سنسورهای رفلکتور(reflective) IR نظیر TCRT5000L و TCRT5000 از یک فرستنده‌ی IR (photodiode) و یک گیرنده‌ی IR (photo-transistor) تشکیل شدن؛ اجزای تشکیل‌دهنده‌ی این سنسورها درون یک قالب سربی قرار می‌گیرن. این نوع سنسورهای IR به نور مرئی شباهت دارن. پکیج سنسور TCRT5000 IR شامل دو گیره نگهدارنده (mounting clip) هست. این نوع سنسورها عمدتاً در ماژول‌های مختلف Arduino و برای تشخیص و جلوگیری از برخورد با موانع استفاده می‌شن. علاوه بر این، از این سنسورها در ربات‌های مسیریاب هم استفاده می‌شه.
در پکیج‌های سنسور photodiode ،IR به رنگ آبی و phototransistor به رنگ مشکی هست. IR رنج فرستنده 950 میلی‌متر هست. در مقابل، گیرنده دارای یک فیلتر هست که روشنایی روز رو مسدود می‌کنه و بدین ترتیب، برخورد نور مرئی به سنسور رو کاهش می‌دن. در این مقاله به معرفی سنسور TCRT5000 IR و کاربردهای اون می‌پردازیم.
معرفی سنسور TCRT5000 IR
سنسور مادون قرمز TCRT5000 عمدتاً شامل یک (فرستنده) IR Tx و (گیرنده) IR Rx می‌شه. در این نوع سنسورها فرستنده و گیرنده همون فوتودیود و فوتوترانزیستور هستن. به محض اینکه ولتاژ تغذیه به واحد IR Tx برسه، سیگنال‌های IR رو می‌فرسته و دریافت می‌کنه. اگر این سیگنال‌ها به شی‌ای برخورد کنن، گیرنده IR سیگنال‌ها رو دریافت می‌کنه. عملکرد فرستنده – به استثنای ترمینال پایه- مثل مقاومت هست و نسبت به نور حساس هست.
واحد سنسور TCRT5000 IR دارای یک فوتودیود و فوتوترانزیستور هست که به هم متصل هستن و درون یک پکیج واحد قرار دارن. در این سنسور فوتودیود (Tx) شامل دو تا پین به نام‌های anode و cathode هست که عمدتاً از اونا برای ایجاد سیگنال‌های مادون قرمز استفاده می‌شه. در مقابل، فوتوترانزیستور این سنسور شامل دو تا پین مثل emitter و collector هست. این دو تا پین در خواندن سیگنال‌های مادون قرمز (که دوباره ایجاد می‌شن و برگشت داده می‌شن) تأثیر بسزایی دارن.
از این نوع سنسور مادون قرمز عمدتاً برای تشخیص اشیاء استفاده می‌شه و البته برای انجام این کار لازمه کمی برنامه‌نویسی انجام بدیم. همچنین، این سنسور فاصله تا شی‌ای که در مسیرش قرار داره رو هم اندازه‌گیری می‌کنه. با این حال، به دلیل نویزهای محیطی، این سنسور فقط می‌تونه فاصله تا اشیایی رو اندازه بگیره که در فاصله کمی از اون قرار دارن. به همین دلیل، اگر می‌خواین فاصله تا شی‌ای رو اندازه بگیرین که در مسیر این سنسور قرار داره، این نوع سنسور گزینه مناسبی هست.
این سنسور به عنوان سنسور آنالوگ و همچنین سنسور دیجیتال استفاده می‌شه. اگر قصد دارین وجود هدف یا شی‌ای رو تشخیص بدین می‌تونین از این سنسور به عنوان سنسور دیجیتال استفاده کنین. در مقابل، اگه می‌خواین فاصله سنسور تا هدف رو اندازه بگیرین می‌تونین از این سنسور به عنوان سنسور آنالوگ استفاده کنین.
پیکربندی پین‌ها
پیکربندی پین‌های سنسور TCRT5000 IR شامل موارد زیر می‌شه. این سنسور شامل یک فرستنده و گیرنده IR می‌شه که در مجموع چهار تا پین دارن (تصویر زیر).
-
Anode: پین مثبت فرستنده‌ی مادون قرمز فرستنده‌ی IR (فوتو دیود)
-
Cathode: پین منفی فرستنده‌ی مادون قرمز فرستنده‌ی IR (فوتو دیود)
-
Collector: ترمینال collector گیرنده‌ی IR هست. (فوتو ترانزیستور)
-
Emitter: ترمینال emitter گیرنده‌ی IR هست. (فوتو ترانزیستور)
ماژول سنسور رفلکتور TCRT5000 IR
سنسور رفلکتور IR برای تشخیص فاصله و رنگ از یک سنسور TCRT5000 IR استفاده می‌کنه. این نوع ماژول شامل یک فرستنده و گیرنده‌ی IR هست. کارکرد این سنسور به این شکل هست که IR Tx به طور مداوم یک سیگنال مادون قرمز تولید می‌کنه و بعد این سیگنال از طریق یک شی منعکس می‌شه و گیرنده‌ی IR اون رو تشخیص می‌ده.
سنسور TCRT5000 IR عمدتاً از اجزای مختلفی مثل سنسور TCRT5000 IR، پاور LED، سنسور رفلکتور، تنظیم میزان حساسیت و LED خروجی تشکیل شده. از این ماژول سنسور اغلب در ربات‌های مختلف مثل ربات‌های مرتب‌کننده اشیاه (object sorting) و مسیریاب استفاده می‌شه چون این ماژول می‌تونه تشخیص بده که آیا سطح سفیده یا سیاه. مسافتی که این سنسور می‌تونه اندازه‌گیری کنه 1 میلی‌متر تا 8 میلی‌متر هست و نقطه‌ی میانی (middle point) اون تقریباً 5/2 میلی‌متر هست.
در این ماژول، برای تنظیم میزان حساسیت می‌تونین از پتانسیل‌سنج (potentiometer) استفاده کنین. به محض اینکه این سنسور به برق وصل بشه فعال خواهد شد و همچنین دیود IR به طور مستمر سیگنال IR ساطع می‌کنه. اگر نور IR بازتاب نداشته باشه، دیود گیرنده خاموش می‌شه و پین خروجی ماژول روشن خواهد بود، برای مثال D0، LOW خواهد بود.
این ماژول ویژگی‌هایی مثل قابلیت درایو بالا، سیگنال بدون نویز و طول موج خوب داره. این ماژول برای موارد کاربرد مختلف مثل کاغذ خردکن، ماشین‌های فاکس، تست کاغذ و تشخیص مانع، تشخیص رنگ سفید و سیاه و غیره حداکثر عملکرد رو داره.
ویژگی‌ها و مشخصات فنی
ویژگی‌ها و مشخصات فنی سنسور TCRT5000 IR شامل موارد زیر هست:
-
در یک پکیج سربی در دسترس هست
-
تشخیص‌دهنده‌ی مورد استفاده در اون فوتو ترانزیستور هست
-
اوج فاصله عملیاتی اون 5/2 میلی‌متر هست
-
رنج جریان collector 2/0 میلی‌متر تا 15 میلی‌متر هست
-
تست ضربه o/p معمولاً (IC) 1mA هست
-
یک فیلتر برای مسدود کردن روشنایی روز داره
-
طول موج emitter برابر با 950 نانومتر هست
-
سنسور مادون قرمز شامل ترانزیستور o/p هست
-
ولتاژ عملیاتی 5 ولت هست
-
جریان مستقیم (forward current) دیود 60 میلی‌آمپر (mA) هست
-
داده‌ی خروجی آنالوگ و دیجیتال هست
-
جریان collector ترانزیستور 100 میلی‌آمپر هست
-
دمای عملیاتی بین 25- درجه سانتیگراد تا 85+ درجه سانتیگراد هست
سنسور RPR220 مشابه سنسور TCRT5000 IR هست و سایر سنسورهای مادون قرمز عبارتند از: IR LED، IR Photodiode، qtr-1rC، GP2Y0A21، TSOP و غیره.
نحوه‌ی استفاده/ دیاگرام مدار
با استفاده از سنسور مادون قرمز می‌شه فاصله رو اندازه گرفت. اشعه IR رو می‌شه به سمت شی منتقل کرد و اشعه بازتاب‌شده رو هم فوتودیود دریافت می‌کنه. از فوتودیود برای اندازه‌گیری شدت نور استفاده می‌شه. دیود مادون قرمز شدت نور IR رو معین نمی‌کنه اما به نور مرئی حساس هست. به کمک یک دیود می‌شه شدت نور IR رو ثبت کرد؛ این فوتودیود فاصله بین شی و سنسور رو نشون می‌ده.
این تکنیک زیاد دقیق نیست و علاوه بر این، خروجی‌اش هم غیرخطی هست. همون‌طور که قبل از این هم گفتیم، نویز محیط روی نتیجه این تکنیک تأثیر داره، بنابراین، هر بار که شرایط محیط تغییر می‌کنه باید این سنسور رو هم کالیبره کنین.
تصویر زیر مدار سنسور TCRT500 IR رو نشون می‌ده. در این مدار، سنسور IR از یک فوتودیود و یک فوتو ترانزیستور تشکیل شده؛ این دو تا قطعه شبیه به فرستنده و گیرنده عمل می‌کنن.
مدار سنسور TCRT5000 IR Sensor
فوتودیود رو می‌شه از طریق یک مقاومت 220R فعال کرد، در حالیکه فوتوترانزیستور با 10k یک مقاومت به پین GND وصل شده است. ترانزیستور موجود در مدار فاقد پین پایه هست چون بایاس (biasing) ترانزیستور عمدتاً از طریق نور دریافتی IR کنترل می‌شه. در نتیجه، نور مادون قرمزِ فوتودیود به هدف برخورد می‌کنه و به سمت فوتو ترانزیستور برمی‌گرده تا اون رو بایاس کنه.
سنسور IR رو بر اساس موارد کاربردش می‌شه به صورت سنسور آنالوگ و یا سنسور دیجیتال استفاده کرد. بزرگ‌ترین عیب این سنسور این هست که شرایط محیطی اون رو تحت تأثیر قرار می‌دن.
این سنسور هم مثل فوتوترانزیستور به سادگی با استفاده از فوتودیود به نور مادون قرمز جواب نمی‌ده، اما می‌تونه به نور مادون قرمز که از منابع نوری رایج ساطع می‌شن واکنش نشون بده.
برای حل این مشکل می‌تونیم noise cancelation برنامه رو اجرا کنیم. از اونجایی‌که فوتودیود می‌تونه خودش رو از طریق پین GPIO، MCU یا MPU کنترل کنه، ما می‌تونیم دیود رو غیرفعال کنیم و علاوه بر اون، باید مقدار نویزی رو که ترانزیستور در سنسور دریافت می‌کنه رو تأئید کنیم تا بتونیم فوتودیود رو فعال کنیم. بدین ترتیب می‌تونیم با حذف نویزهای موجود در زمانی‌که فوتودیود غیرفعال هست، تغییرات ایجادشده در مقادیر رو محاسبه کنیم.
موارد کاربرد سنسور TCRT5000 IR
موارد کاربرد سنسور TCRT5000 IR شامل موارد زیر هست:
-
سنسور TCRT5000 IR در ماژول سنسورهای IR به کار می‌ره
-
در مواردی که حول proximity detection هستن به کار می‌ره
-
در ربات‌های مسیریاب/ حل‌کننده ماز به کار می‌ره
-
در مواردی که حول تشخیص/ ممانعت از برخورد با مانع هست هم کاربرد داره
-
از سنسور TCRT5000 IR برای تأئید وجود اشیای فیزیکی استفاده می‌شه، برای مثال، تشخیص سکه در ماشین‌های مرتب‌سازی سکه.
-
از سنسور TCRT5000 IR برای تشخیص رنگ ( در طیف سیاه و سفید) استفاده می‌شه و همون‌جوری که می‌دونین این اصل در پروژه‌های مربوط به ربات‌های مسیریاب کاربرد داره. سایه‌های غیرمشابه سطح نور IR که بازتاب شده رو اصلاح می‌کنن.
-
سنسور TCRT5000 IR به طور معمول برای محاسبه فاصله تا شی یا هدف استفاده می‌شه.
جمع بندی
در این مقاله سعی کردیم توضیح کاملی در رابطه با سنسورهای رفلکتور(reflective) IR نظیر TCRT5000L و TCRT5000 و همچنین روش کارکرد آنها ارائه دهیم . این سنسور بیشتر در ربات های مسیریاب، کاغذ خردکن و… که قبل تر به آنها اشاره شد کاربرد داره. در مقاله های آینده روش راه اندازی و استفاده از این سنسور رو باهم مرور خواهیم کرد.
