Ардуино фоторезистор управление светом. Оптические датчики. Фоторезисторы в схемах на МК. Фотореле для уличного освещения

1. Фототорезистор: http://ali.ski/5GDvP7
2. Диоды и резисторы: http://fas.st/KK7DwjyF
3. Макетная плата: http://ali.ski/rq8wz8
4. Arduino uno: http://ali.ski/gC_mOa

В этом уроке мы подключим к Arduino фоторезистор. который будет управлять встроенным светодиодом.

Фоторезистор: Сопротивление фоторезисторов уменьшается под воздействием света и увеличивается в темноте. Фоторезисторы просты в использовании, но достаточно медленно реагируют на изменение уровня освещенности и имеют весьма низку. точность. Как правило, сопротивление фоторезисторов может варьироваться от 50 Ом при дневном освещении до более чем 10 МОм в темноте.

Сам фоторезистор мы будем подключать к земле через резистор в 10 кОМ и эту же ножку будем подключать к аналоговому пину Ардуино A0, вторую ножку фоторезистора будем подключать к 5 вольтам ардуино. Все это наглядно в приведено в схеме вначале статьи.

После правильного подключения фоторезистора к ардуино, нужно скопировать код приведенный ниже, вставить его в программу Arduino ide и загрузить весь этот программный код в ардуино.

Int PhotosensorPin = A0; //Указываем пин к которому подклюен Фоторезистор unsigned int sensorValue = 0; //Объявляем переменную для хранения значений. void setup() { pinMode(13, OUTPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { sensorValue = analogRead(PhotosensorPin); //Считываем значения с фоторезистора if(sensorValue<700) digitalWrite(13, HIGH); //Включаем else digitalWrite(13, LOW); // Выключаем Serial.print(sensorValue, DEC); //Вывод данных с фоторезистора (0-1024) Serial.println(""); delay(500); }

После загрузки программного кода в ардуино, необходимо открыть монитор порта.

Теперь, если свет падает на фоторезистор, и встроенный светодиод выключен, заслоните фоторезистор рукой, и вы увидите, что в определенный момент светодиод включится! Так же можно посмотреть изменения значения с фоторезистора в мониторе порта.

Демонстрацию работы фоторезистора можно посмотреть в видео ниже.

Видео:

Автоматизация подачи освещения в квартире, в доме или на улице достигается за счет применения фотореле. При правильной настройке оно будет включать свет при наступлении темноты и отключать в светлое время суток. Современные устройства содержат настройку, за счет которой можно устанавливать срабатывание в зависимости от освещенности. Они являются составной частью системы "умного дома", берущей на себя значительную часть обязанностей хозяев. Схема фотореле, прежде всего, содержит резистор, изменяющий сопротивление под действием света. Ее легко собрать и настроить своими руками.

Принцип действия

Схема подключения фотореле для включает датчик, усилитель и Фотопроводник PR1 под действием света изменяет сопротивление. При этом изменяется величина проходящего через него электрического тока. Сигнал усиливается составным транзистором VT1, VT2 (схема Дарлингтона), а с него поступает на исполнительный механизм, которым является K1.

В темноте сопротивление фотодатчика составляет несколько мОм. Под действием света оно снижается до нескольких кОм. При этом открываются транзисторы VT1, VT2, включающие реле K1, управляющим цепью нагрузки через контакт K1.1. Диод VD1 не пропускает ток самоиндукции при выключении реле.

Несмотря на простоту, схема фотореле обладает высокой чувствительностью. Чтобы ее выставить на необходимый уровень, используется резистор R1.

Напряжение питания подбирается по параметрам реле и составляет 5-15 В. Ток обмотки не превышает 50 мА. Если необходимо его увеличить, можно применить более мощные транзисторы и реле. Чувствительность фотореле повышается с увеличением напряжения питания.

Вместо фоторезистора можно установить фотодиод. Если необходим датчик с повышенной чувствительностью, используются схемы с фототранзисторами. Их применение целесообразно с целью экономии электричества, поскольку минимальный предел срабатывания обычного прибора составляет 5 лк, когда окружающие предметы еще различимы. Порог 2 лк соответствует глубоким сумеркам, после которых через 10 мин наступает темнота.

Фотореле целесообразно применять даже при ручном управлении освещением, поскольку можно забыть выключить свет, а датчик самостоятельно "позаботится" об этом. Установить его несложно, а цена вполне доступна.

Характеристики фотоэлементов

Выбор фотореле определяют следующие факторы:

• чувствительность фотоэлемента;
• напряжение питания;
• коммутируемая мощность;
• внешняя среда.

Чувствительность характеризуется как отношение образующегося фототока к величине внешнего потока света и измеряется в мкА/лм. Она зависит от частоты (спектральная) и интенсивности света (интегральная). Для управления освещением в быту важна последняя характеристика, зависящая от суммарного светового потока.

Величину номинального напряжения можно найти на корпусе прибора или в сопроводительном документе. Устройства зарубежного производства могут иметь другие стандарты напряжения питания.

От мощности светильников, к которым подключено фотореле, зависит нагрузка на его контакты. Схемы фотореле освещения могут предусматривать прямое включение ламп через контакты датчика или через пускатели, когда нагрузка велика.

На открытом воздухе сумеречный выключатель помещается под герметичной прозрачной крышкой. Она является защитой от влаги и осадков. При работе в холодный период применяется подогрев.

Модели заводского изготовления

Раньше схема фотореле собиралась своими руками. Сейчас в этом нет необходимости, так как устройства стали дешевле, а функциональность расширилась. Их применяют не только для внешнего или внутреннего освещения, но также для управлением поливом растений, системой вентиляции и др.

1. Фотореле ФР-2

Модели заводского изготовления широко используются в устройствах автоматики, например, для управления уличным освещением. Часто можно видеть днем горящие фонари, которые забыли выключить. При наличии фотодатчиков нет необходимости в ручном управлении освещением.

Схема фотореле фр-2 промышленного изготовления применяется для автоматического управления уличным освещением. Здесь также является реле К1. К базе транзистора VT1 подключены фоторезистор ФСК-Г1 с резисторами R4 и R5.

Питание производится от однофазной сети 220 В. Когда освещенность мала, сопротивление ФСК-Г1 имеет большую величину и сигнала на базе VT1 недостаточно для его открывания. Соответственно закрыт и транзистор VT2. Реле K1 включено, и его рабочие контакты замкнуты, поддерживая лампы освещения горящими.

Когда освещенность увеличивается до порога срабатывания, снижается сопротивление фоторезистора и открывается после чего реле K1 отключается, размыкая цепь питания ламп.

2. Виды фотореле

Выбор моделей достаточно велик, чтобы можно было выбрать подходящую:

• с выносным датчиком, расположенным вне корпуса изделия, к которому подводятся 2 провода;
• люкс 2 - устройство с высокой надежностью и уровнем качества;
• фотореле с питанием 12 В и нагрузкой не выше ;
• модуль с таймером, монтирующийся на ДИН-рейку;
• устройства ИЭК отечественного производителя с высоким качеством и функциональностью;
• AZ 112 - автомат с высокой чувствительностью;
• ABB, LPX - надежные производители устройств европейского качества.

Способы подключения фотореле

Перед приобретением датчика необходимо подсчитать потребляемую светильниками мощность и взять с запасом 20 %. При значительной нагрузке схема уличного фотореле предусматривает дополнительную установку электромагнитного пускателя, обмотка которого должна включаться через контакты фотореле, а силовыми контактами коммутировать нагрузку.

Для дома такой способ применяется редко.

Перед установкой проверяется напряжение сети питания ~220 В. Подключение производится от автоматического выключателя. Фотодатчик устанавливается таким образом, чтобы свет от фонаря не попадал на него.

На приборе применяются клеммы для подключения проводов, что делает монтаж проще. Если они отсутствуют, применяется распределительная коробка.

За счет применения микропроцессоров схема подключения фотореле с другими элементами приобрела новые функции. В алгоритм действий внесли таймер и датчик движения.

Удобно, когда светильники автоматически включаются при прохождении человека по лестничной площадке или по дорожке сада. Причем срабатывание происходит только в темное время суток. За счет применения таймера фотореле не реагирует на свет фар от проезжающих автомобилей.

Простейшая схема подключения таймера с датчиком движения - последовательная. Для дорогих моделей разработаны специальные программируемые схемы, учитывающие различные условия эксплуатации.

Фотореле для уличного освещения

Для подключения фотореле схема наносится на его корпус. Ее можно найти в документации на прибор.

Из прибора выходят три провода.

1. Нулевой проводник - общий для светильников и фотореле (красный).
2. Фаза - подключается на вход прибора (коричневый).
3. Потенциальный проводник для подачи напряжения от фотореле на светильники (синий).

Устройство работает по принципу прерывания или включения фазы. Цветовая маркировка у разных производителей может отличаться. Если в сети есть проводник "земля", его к прибору не подключают.

В моделях со встроенным датчиком, который находится внутри прозрачного корпуса, работа уличного освещения автономна. К нему нужно только подвести питание.

Варианты с выносом датчика применяются в случае, когда электронную начинку фотореле удобно разместить в щите управления с другими приборами. Тогда нет необходимости в автономной установке, протягивании электропроводки питания и обслуживании на высоте. Электронный блок размещается внутри помещения, а датчик выносится наружу.

Особенности фотореле для уличного освещения: схема

При установке фотореле на улице надо учитывать некоторые факторы.

1. Наличие питающего напряжения и соответствие мощностей контактов и нагрузки.
2. Не допускается установка приборов рядом с легко воспламеняющимися материалами и в агрессивной среде.
3. Основание прибора размещается внизу.
4. Перед датчиком не должны находиться качающиеся предметы, например, ветви деревьев.

Подсоединение проводов выполняется через распределительную коробку для улицы. Она закрепляется рядом с фотореле.

Выбор фотореле

1. Возможность регулирования порога срабатывания позволяет производить подстройку чувствительности датчика в зависимости от времени года или при пасмурной погоде. В результате обеспечивается экономия электричества.
2. Минимум трудозатрат требуется при монтаже фотореле со встроенным чувствительным элементом. При этом не требуются особые навыки.
3. Реле с таймером хорошо программируется для своих потребностей и работы в установленном режиме. Можно настроить прибор для отключения в ночное время. Индикация на корпусе прибора и кнопочное управление позволяют легко производить настройку.

Заключение

Применение фотореле позволяет автоматически контролировать период включения ламп. Теперь уже отпала необходимость в профессии фонарщика. Схема фотореле без участия человека по вечерам зажигает свет на улицах и выключает его утром. Устройства могут управлять системой освещения, что повышает ее ресурс и делает эксплуатацию проще.

Рассмотренный в предыдущей части обзора встроенный АЦП микроконтроллера позволяет легко подключать к плате Arduino различные аналоговые датчики, которые преобразуют измеряемые физические параметры в электрическое напряжение.

Примером простейшего аналогового датчика может служить переменный резистор, подключённый к плате, как показано на рис. 1. Он может быть любого типа, например СП3-33-32 (рис. 2). Номинал резистора на схеме указан ориентировочно и может быть как меньше, так и больше. Однако следует помнить, что чем меньше сопротивление переменного резистора, тем больший ток он потребляет от источника питания микроконтроллера. А при сопротивлении источника сигнала (в данном случае переменного резистора) более 10 кОм АЦП микроконтроллера работает с большими ошибками. Учтите, что сопротивление переменного резистора как источника сигнала зависит от положения его движка. Оно равно нулю в его крайних положениях и максимально (равно четверти номинального сопротивления) в среднем положении.

Рис. 1. Схема подключения переменного резистора к плате

Рис. 2. СП3-33-32

Удобно использовать переменный резистор, когда требуется изменять параметр плавно, а не ступенями (дискретно). В качестве примера рассмотрим работу приведённой в табл. 1 программы, которая изменяет яркость свечения светодиода в зависимости от положения движка переменного резистора. Строка U = U/4 необходима в программе для того, чтобы преобразовать возвращаемое АЦП десятиразрядное двоичное число в восьмиразрядное, принимаемое в качестве второго операнда функцией analogWrite(). В рассматриваемом случае это делается делением исходного числа на четыре, что эквивалентно отбрасыванию двух младших двоичных разрядов.

Таблица 1.

Переменный резистор соответствующей конструкции может служить датчиком угла поворота или линейного перемещения. Аналогично ему можно подключать многие радиоэлементы: фоторезисторы, терморезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Одним словом, приборы, электрическое сопротивление которых зависит от тех или иных факторов окружающей среды.

На рис. 3 изображена схема подключения к Arduino фоторезистора. При изменении освещённости меняется его электрическое сопротивление и соответственно напряжение на аналоговом входе платы Arduino. Указанный на схеме фоторезистор ФСК-1 можно заменить любым другим, например СФ2-1.

Рис. 3. Схема подключения к Arduino фоторезистора

В табл. 2 приведена программа, превращающая плату Arduino с подключённым к ней фоторезистором в простейший измеритель освещённости. Работая, она периодически измеряет падение напряжения на резисторе, включённом последовательно с фоторезистором, и передаёт результат в условных единицах через последовательный порт на компьютер. На экране отладочного терминала Arduino они будут отображены, как показано на рис. 4. Как видим, в определённый момент измеренное напряжение резко уменьшилось. Это произошло, когда ярко освещённый фотодиод был затенён непрозрачным экраном.

Таблица 2.

Рис. 4. Изображение на экране отладочного терминала Arduino

Чтобы получать значения освещённости в люксах (стандартных единицах системы СИ), нужно умножать полученные результаты на поправочный коэффициент, но подобрать его придётся экспериментально, причём индивидуально для каждого фоторезистора. Для этого потребуется образцовый люксметр.

Фототранзистор или фотодиод (рис. 5) подключают к Arduino подобным образом. Используя несколько светочувствительных приборов, можно сконструировать простейшую систему зрения для робота . Можно и на новом техническом уровне реализовать многие известные широкому кругу радиолюбителей классические конструкции - кибернетическую модель ночной бабочки или модель танка, который движется на свет .

Рис. 5. Схема подключения фотодиода к Arduino

Аналогично фоторезистору подключают к Arduino терморезистор (рис. 6), который меняет своё электрическое сопротивление в зависимости от температуры. Вместо указанного на схеме терморезистора ММТ-4, основное достоинство которого - герметичный корпус, можно использовать практически любой другой, например, ММТ-1 или импортный.

Рис. 6. Схема подключения терморезистора к Arduino

После соответствующей калибровки подобный прибор можно применять для измерения температуры во всевозможных домашних метеостанциях, термостатах и тому подобных конструкциях .

Известно, что почти все светодиоды могут служить не только источниками света, но и его приёмниками - фотодиодами. Дело в том, что кристалл светодиода находится в прозрачном корпусе и поэтому его p-n переход доступен для света от внешних источников. К тому же корпус светодиода, как правило, имеет форму линзы, которая фокусирует внешнее излучение на этом переходе. Под его влиянием изменяется, например, обратное сопротивление p-n перехода.

Подключив светодиод к плате Arduino по схеме, изображённой на рис. 7, можно использовать один и тот же светодиод и по прямому назначению, и как фотодатчик . Программа, иллюстрирующая такой режим, приведена в табл. 3. Её идея состоит в том, что сначала на p-n переход светодиода подают обратное напряжение, заряжая его ёмкость. Затем катод светодиода изолируют, конфигурируя как вход вывод Arduino, к которому он подключён. После этого программа измеряет зависящую от внешней освещённости продолжительность разрядки ёмкости p-n перехода светодиода его собственным обратным током до уровня логического нуля.

Рис. 7. Схема подключения светодиода к плате Arduino

Таблица 3

В приведённой программе переменная t описана как unsigned int - целое число без знака. Переменная такого типа, в отличие от обычной int, принимающей значения от -32768 до +32767, не использует свой старший двоичный разряд для хранения знака и может принимать значения от 0 до 65535.

Подсчёт времени разрядки программа выполняет в цикле while(digitalRead (K)!=0)t++. Этот цикл выполняется, всякий раз увеличивая значение t на единицу, пока истинно заключённое в скобки условие, т. е. пока напряжение на катоде светодиода не опустилось до низкого логического уровня.

Иногда требуется, чтобы робот не просто получал информацию об освещённости поверхности, по которой движется, но и мог определить её цвет. Реализуют датчик цвета подстилающей поверхности, освещая её поочерёдно светодиодами разного цвета свечения и сравнивая с помощью фотодиода уровни отражённых от неё при разном освещении сигналов . Схема соединения элементов датчика цвета с платой Arduino показана на рис. 8, а обслуживающая его программа - в табл. 4.

Рис. 8. Схема соединения элементов датчика цвета с платой Arduino

Таблица 4

Процедура измерения принимаемых фотодиодом при разном освещении поверхности сигналов повторяется многократно, а получаемые результаты накапливаются, чтобы исключить случайные ошибки. Затем программа выбирает наибольшее из накопленных значений. Это позволяет грубо судить о цвете поверхности. Для более точного определения цвета необходимо усложнить обработку результатов, учитывая не только наибольший из них, но и его соотношение с меньшими. Необходим также учёт реальной яркости светодиодов разного цвета свечения, а также спектральной характеристики применённого фотодиода.

Пример конструкции датчика цвета из четырёх светодиодов и фотодиода показан на рис. 9. Оптические оси светодиодов и фотодиода должны сходиться в одной точке на исследуемой поверхности, а сами приборы расположены максимально близко к ней, чтобы свести к минимуму влияние посторонней засветки.

Рис. 9. Пример конструкции датчика цвета из четырёх светодиодов и фотодиода

Собранный датчик требует тщательной индивидуальной калибровки на поверхностях разного цвета. Она сводится к подборке коэффициентов, на которые следует умножать перед сравнением результаты измерения, полученные при разном освещении. Оснащённый таким датчиком робот можно научить выполнять интересные алгоритмы движения. Например, он сможет передвигаться по рабочему полю одного цвета, не нарушая границ "запретных" зон, выкрашенных в другой цвет.

Датчик света — это прибор, который позволяет нашему устройству оценивать уровень освещенности. Для чего нужен такой датчик? Например, для системы уличного освещения, чтобы включать лампы только тогда, когда на город спускается ночь. Еще одно применение датчиков света — это детектирование препятствия роботом, путешествующем по лабиринту. Либо детектирование линии роботом следопытом (LineFollower). Но в этих двух случаях, в паре с датчиком света используют специальный источник света. Мы же начнем с простого примера, и подключим к микроконтроллеру Ардуино Уно один из самых распространенных датчиков — фоторезистор. Как долнжо быть понятно из названия, фоторезистор — это резистор, который меняет свое сопротивление в зависимости от падающего на него света. Выглядит этот радиоэлемент так: Различаются фоторезисторы по диапазону сопротивления. Например:

• VT83N1 — 12-100кОм;
• VT93N2 — 48-500кОм.

1. Подключение

Внешний вид макета

2. Программа

Пример подключения фоторезистора для управления светодиодом

Данный пример демонстрирует подключение фоторезистора для управления светодиодом, для создания аналога ночника. Сопротивление фоторезистора зависит от интенсивности падающего на него света,поэтому при уменьшении освещенности светодиод будет гореть ярко,а при ярком свете отключаться.

Необходимые компоненты

• Макетная плата;
• Резистор на 220 Ом ;
• Резистор на 10 кОм ;
• Фоторезистор с номинальным сопротивлением 200кОм ;
• Один красный светодиод;
• Провода-перемычки;

Схема

Соедините 9 -ый цифровой вывод Arduino с одним из выводов 220 Ом -ного резистора, другой вывод этого резистора соедините с анодом светодиода(длинная ножка), а катод светодиода с землей(контакт GND на плате Arduino). Контакт 5V платы Arduino соедините с одним из выводов фоторезистора, а другой вывод соедините с 0 -ым аналоговым контактом Arduino и с одним из выводов 10кОм -го резистора, другой вывод резистора соедините с землей(контакт GND на плате Arduino).

Резистивный делитель напряжения состоит из двух резисторов, от соотношения сопротивлений зависит выходное напряжение. В данном примере один из резисторов переменный(фоторезистор, на номинальное сопротивление в 200кОм , т.е при полной темноте сопротивление фоторезистора будет равно номинальному,а при ярком свете падать почти до нуля), поэтому мы можем получить изменение напряжения. Другой резистор определяет чувствительность. Если использовать подстроечный резистор, то можно сделать настраиваемую чувствительность.

От того где расположен фоторезистор и номинал постоянного резистора в схеме делителя напряжения зависит масштаб и точность показаний. Измените схему и посмотрите через монитор порта(для этого можете загрузить код из раздела "Код для корректировки параметров" , расположенный ниже) как меняются показания.

В мониторе порта в первом и во втором случае вы увидите, что не получите весь диапазон значений(от 0 до 1023), потому что сопротивление фоторезистора никогда не будет равно нулю. Но вы сможете определить минимальное(MIN_LIGHT) и максимальное(MAX_LIGHT) значение освещенности(значения зависят от условий освещенности, значения постоянного резистора и характеристик фоторезистора), для построения нашего "ночника".

Код

Загрузите скетч, показанный ниже, в плату Arduino .

#define RLED 9 //Красный светодиод подключаем к 9-му цифровому контакту с поддержкой ШИМ

1. int val = 0 ; //Переменная для хранения считываемого значения с датчика

2. void setup()

   pinMode(RLED, OUTPUT) ; //Устанавливаем 9 вывод как выход

3. void loop()

   val = analogRead(LIGHT) ; //считываем значение с аналогового входа

   val = map(val, MIN_LIGHT, MAX_LIGHT, 255 , 0 ) ; //преобразуем диапазон считываемых значений

   val = constrain(val, 0 , 255 ) ; //"определяем" области допустимых значений

   analogWrite(RLED, val) ; //управляем светодиодом

• Примечание: В данном примере используется фоторезистор с номинальным сопротивлением в 200кОм . Если у вас фоторезистор на другой номинал, возможно вам придется изменить минимальное(MIN_LIGHT) и максимальное(MAX_LIGHT) значение освещенности.

Код для корректировки параметров

Если у вас фоторезистор на другой номинал возможно вам придется подкорректировать минимальное(MIN_LIGHT) и максимальное(MAX_LIGHT) значение освещенности. Для этого добавьте две строчки кода(выделены цветом). И определите минимальное(MIN_LIGHT) и максимальное(MAX_LIGHT) значение освещенности, перекрывая(и наоборот открывая) рукой доступ к свету для фоторезистора и наблюдая за изменениями значений с помощью монитора последовательного порта. После корректировки вы можете закомментировать добавленные строчки кода.

#define RLED 9 //Красный светодиод подключаем к 9-му цифровым контактом с поддержкой ШИМ

#define LIGHT 0 //Фоторезистор подключаем к 0-му аналоговому контакту

#define MIN_LIGHT 200 //Минимальное значение освещенности

#define MAX_LIGHT 900 //Максимальное значение освещенности