Proto Knowledge
Sensor ปกรณ์ลิ้มพรจิตรวิไล
โมดูลวัดระยะทาง ดวยแสงอินฟราเรด
อีกหนึ่งตัวตรวจจับระยะทาง และตรวจจับวัตถุแบบไม่สัมผัส ที่ได้รับความนิยมสูงและใช้งานง่าย มารู้จักกันให้ลึกอีกนิด
54
The Prototype Electronics
ตัว ตรวจจับ ท่ที �างาน กับ แสง อินฟราเรด มี หลากหลาย รูปแบบ และ มัก ใช ใน การ ตรวจจับ สง่ิ กดี ขวาง, ตรวจ จบั ความ แตกตาง ส ีของ พน้ื ผิว อยาง งาย, ตรวจจับ การ มี อยู ของ วัตถุ เพื่อ ใช ใน การ นับจ�านวน วัตถุ อัตโนมัติ, การ ควบคุม อปุ กรณ ระยะไกล รวมถึง การ สอ่ื สาร ขอ มูล แบบ ไรสาย ดว ย ส�าหรับ ตัว ตรวจจับ ทท่ี า� งาน กบั แสง อนิ ฟราเรด ท น่ี า� มา คยุ ให ฟง กนั ใน ฉบับ น น้ี า� มาใช ตรวจจับ และ วัด ระยะทาง จึง มีช่อื เรียกวา โมดูลตรวจจับและวัดระยะทาง ดวยแสงอนิ ฟราเรด(InfrareddistancesensorหรือInfraredranger) SharpSemiconductor เปนหนึ่ง ใน ผูผลิต ตัว ตรวจจับ ที่ ไดรับ การ ยอมรับ ไป ทั่วโลก โดยเฉพาะ อยางยิ่ง ใน แผนก Optoelectronics และ โมดูล ตรวจจับ และ วัด ระยะทาง ดวย แสง อินฟราเรด ที่ น�ามา เลา ให ฟง นี้ ก็ เปนผล งาน Sharp นั่น คือ โมดูล ตรวจจับ และ วัด ระยะทาง ดวย แสง อินฟราเรด ใน อนุกรม GP2 เบอร ที่ แนะน�า ให รูจัก คือ GP2D120 และ GP2Y0A21
คุณสมบัติทางเทคนิคของGP2D120 • ใชการตรวจจับระยะทางดวยการสะทอนแสงอินฟราเรด • วัดระยะทางได 4 ถึง 30 เซนติเมตร • ไฟเลี้ยงที่เหมาะสมคือ 4.5 ถึง 5V ตองการกระแสไฟฟาที่ การวัดระยะทางสูงสุด 50mA • ใหเอาตพุตเปนแรงดันในยาน 0.4 ถึง 2.4V ที่ไฟเลี้ยง +5V • ใชงานไดโดยไมตองตออุปกรณภายนอกเพิ่มเติม คุณสมบัติทางเทคนิคของGP2Y0A21 • ใชการตรวจจับระยะทางดวยการสะทอนแสงอินฟราเรด • วัดระยะทางได 10 ถึง 80 เซนติเมตร • ไฟเลี้ยงที่เหมาะสมคือ 4.5 ถึง 5V ตองการกระแสไฟฟาที่ การวัดระยะทางสูงสุด 40mA • ใหเอาตพุตเปนแรงดันในยาน 0.4 ถึง 2.4V ที่ไฟเลี้ยง +5V • ใชงานไดโดยไมตองตออุปกรณภายนอกเพิ่มเติม
ใน รูป ที่ 2 แสดง ไดอะแกรม ใน การ ท�างาน ภายใน ของ โมดูล GP2 จะ เห็นวา ประกอบดวย ตัวสง และ ตัวรับ อินฟราเรด ที่ ติดตั้ง ภายใต ตัวถัง เดียวกัน โมดูล GP2 จะ ท�างาน ทันทีที่ มี ไฟ เลี้ยง +5V จาย ให โดย ตัวสง อินฟราเรด จะ ขับแสง อินฟราเรด จาก ตัว มัน ตลอด เวลา เมื่อใด ที่ มี วัตถุ มา ขวางกั้น ท�าใหเกิด การ สะทอน ของ แสง อินฟราเรด กลับ ไป ยัง ตัวรับ ภายใน โมดูล GP2 ที่ ตัวรับ จะ ตอ เขากับ วงจร ประมวลผล สัญญาณ เพื่อ สราง แรงดัน ออกไป ทาง ขา เอาตพุต ซึ่ง แปร ผกผัน กับรยะ ทาง ที่ ตรวจ จับได นั่น คือ ที่ระยะทางใกลแรงดันเอาตพุตที่ไดจะมีคาสูง และ มีคาต�่าเมื่อระยะทางที่วัดไดไกลขึ้น การอานคาแรงดันจากโมดูล GP2 จะตองรอใหพนชวง เตรียมความพรอมของโมดูลกอน ซึ่งใชเวลาประมาณ 32.7 ถึง 52.9 มิลลิวินาที ดังนั้นในการอานคาแรงดันจึงควรรอใหพนชวง เวลาดังกลาวไปกอน ดังแสดงในรูปที่ 3 Vcc =+5V
GND
รูจักกับโมดูลวัดระยะทางดวยแสงอินฟราเรดอนุกรมGP2
โมดูลตรวจจับและวัดระยะทางดวยแสงอินฟราเรดในอนุกรม GP2 มีขาตอใชงาน 3 ขาคือ ขาตอไฟเลี้ยง (Vcc), ขากราวด (GND) และขาเอาตพุต (Vout) ดังแสดงในรูปที่ 1 ส�าหรับเบอร GP2D120 และ GP2Y0A21 ใหผลการท�างานเปนแรงดันไฟตรง โดยคาแรง ดันเอาตพุตของ GP2D120 ที่ระยะทาง 30 เซนติเมตรที่ไฟเลี้ยง +5V อยูในชวง 0.25 ถึง 0.55V โดยคากลางคือ 0.4V ชวงของการ เปลี่ยนแปลงแรงดันเอาตพุตที่ระยะทาง 4 ถึง 30 เซนติเมตรคือ 2.25V ±0.3V คาแรงดันเอาตพุตของ GP2Y0A21 ที่ระยะทาง 80 เซนติเมตร ที่ไฟเลี้ยง +5V อยูในชวง 0.25 ถึง 0.55V โดยคากลางคือ 0.4V ชวง ของการเปลี่ยนแปลงแรงดันเอาตพุตที่ระยะทาง 10 ถึง 80 เซนติเมตร คือ 1.9V ±0.25V
LEDอินฟราเรดตัวสง
วงจร ควบคุุ มม วงจรควบค ไฟ เลีี ้ ยงคงท ้ยงคงทีี ่ ่ ไฟเล
วงจร ประมวลผล วงจรประมวลผล สัสัญ ญาณ ญญาณ
วงจร ก�าเนิิ ดด วงจรกำเน สัสัญ ญาณ ญญาณ
Vout
วงจร แรงดัั นน วงจรขขั ับบแรงด เอาต เอาต์ พพุ ตุต
วงจร ขั ับบLED LED วงจรข อิ นฟราเรด อินฟราเรด
รูปที่ 2 ไดอะแกรมในการทำางานภายในของโมดูลตรวจจับ และวัดระยะทางด้วยแสงอินฟราเรดอนุกรม GP2D120 และ GP2Y0A21
ตัวรับแสงอินฟราเรด ไฟเล ไฟเลีี ้ ยง ้ยง 38.3±9.6 มิ มิลลล ลิิ ววิ นิ นาท าทีี
ขาเอาตพุต (Vout)
ขากราวด (GND)
ขาไฟเลี้ยง (Vcc)
รูปที่ 1 หน้าตาและการจัดขาของโมดูลตรวจจับและวัดระยะทาง ด้วยแสงอินฟราเรดอนุกรม GP2
การวดระยะห ัดระยะห่ าง าง การวั
วัวั ดดคร ครัั ้ งงท ทีี ่ 11
แรงดัั นเอาต นเอาต์ พุตุ แรงด
ไไมม่ แน แ น่ นอน นอน
วัวั ดดคร ครัั ้ งงท ทีี ่ 22
วัวั ดดคร ครัั ้ งงท ้ ทีี ่ n ่n
เเอาต อาต์ พุ ตคร ุตครัั ้ งท ้งที ่ 1 ี่1 เเอาต อาต์ พุตคร ุตครัั ้ งท ้งที ่ 2ี่2
เเอาต อาต์ พุ ุตตคร ครัั ้ งท ้งที ่ n ี่n
5ม มิิ ลลล ลิิ ววิินนาท าที ี
รูปที่ 3 ไดอะแกรมเวลาการทำางานของโมดูล GP2 และการอ่านค่า
The Prototype Electronics
55
Sensor : โมดูลวัดระยะทาง
หลักการวัดระยะทางดวยแสงอินฟราเรด
วัวัตตถ ถุ ุ
ในรูปที่ 4 แสดงหลักการของสามเหลี่ยมคลายทนี่ ำ� มาใชในการวัดระยะทางดวยแสงอินฟราเรดของโมดูลวัด ระยะท างในอ นุ ก รม GP2 โมดู ล วั ด ร ะยะทางด ว ยแ สง อินฟราเรดจะสงแสงอินฟราเรดจากตัวสงไปกระทบวัตถุผาน เลนสนูนเพื่อโฟกัสแสงใหมีความเขมแสงไปยังจุดใดจุดหนึ่ง เมื่ อ แ สงไ ปก ระทบวั ต ถุ จ ะเ กิ ด ก ารก ระเจิ ง ข องแ สงไ ปใ น ทิศทางตางๆ แสงสวนหนึ่งจะกระเจิงไปยังภาครับ โดยมีเลนส ภาครับทำ�หนาที่รวมแสงและกำ�หนดจุดตกกระทบ แสงจะถูก สงผานไปยังโฟโตทรานซิสเตอรจำ�นวนมากที่ตอเรียงตัวกัน เปนสวนรับแสง หรืออะเรยรับแสง ตำ�แหนงทีแ่ สงตกกระทบนี้ สามารถนำ�มาคำ�นวณหาระยะทาง (L) จากภาคสงไปยังวัตถุ ได โดยใชสูตรหาสามเหลี่ยมคลายดังนี้
L = F A X
ดังนั้นคา L จะมีคาเทากับ
L = (F x A) X
โดยคาที่วัดระยะไดจากโฟโตทรานซิสเตอรจะถูกสง ไปยังวงจรประมวลผลสัญญาณ กอนจะเปลี่ยนคาเปนร ะดับ แรงดั น ซึ่ ง ใ ห ผ ลก ารเ ปลี่ ย นแปลงแ รงดั น ต ามร ะยะทางที่ ตรวจวัดได
การอานคาขอมูลจากโมดูล GP2 ดวยวงจร แปลงสัญญาณอะนาลอกเปนดิจิตอล
ผลลัพธทไี่ ดจากโมดูล GP2 เปนแรงดัน จะตองน�ำคา ที่ไดมาแสดงผลในรูปของระยะทาง โดยแปลงคาแ รงดันจาก กราฟเปรียบเทียบคาแรงดันกับคาระยะทางดังในรูปที่ 5-1 และ 5-2 ในกรณีที่นำ� มาใชกับไ มโครคอนโทรลเลอรจะตองมี การแปลงแรงดันไฟตรงนั้นเปนขอมูลทางดิจิตอล วงจรที่ท�ำ หนาที่นคี้ ือ วงจรแปลงสัญญาณอะนาลอกเปนดิจิตอล (Analog to Digital Converter : ADC) ซึ่งอาจใชไอซีทอี่ อกแบบ มาเพื่อหนาที่นี้โดยเฉพาะหรือจะใชไมโครคอนโทรลเลอรที่มี โมดูลแปลงสัญญาณอะนาลอกเปนด ิจิตอลอยูภายในก็ได เพื่อความสะดวกจึงมีผูสรางสมการสำ�หรับแปลคา ระยะทางออกมาใหใ ชงานไดงาย โดยตองทำ�งานรวมกับวงจร แปลงสัญญาณอะนาลอกเปนดิจิตอล ซึ่งจะสูตรการคำ�นวณ ที่แตกตางกันตามความละเอียดของวงจรแปลงสัญญาณ อะนาลอกเปนดิจิตอล ทีน่ ิยมมีด วยกัน 2 คาค ือ ความละเอียด 8 และ 10 บิต 56
The Prototype Electronics
L A
F LED อิิ นนฟราเรด ฟราเรด LEDอ ตัตัววส ส่ งง GP2D120/ GP2Y0A21
สส่ววนรั นรับบแสง แสง
X
รูปที่ 4 หลักการของสามเหลีย่ มคลายทีน่ �ำ มาใชในการวัดระยะ ทางดวยแสงอินฟราเรดของโมดูลวัดระยะทางในอนุกรม GP2 (ก) กรณี ที่ ว งจรแปลงสั ญ ญาณอะนาลอกเป น ดิจิตอลมีความละเอียด 10 บิต ส�ำหรับโมดูล GP2D120
R = 2914 - 1 (V+5) ส�ำหรับโมดูล GP2Y0A21 R = 6787 - 4 (V-3) โดยที่ R หมายถึง ระยะทางหนวยเปนเซนติเมตร V หมายถึง ขอ มูลจากวงจรแปลงสญ ั ญาณอะนาลอก เปนดจิ ติ อล (ข) กรณี ที่ ว งจรแปลงสั ญ ญาณอะนาลอกเป น ดิจิตอลมีความละเอียด 8 บิต
ส�ำหรับโมดูล GP2D120 R = 733 - 1 (V+5)
ส�ำหรับโมดูล GP2Y0A21 R = 1707 - 4 (V-3)
นของGP2D120
28
32
จับ(cm)
ใหผล การ ท�างาน ที่ ไม ชัดเจน นอกจากนั้น เนื่องจาก โมดูล GP2 ท�างาน ดวย แสง อินฟราเรด จึง มี โอกาส ที่จะ ถูก รบกวน จาก แสง อินฟราเรด ที่ มี อยู รอบขาง รวมไปถึง ความ คงที่ ของ แรงดัน ไฟ 5-1:กราฟแสดงผลการทำงานของGP2D120 5-2:กราฟแสดงผลการทำงานของGP2Y0A21 เลี้ยง ก็ มีผลตอ ความ ไว ใน การ วัด ระยะทาง ของ โมดูล GP2 ดวย แแรงดั รงดันเอาต์ เอาตพุต แรงดันเอาต์พุต (V) (V) นอกจากนั้นสีของวัตถุที่น�ามาใชในการตรวจจับ 2.8 2.8 ก็มีผลตอความไวและระยะทางที่วัดไดของโมดูลGP2 2.4 2.4 ดวย เนื่องจาก โมดูล GP2 ใช แสง อินฟราเรด จึง ถูก ดูดกลืน 2.0 2.0 จาก วัตถุ ที่ มี สีด�า ได สงผลให แสง อินฟราเรด ที่ สะทอนกลับ มา 1.6 1.6 อาจ มี ความ เขม ไมมาก รวมถึง แสง อาจ ตก กระทบ อะเรย ของ 1.2 1.2 0.8 0.8 ตัว ตรวจจับ แสง อินฟราเรด ผิด ต�าแหนง ท�าให คาที่ ได คลาด 0.4 0.4 เคลื่อน ถาหาก น�าไปใช ใน การ ตรวจจับ วัตถุ ที่ กีดขวาง แบบ 0 0 0 สัม10 30ท�า 40ให ก 50วา60 80 0 4 8 12 16 20 24 28 32 ไม ผัส 20อาจ ที่จะ 70สามารถ ตรวจ จับได วา มี วัตถุ สีด�า ระยะห จับบ(cm) ระยะห่ า งจากวั ต ถุ ท ต ่ ี รวจจั บ (cm) ระยะห่างจากวั างจากวัตตถุถุทที่ตี่ตรวจ รวจจั (cm) ขวางหนา อยู ตัว ตรวจจับ ก็ เกือบ สัมผัส หรือ ชน เขากับ วัตถุ สีด�า ที่ ขวางหน า ใช้กระดาษเทาขาวรุ่นR-27ของKodakซึ่งด้านขาวมีอัตราการสะท้ อนแสง90%เป็ นวัตถุสำหรับ สะท้อนแสงเพื่อวัดระยะทาง โมดูล GP2 จัดไดวาเปนโมดูลวัดระยะทางและตรวจ 5-2:กราฟแสดงผลการทำงานของGP2Y0A21 จับวัตถุแบบไมสัมผัสที่ใชงานไดงายอีกตัวหนึ่งเนื่องจากไม แแรงดั รงดันนเเอาต์ อาตพพุตุต ตองใชอุปกรณพิเศษมาตอเพิ่มเติมไมมีรูปแบบโปรโตคอล (V) การสื่อสารใดๆเพราะคาที่วัดไดแสดงออกมาในรูปของแรง 2.8 2.4 ดันไฟฟาอยางตรงไปตรงมาจึงมีการแนะน�าใหใชในการ 2.0 เรียนรูและพัฒนาหุนยนตอัตโนมัติเพื่อการศึกษาอยางกวาง 1.6 ขวาง กอปรกับรูปรางหนาตาที่ดูรวมสมัยและไฮเทค เพื่อน�า 1.2 มาประกอบในชิ้นงานก็ดูลงตัวโดยเฉพาะเมื่อน�ามาติดตั้ง 0.8 ในหุนยนตจะดูเหมือนดวงตาท�าใหเกิดการรับรูจากผูใชงาน 0.4 อยางมีประสิทธิผลลองหามาใชดูนะครับ 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ระยะห่าางจากวั งจากวัตตถุถุทที่ตี่ตรวจ รวจจั (cm) ระยะห จับบ(cm)
องKodakซึ่งด้านขาวมีอัตราการสะท้อนแสง90%เป็นวัตถุสำหรับ รูปที่ 5 กราฟแสดงความสัมพันธ์ของระยะทางที่วัดได้กับแรงดันเอา ต์พุตของโมดูล GP2D120 และ GP2Y0A21 www.tpemagazine.com
ขอจำากัดในการวัด อยางไร ก็ตาม ใน กรณีที่ ใชงาน โมดูล GP2 กับ วงจร แปลง สัญญาณอ นา ลอก เปน ดิจิตอล ที่ มี ความ ละเอียด เพียง 8 บิต ที่ ระยะทาง มากกวา 50 เซนติเมตร ส�าหรับ GP2Y0A21 และ มากกวา 20 เซน ติม เตรส�า หรับ GP2D120 การ วัด อาจ มี ความ คลาด เคลื่อน เพิ่มขึ้น เนื่องจาก การ เปลี่ยนแปลง แรง ดัน เอาตพุต ใน ชวงนี้ ของ โมดูล GP2 มี นอยมาก และ ถา ยิ่ง ใกล ระยะทาง 80 เซนติเมตร (ส�าหรับ GP2Y0A21) หรือ 30 เซนติเมตร (ส�าหรับ GP2D120) มาก เทาใด การ เปลี่ยนแปลง จะ ยิ่ง มี อัตรา นอยลง มากขึ้น อีก จน ท�าให วงจร แปลง สัญญาณ อะ นา ลอก เปน ดิจิตอล ที่ มี ความ ละเอียด เพียง 8 บิต อาจ The Prototype Electronics
57