Cảm biến hồng ngoại là gì?

Hình 1: Minh họa ứng dụng cảm biến hồng ngoại

Cuộc sống của chúng ta cùng lúc với nhiều thực thể vật lý, những thứ chúng ta nhận biết được như là các vận động cơ học, tác dụng của nhiệt (nhận biết qua lớp da), ánh sáng (nhận biết qua mắt), cửa âm thanh (nhận biết qua tai), của mùi (nhận biết qua mũi), của vị (nhận biết qua lưỡi), và nhất là của điện. Hiện nay điện tử học là một công cụ phục vụ con người nhiều nhất, chúng ta có radio, cassette, TV, máy ghi hình, máy tính...

Ưu điểm của các thiết bị điện là xử lý các vấn đề rất nhanh, nhưng các thiết bị điện thị lại chỉ làm việc với tín hiệu thuộc điện, mà chung quanh chúng ta không phải chỉ có các hiện tượng thuộc điện mà song song còn rất nhiều hiện tượng phi điện khác đang tồn tại, từ đó người ta nghĩ đến các Sensor. Sensor là các cảm biến, nó dùng để chuyển đổi các tín hiệu không thuộc điện ra dạng tín hiệu điện và đưa các dạng mạch điện để xử lý.

Ngày nay có rất nhiều, rất nhiều loại sen sor. Trong lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu loại sensor dùng phát hiện các vật thể nóng có chuyển động ngang hay gọi là PIR montor detector.

I. Cảm biến hồng ngoại là gì?

Như thường lệ trước khi đi vào nội dung chính chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu sơ lược về dòng thiết bị này trước.

Cảm biến hồng ngoại hay còn được gọi là IR Sen sor, chúng là một thiết bị điện tử có khả năng đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh. Thực ra, tên tiếng anh của cảm biến hồng ngoại là Passive Infares, viết tắt là PIR dịch sát nghĩa là" hồng ngoại thụ động". Cảm biến hồng ngoại (IR Sen sor) phát ra các tia vô hình đối với mắt người, vì bước sóng của nó dài hơn ánh sáng khả kiến (mặc dù nó vẫn nàm trong cùng một phổ điện tử). Bất cứ thứ gì phát ra nhiệt (mọi thứ có nhiệt độ trên năm trăm độ Kelvin) đều phát ra bức xạ hồng ngoại.

Hồng ngoại hay còn gọi là tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng và ngắn hơn tia bức xạ vi ba. Hồng ngoại là ngoài bước sóng đỏ. Màu đỏ là màu có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường. Thông thường những vật thể có nhiệt độ trên 35 độ C sẽ phát ra bước sóng hồng ngoại. Bức xạ hồng ngoại đã vô tình được phát hiện bởi một nhà thiên văn học tên là Wiliam Herschel vào năm 1800. Trong khi đó nhiệt độ của từng màu ánh sáng (cách nhau bởi một lăng kính), ông nhận thấy rằng nhiệt độ vượt ra ngoài ánh dáng đỏ là cao nhất.

Hình 2: Mô tả tia hồng ngoại

Có hai loại cảm biến hồng ngoại đó là cảm biến dạng chủ động và thụ đông. Cảm biến hồng ngoại hoạt động bằng cách phát ra và phát hiện bức xạ hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại chủ động thường cấu tạo có hai phần: diode phát sáng (Led) và máy thu. Khi một vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèn Led sẽ phản xạ khỏi vật thể và được người nhận phát hiện. Cảm biến hồng ngoại hoạt động đống vai trò là cảm biến tiệm cận và chúng thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật (như trong robot).

Hồng ngoại thụ động có nghĩa là chỉ nhận các tia hồng ngoại phát hiện từ vật thể khác nhau như người, động vật hoặc một nguồn nhiệt bất kỳ, chứ tự nó không phát hiện ra tia hồng ngoại. Sau khi nhận biết được nguồn nhiệt, bộ phận cảm biến sẽ phân tích để xác nhận điều kiện báo động. Vì thế người thường gọi đó là chủ động, chỉ phát hiện chứ không phải là nguồn phát ra tia hồng ngoại.

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến hồng ngoại là gì?

Cảm biến hồng ngoại sẽ hoạt động bằng cách sử dụng một cảm biến ánh sáng cụ thể để phát hiện bước sóng ánh sáng chọn trong phổ hồng ngoại (IR). Bằng cách sử dụng đèn Led tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm, bạn có thể xem cường độ ánh sáng nhận được. Khi một vật thể ở gần cảm biến, ánh sáng từ đèn Led bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng. Điều này dẫn đến một bước nhảy lớn về cường độ, mà chúng đã biết có thể phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng.

Hình 3: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Sơ đồ mạch thiết kế cảm biến hồng ngoại

Vì cảm biến hồng ngoại sử dụng cảm biến ánh sáng nên sơ đồ rất giống với cảm biến ánh sáng. Sự khác biệt duy nhất là việc bổ sung đèn Led hồng ngoại và đầu dò hồng ngoại yêu cầu kết nối với 5V và nối đất. Các bạn có thể tham khảo mạch thiết kế của cảm biến hồng ngoại dưới đây để có thể hiểu thêm:

Hình 4: Sơ đồ mạch thiết kế cảm biến hồng ngoại

Cách thiết lập cảm biến hồng ngoại:
Trước khi sử dụng cảm biến hồng ngoại thì chúng ta cần thiết lập một vài thứ cụ thể để đảm bảo cho việc hoạt động của thiết bị. Lưu ý là cảm biến hồng ngoại sẽ có nhiều loại khác nhau, tuy nhiên phần này mình chỉ đề cập đến cảm biến hồng ngoại dạng linh kiện để các bạn có thể tự học lắp đặt để phục vụ cho việc học hay nghiên cứu nhé. Loại này sẽ khác với một con cảm biến hoàn chỉnh bán ngoài thị trường có chức năng cảm biến hồng ngoại bằng cách cấp nguồn là được.

Thiết lập breaboard:
Để có thể thiết lập hoạt động của một cảm biến hồng ngoại thì các bạn cần có những thứ sau:
- Máy dò Led hồng ngoại 2x
- 2x đèn led hồng ngoại trong vỏ
-Điện trờ 2x2kohm (đỏ-đen-đỏ)
-Điện trở 2x220ohm (đỏ-đỏ-nâu)
-Dây nhảy màu đỏ 2x
-Dây nhảy màu đen 2x
-Dây nhảy tín hiệu 2x (có thể có bất kỳ màu nào)

Trước tiên thì chúng ta cần đảm bảo rằng đèn Led hồng ngoại nằm trong vỏ của chúng:
1. Chèn Ir Led vào phần vỏ lớn hơn với dây dẫn dính ra.
2. Nhấn mạch đèn Led vào vỏ
3. Đặt phần vỏ nhỏ trên đèn Led

Hình 5: Minh họa đặt led hồng ngoại

Đặt Led hồng ngoại
Tiếp theo chúng ta có thể đặt đèn Led IR vào bảng mạch và nên lưu ý về chân của thiết bị như sau:
Cực dương là chân dài hơn, cạnh tròn
Cực âm là chân ngắn hơn, cạnh phẳng.
Tuyệt đối không được đấu sai dây chân của Led, bởi vậy sẽ làm hỏng linh kiện.

Hình 6: Minh họa đặt led hồng ngoại

Đặt máy dò hồng ngoại
Bây giờ chúng ta có thể đặt máy dò hồng ngoại vào bảng mạc. Phần giữa của bộ thu phải nằm trên cùng một bus với cực âm của đèn Led (để buộc nó xuống đất)

Hình 7: Minh họa đặt máy dò hồng ngoại

Đặt điện trở
Các bạn cần nhớ rằng đèn Led Ir vẫn là một dạng của đèn Led và sẽ cần một điện trở để hạn chế dòng điện chạy qua chúng. Điều này đặc biệt quan trọng cần nhớ với đèn Led hồng ngoại vì các bước sóng ánh sáng mà chúng phát ra không thể nhìn thấy bằng mắt người. Chúng ta không thể nào hoặc rất khó xác định được nó có làm việc hay không.

Hình 8: Minh họa đặt điện trở

Đi dây điện:
Điều cuối cùng cần làm là nối các đèn Led Ir, điện trờ và bộ thu Ir vào Arduino. Cụ thể:
1. Đầu tiên chúng ta sẽ kết nối các ngạnhj 5v của máy thu Ir (ngạnh phải nếu đối diện với máy thu) bằng các dây màu đỏ. Chúng nên được nối trực tiếp lên cổng+5V trên Arduino mà không có điện trở nối tiêp.
2. Tiếp theo, kết nối các ngạnh mặt đất của các máy thu hồng ngoại (ngạnh giữa) trên cùng một bus với cực âm của đèn Led Ir với cổng GND của Ardunino bằng dây màu đen.
3. Các ngạnh thứ ba hoặc các ngạnh tín hiệu của các máy thu (ngạnh trái nếu đối diện với máy thu) nên được kết nối qua cá điện trở 220ohm với các chân 7 và 8 của Arduino (đầu thu phải trên 7 chân, đầu thu bên trái trên 8 chân) bằng cách sử dụng dây màu xám
4. Cuối cùng, cực dương của đèn Led Ir nên được chạy qua điển trở 2k riêng biệt vào cổng 9 bằng cách sử dụng các dây màu vàng. Kiểm tra bảng mạch ảo để đảm bảo mỗi dây được nối chính xác.

Hình 9: Minh họa đi dây điện

II. Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại là thiết bị có nhiều tính năng nổi bật như: bật đèn tự động, báo trộm, mở cửa tự động...

- Cảm biến hồng ngoại giúp bật tắt đền tự động. Khi có người bước vào thì cảm biến hồng ngoại tự động đèn sẽ sáng lên. Và khi người di chuyển đến đâu đèn sẽ sáng đến đó.
- Cảm biến hồng ngoại giúp chống trộm: So với các thiết bị chống trộm khác thì việc sử dụng thiết bị cảm biến hồng ngoại giúp chống trộm tốt nhất, bảo vệ được gia đình. Bởi khi đêm nếu có trộm bước qua dân vườn, ban công nhà bạn, khu chúng ngang qua mắt cảm ứng mà trộm không xác định được vị trí lắp đặt của cảm biến thì cảm biến thì thiết bị hú còi và ngay lú đó thì chủ nhà biết có trộm và có biện pháp xử lý kịp thời.
- Cảm biến hồng ngoại giúp mở cửa tự động: Hiện nay có nhiều thiết bị cảm biến hồng ngoại được lắp đặt kèm theo chế độ mở cửa tự động giúp cho người dùng có thể tiện lợi và linh hoạt khi sử dụng và lắp đặt các thiết bị.

Hình 10: Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại

Các ưu nhược điểm khi sử dụng cảm biến hồng ngoại

Ưu điểm:

Nếu bạn đang muốn dùng loại đèn có độ nhay cao, có khả năng phát hiện chuyển động nhỏ thường xuyên tường mỏng: gỗ nhựa thì có thể dùng công nghệ cảm biến rada. Với công nghệ này đèn có góc quét rộng, 360 độ, không điểm chết và cảm ứng khoảng cách 6-8mm. Đèn áp dụng công nghệ raddar sẽ không phụ thuộc cảm biến vào nhiệt độ môi trường.

Nhược điểm:
Độ nhạy cao của cảm biến radar đôi khi cũng là nhược điểm của công nghệ này vì dễ bị nhầm lẫn phát hiện vật chuyển động. Đèn dùng công nghệ cảm biến hồng ngoại lại có yếu điềm là goc quét nhỏ, có điểm chết, không thể cảm biến xuyên vật cản. Chính vì công nghệ này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ để cảm biến nên tại môi trường có nhiệt độ cao thì càng kém nhạy. Phạm vi đèn cảm biến chỉ khoảng 2-3m.

Trên đây là một số kiến thức cơ bản về cảm biến hồng ngoại. Hy vọng sẽ giúp ích cho các bạn đang cần tìm hiều.

Nếu bạn muốn tìm hiểu về cảm biến hồng ngoại, hãy liên hệ với chúng tôi. Với phương châm làm việc chuyên nghiệp, tận tâm Bảo An Automation luôn cam kết mang tới cho khách hàng sản phẩm với chất lượng tốt, giá thành hợp lý và thời gian cấp hàng nhanh.

4.495 30/10/2020