственной, так и с примесной фотопроводимостью, поскольку они могут содержать примесь меди Cu или серебра Ag.

Каждый из материалов имеет свой диапазон спектральной чувствительности. На следующем графике показаны относительные спектральные характеристики некоторых полупроводников.

Кроме того, на графике показаны характеристики полупроводников, используемых в охлаждаемых фоторезисторах:

• PbS (77 ° K), PbSe (77 ° K), InSb (77 ° K) при -196,15 ° C (77 ° K — 273,15);
• PbS (195 ° K) при -78,15 ° C (195 ° K — 273,15).

Для работы в видимом человеческом глазу спектре в основном используются фоторезисторы с чувствительным слоем сульфида (CdS) и селенида кадмия (CdSe).

• CdS (сульфид кадмия. Он же сульфид кадмия, сульфид кадмия) — это соединение является полупроводником. Он имеет желтый цвет, но с добавлением селена (Se) цвет может стать красно-пурпурным;
• CdSe (селенид кадмия, селен кадмия, селенид кадмия) — полупроводник. Его кристаллы темно-красные. Он используется для производства фоторезисторов, солнечных элементов и фотодиодов, а также используется в качестве активной среды в полупроводниковых лазерах.

Фоторезисторы на основе этих химикатов чаще всего встречаются в бытовой электронике. Неудивительно, что радиационно-чувствительный слой в таких фоторезисторах имеет красно-оранжевый цвет.

На рисунке представлены спектральные характеристики импортных фоторезисторов серии GM, широко используемых в электронике.

Пик чувствительности этих фоторезисторов приходится на излучение с длиной волны 540 (0,54 мкм) и 560 нм (0,56 мкм), что соответствует зеленому цвету.

Для работы в невидимом для человеческого глаза инфракрасном диапазоне длин волн используются фоторезисторы на основе соединений свинца (PbS, PbSe), индия (InSb), а также германия Ge и кремния Si, легированных примесями.

Ниже приведен график спектральной чувствительности инфракрасных фотопроводящих детекторов серии PB45. Чувствительный элемент в них состоит из селенида свинца PbSe.

Диапазон спектральной чувствительности этих детекторов составляет от 1 до 4,7 микрометров (мкм), а пиковая чувствительность приходится на излучение с длиной волны 4 микрометра.

В дополнение к перечисленным соединениям и химическим веществам в качестве чувствительных материалов могут использоваться другие, например сульфид висмута (BiS), арсенид индия (InAs), тройные соединения типа ртуть-кадмий-теллур (HgCdTe) и свинец-олово-теллур. (PbSnTe), которые представляют собой твердые растворы из двух компонентов (HgTe и CdTe, PbTe и SnTe).

Физика

Фоторезисторы — это полупроводниковые фотоэлектрические устройства с собственным фотоэффектом. Физическая сущность внутреннего фотоэффекта заключается в том, что при освещении поверхности полупроводника (селен, сульфид висмута, сульфид кадмия, сульфид свинца и т.д.) часть световой энергии поглощается веществом и тратится на высвобождение электронов из связи с атомами; в этом случае количество свободных электронов в веществе значительно увеличивается, что приводит к увеличению электропроводности полупроводника.

В зависимости от типа и назначения фоторезисторы изготавливают с естественным (неохлаждаемым) и жидкостным охлаждением воздуха. По конструкции неохлаждаемые фоторезисторы делятся на неупакованные и упакованные.

Они имеют тонкий слой светочувствительного материала (2), нанесенный на изолирующую подложку (1) путем измельчения исходного материала из суспензии (реже путем испарения материала в вакууме или спекания в таблетки порошкообразной массы). В качестве электродов (4) обычно используются неагрессивные металлические пленки (золото, платина, серебро), нанесенные напылением в вакууме. Для защиты от воздействия влаги, воздуха и других внешних воздействий чувствительные элементы фоторезисторов покрываются слоем защитного лака (3) — герметика. При этом необходимо, чтобы красочный слой имел достаточную прозрачность в той области спектра, для которой предназначен фоторезистор, был устойчив к влаге и не менял своих свойств во всем диапазоне рабочих температур.

Фоторезистор имеет одинаковую проводимость в обоих направлениях, он подключен последовательно к устройству, которым он управляет, и к источнику питания. Фоторезистор может реагировать не только на появление светового потока. Но также, например, о его исчезновении это световое реле. В отсутствие освещения или при постоянном освещении фоторезистор является активным сопротивлением, и ток, протекающий через него, пропорционален приложенному напряжению, а в случае постоянного значения приложенного напряжения значение тока пропорционально интенсивность действующего светового потока.

Выключенный фоторезистор характеризуется темновым током (Iт) и темновым сопротивлением. Темновой ток очень мал и возникает из-за наличия небольшого количества свободных электронов в полупроводнике, выделяемых под действием тепла окружающей среды.

Фоторезисторы обладают селективным фотоэлектрическим эффектом. Например, в видимой части спектра наиболее чувствительны приборы с сульфидом кадмия, а с сульфидом свинца — к инфракрасным лучам (это позволяет использовать их для наблюдения и регистрации излучения от слабо нагретых тел).

Если фоторезистор включен последовательно к источнику энергии E с резистором rн (рис. 2), то изменения светового потока сопровождаются изменением тока в цепи, например. Фоторезистор может действовать как вакуумный фотоэлемент для преобразования световой энергии в электрическую.

Определяем номинал резистора

Для советского сопротивления название было буквенно-цифровым. В современных выходных резисторах обозначение зашифровано цветными полосами. Для замены резистора после проверки работоспособности необходимо расшифровать маркировку сгоревшего.

Для Android существует множество бесплатных приложений для определения разметки цветными полосами. Раньше использовались специальные таблицы и инструменты.

Вы можете выполнить следующую шпаргалку, чтобы проверить:

Вырежьте цветные кружки, проткните их в центре и соедините, самый большой сзади, самый маленький спереди. Сопоставив кружки, определяется сопротивление элемента.

Кстати, на современных керамических резисторах также используются явные знаки с указанием сопротивления и мощности элемента.

Если говорить о SMD элементах, то здесь все довольно просто. Допустим, маркировка «123»:

12 * 10 3 = 12000 Ом = 12 кОм

Также есть другие знаки из 1, 2, 3 и 4 знаков.

Если деталь выгорела так, что следа вообще не было видно, попробуйте потереть ее пальцем или ластиком, если это не поможет — у нас есть три варианта:

1. Посмотрите на схему подключения.
2. В некоторых цепях имеется несколько идентичных цепей, и в этом случае можно проверить номинал детали на соседнем каскаде. Пример: подтягивающие резисторы на кнопках для микроконтроллеров, индикаторные ограничивающие резисторы.
3. Измерьте сопротивление уцелевшего участка.

К первым двум методам добавить нечего, давайте разберемся, как проверить сопротивление перегоревшего резистора.

Для начала необходимо очистить покрытие детали. Далее активируйте на мультиметре режим измерения сопротивления, обычно он подписан «Ом» или «Ом».

Если вам повезло и область непосредственно возле клеммы выгорела, просто измерьте сопротивление на концах резистивного слоя.

В примере, как на фото, можно измерить сопротивление резистивного слоя или определить по цвету маркировочных полос, здесь они не покрыты копотью — удачное совпадение.

Ну а если не повезло и сгорела часть резистивного слоя, остается замерить небольшой участок и результат умножить на количество таких участков по всей длине резистора. На фото видно, что щупы подключаются к отрезку, равному 1/5 общей длины:

Преимущества и недостатки фоторезистора

Преимущества фоторезистора

• Маленький размер
• Бюджет
• Легко переносить из одного места в другое.

Недостатки фоторезистора

• Точность фоторезистора очень низкая.

Ардуино: датчик света на фоторезисторе

Датчик освещенности — это устройство, которое позволяет нашему устройству оценивать уровень освещенности. Для чего нужен такой датчик? Например, для системы уличного освещения включать уличные фонари только тогда, когда в городе наступает ночь.

Еще одно применение световых датчиков — обнаружение препятствий роботом, путешествующим по лабиринту. Или обнаружение линии роботом-трекером (LineFollower). Но в этих двух случаях используется специальный источник света в паре с датчиком освещенности.

Мы начнем с простого примера и подключим один из самых распространенных датчиков: фоторезистор к микроконтроллеру Arduino Uno. Как следует из названия, фоторезистор — это резистор, который меняет свое сопротивление в зависимости от падающего на него света. Этот радиоэлемент выглядит так:

Фоторезисторы различаются диапазоном сопротивления. Например:

• ВТ83Н1 — 12-100кОм;
• ВТ93Н2 — 48-500кОм.

Это означает, что в темноте сопротивление фоторезистора составляет 100 кОм, а при определенном тестовом освещении — 12 кОм. В частности, в случае с этими светодиодами тестовое освещение имело параметры: освещенность -10 люкс и цветовая теплота — 2856К.

Помимо фоторезистора, в датчиках света часто используются фотодиод и фототранзистор. Оба выглядят как типичные светодиоды:

Подключение

Чтобы подключить наш фоторезистор к Arduino Uno, вам необходимо запомнить урок по аналого-цифровому преобразованию (АЦП). Действительно, на выходе схемы фоторезистора мы получим определенное напряжение в диапазоне от 0 до 5 Вольт, которое нам нужно преобразовать в вполне конкретное число, с которым программа микроконтроллера уже будет работать. Имея в виду, что Arduino Uno имеет 6 аналоговых входов на выводах A0-A5, мы подключаем фоторезистор следующим образом:

Внешний вид макета

Посмотри, что случилось. Мы просто построили обычный делитель напряжения, верхнее плечо которого будет изменяться в зависимости от уровня света, падающего на фоторезистор. Напряжение, снятое с нижнего рычага, подается на аналоговый вход, который преобразует его в число от 0 до 1023.

Программа

После подключения фоторезистора по простой схеме приступаем к написанию программы. Первое, что мы сделаем, это отправим необработанный сигнал с аналогового входа на последовательный порт, просто чтобы понять, как изменяется значение на входе A0. Соответствующая программа выглядит так:

const int pinPhoto = A0; необработанное int = 0; void setup () {Serial.begin (9600); pinMode (pinPhoto, ВХОД); } void loop () {raw = analogRead (pinPhoto); Serial.println (необработанный); задержка (200); }

Запустив эту программу в нашем хакспейсе, мы получили от датчика следующие значения:

А теперь прикроем датчик рукой:

Видно, что значение сильно различается. От 830 при прямом освещении до 500 при затемнении (появлении препятствия на световом пути). Зная это поведение, мы можем численно определить порог срабатывания. Пусть будет, скажем, 600. Не совсем 500, потому что мы хотим защитить себя от случайной активации. Вдруг над датчиком пролетит муха — он немного потускнеет и покажет 530.

Наконец, добавим в программу действие, которое будет выполняться, если уровень освещения упадет ниже заданного порога. Самое простое, что мы можем сделать, — это включить штатный светодиод №13 на Arduino. Оказывается это программа:

const int pinPhoto = A0; const int led = 13; необработанное int = 0; void setup () {pinMode (pinPhoto, ВХОД); pinMode (светодиод, ВЫХОД); } void loop () {raw = analogRead (pinPhoto); если (raw <600) digitalWrite (led, HIGH); в противном случае digitalWrite (светодиод, LOW); задержка (200); }

Накройте датчик рукой (или выключите свет в комнате) — загорится светодиод. Убираем руку — гаснет. Однако это работает. А теперь представьте, что вы не включаете светодиод, а подаете сигнал на реле, которое включает лампу на входе в ваш дом. Получите готовое энергосберегающее устройство. Или наденьте такой датчик на робота, и он ляжет с вами спать, когда наступит ночь. Вообще, как сказал профессор Фарнсворт, у датчика освещенности есть тысяча и одно применение!

Комплектующие

Для создания проекта нам понадобятся:

• Плата, совместимая с Arduino Uno или Arduino, с аналоговыми входами.
• Arduino IDE (интегрированная среда разработки).
• Фоторезистор (фотоэлемент / светозависимый резистор), например, от Adafruit (США) или Maplin (Великобритания).
• Один резистор на 10 кОм.
• Потенциометр 10 кОм (переменное сопротивление).
• Разделочная доска и соединительные кабели (или платы и подходящие паяльные устройства).

Работа с электричеством даже при низком напряжении может быть опасной: внимательно следуйте схемам подключения и инструкциям и всегда спрашивайте совета у квалифицированного и опытного специалиста, если вы в чем-то не уверены.

Фоторезистор — это электронный компонент, удельное сопротивление которого изменяется в зависимости от количества получаемого света (сопротивление уменьшается при воздействии света). Фоторезистор состоит из сульфида кадмия, полупроводника.

Когда фотоны попадают на ленты, электроны могут проходить через полупроводник. Фоторезистор в основном используется для измерения силы света (камера, системы обнаружения и т.д.).

Схемы соединения

Может быть несколько вариантов подключения фоторезистора к Arduino, но мы рассмотрим несколько вариантов.

Вариант 1

• Первый вывод -> 5В
• Второй вывод> A0 (резистор подключен к земле и ко второму выводу фоторезистора).

Вариант 2

Фоторезистор и резистор 10 кОм питаются от источника питания 5 В Arduino и образуют делитель потенциала, который защищает Arduino от коротких замыканий и гарантирует, что на линии всегда присутствует хоть какое-то сопротивление.

Провод этой схемы подключается к аналоговому входу 0 на Arduino. Резисторы понижают напряжение на них, поэтому аналого-цифровые преобразователи (АЦП) Arduino могут использоваться для измерения уровня напряжения на входе и считывания изменений в освещении этой схемы. АЦП преобразуют аналоговое значение в целое число в диапазоне от 0 до 1023.

Когда фоторезистор подвергается воздействию света, его сопротивление уменьшается, и поэтому показание напряжения будет выше. Когда свет заблокирован, сопротивление фоторезистора увеличивается, и поэтому показание напряжения будет ниже.

Фоторезистор — это простой пассивный компонент с двумя выводами, который не имеет полярности — не имеет значения, в каком направлении вы его разместите в цепи.

Коды проекта

По нашим схемам мы приведем примеры различных вариантов работы фоторезистора с Arduino с некоторыми пояснениями.

Вариант 1

void setup () {Serial.begin (9600); } void loop () {значение int = analogRead (A0); Serial.println («Аналоговое значение:»); Serial.println (значение); задержка (250); }

В «настройке void» мы инициализируем последовательный монитор:

void setup () {Serial.begin (9600); }

Затем мы считываем аналоговое значение с фоторезистора и определяем его как значение»):

void loop () {значение int = analogRead (A0);

И записываем значение на серийный монитор:

Serial.println («Аналоговое значение:»); Serial.println (значение); задержка (250); }

Вариант 2

Чтобы убедиться, что все работает правильно, вы можете создать базовый эскиз, который считывает уровень напряжения и отправляет значение в последовательный порт. Замкнув фоторезистор, вы увидите изменение показаний.

Чтобы нарисовать вольтметр:

1. Откройте Arduino IDE.
2. Вставьте код ниже.
3. Сохраните эскиз. В меню «Файл» выберите «Сохранить как).

// назначение выводов int LDR = 0; // инициализируем последовательный порт // и объявляем ввод и вывод void setup () {pinMode (LDR, INPUT); Последовательный запуск (9600); } // считываем с аналогового входа, подключенного к LDR, // и выводим значение на последовательный порт. // задержка нужна только для того, чтобы // не отправлялось столько данных, которые // не читаются void loop () {int v = analogRead (LDR); Serial.println (v); задержка (1000); }

Чтобы загрузить скетч на ваш Arduino и увидеть результат, вам необходимо:

1. Подключите Arduino к компьютеру с помощью USB-кабеля.
2. В среде IDE на панели инструментов нажмите кнопку «Загрузить).
3. На панели инструментов нажмите кнопку Serial Monitor).

Обнаружение изменений

Точные значения, отображаемые на мониторе последовательного порта на рисунке выше, зависят от нескольких факторов:

• Блок питания Arduino. В частности, при питании от USB-кабеля типичный источник питания 5 В для Arduino немного меньше этого идеального;
• Минимальное и максимальное значения сопротивления используемого фоторезистора;
• Точность резистора 10К;
• Конструкция макета и используемые провода: они имеют небольшое сопротивление, которое может повлиять на АЦП;
• И количество рассеянного света в комнате.

Намного важнее обнаруживать изменения уровня освещенности, чем иметь дело с действительными числами.

На следующем рисунке показан уровень освещенности в программе настройки для использования в качестве базового измерения, а затем определяется, когда фоторезистор закрыт. Когда это происходит, вызов digitalWrite () включает светодиод Arduino, встроенный в цифровой вывод 13.

// назначение контактов int LED = 13; int LDR = 0; // базовые переменные типа int; int threshold = 100; // объявляем ввод и вывод // и берем базовое чтение void setup () {pinMode (LED, OUTPUT); pinMode (LDR, ВХОД); база = аналоговое чтение (LDR); } // считываем с аналогового входа, подключенного к LDR, // и выводим значение на последовательный порт. // задержка нужна только для того, чтобы // не отправлялось столько данных, которые // не читаются void loop () {int v = analogRead (LDR); если ((основание — v)> порог) {digitalWrite (LED, HIGH); } else {digitalWrite (светодиод, НИЗКИЙ); } }

Установка порогов

Приведенный выше эскиз устанавливает порог — значение, определяющее, сколько изменений ожидается, прежде чем что-то произойдет, — в коде. В зависимости от среды и приложения этот порог может потребоваться отрегулировать. Чтобы избежать повторного подключения Arduino к компьютеру и его перепрограммирования, вы можете использовать потенциометр для регулировки сопротивления в цепи.

Потенциометры — это еще один тип переменного резистора — они обычно подключаются к регулятору, и их сопротивление устанавливается поворотом ручки влево и вправо. В этой схеме используется подстроечный резистор для изменения напряжения, подаваемого на фоторезистор. Это влияет на его способность обнаруживать свет и изменяет баланс потенциального делителя, так что количество изменений, записанных эскизом (base — v в приведенном выше коде), может быть увеличено или уменьшено.

Для более цифрового подхода вы можете подключить потенциометр так же, как фоторезистор, и считать его с помощью второго аналогового входа. Затем вы можете использовать этот размер в эскизе, чтобы определить новое значение для переменного порога.

Два примера схем в этом руководстве демонстрируют основные шаги, необходимые для обнаружения изменений уровня освещенности с помощью фоторезистора и Arduino. Более интересные проекты, такие как домашняя автоматизация и системы сигнализации, могут быть реализованы с использованием дополнительных компонентов, таких как реле, двигатели и беспроводные устройства.

К размышлению

Во-первых, чтобы не собирать схему на макетной плате, можно использовать готовый модуль с фоторезистором и делителем напряжения на плате.

Такой модуль удобен, если нужно создать прототип устройства или школьный мини-проект, который не должен выходить из строя от любого прикосновения проводов.

Во-вторых, для измерения освещенности в люксах инженеры по освещению используют более сложные датчики, называемые люксметрами. Задача такого датчика — воспринимать свет, как человеческий глаз. Модуль экспонометра также легко подключается к Arduino.