Mến chào tất cả các bạn nhé, trong bài viết này mình và các bạn sẽ cùng nhau tìm hiểu về một loại thiết bị cảm biến đặc biệt. Đó chính là cảm biến hồng ngoại, là một loại cảm biến được sử dụng khá phổ biến trên thị trường hiện nay trong nhiều ứng dụng khác nhau. Và chính vì có quá nhiều ứng dụng có thể sử dụng đến loại thiết bị này nên chúng cũng là một chủ đề được khá nhiều bạn quan tâm và tìm hiểu. Nắm bắt được nhu cầu đó nên thông qua bài viết này mình muốn chia sẻ đến các bạn các kiến thức liên quan như khái niệm về cảm biến hồng ngoại là gì ? Chúng hoạt động theo nguyên lý nào ? Các ứng dụng thường thấy của chúng ? Các ưu nhược điểm khi sử dụng chúng cũng như các thông tin chi tiết liên quan khác. Từ đó các bạn sẽ có thêm cái nhìn tổng quan hơn về loại thiết bị này nhé, còn bây giờ thì bắt đầu nào !
Cảm biến hồng ngoại là gì ?
Cuộc sống của chúng ta tồn tại trong 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), của ánh sáng(nhận biết qua mắt), của 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 thì 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 vào các dạng mạch điện để xử lý. Ngày nay có rất nhiều, rất nhiều loại SENSOR. Trong lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu loại sensor dùng phát hiện các vật thể nóng có chuyển động ngang, quen gọi là PIR moton detector.
Cảm biến hồng ngoại là gì ?
Như thường lệ thì trước khi vào nội dung chính chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu sơ lược về dòng thiết bị này trước nhé. Cảm biến hồng ngoại hay còn được gọi là IR Sensor, 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 Infrared, viết tắt là PIR dịch sát nghĩa là “hồng ngoại thụ động”. Cảm biến hồng ngoại (IR Sensor) 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 nằm trên cùng một phổ điện từ). Bất cứ thứ gì phát ra nhiệt (mọi thứ có nhiệt độ trên năm 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 tức là ngoài bức 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° 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 William Herschel vào năm 1800. Trong khi đo nhiệt độ của từng màu ánh sáng (cách nhau bởi một lăng kính), ông nhận thấy rằng nhiệt độ vượt ra ngoài ánh sáng đỏ là cao nhất
Có hai loại cảm biến hồng ngoại đó là cảm biến dạng chủ động và thụ động. 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 đóng 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 ra từ vật thể khác như người, động vật hoặc một nguồn nhiệt bất kỳ, chứ tự nó không phát ra tia hồng ngoại nào cả. Sau khi nhận biết được nguồn nhiệt, bộ phận cảm biến sẽ phân tích để xách định điều kiện báo động. Vì thế người ta gọi đó là thụ 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 của ánh sáng nhận được. Khi một vật 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 ta đã biết có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng.
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 nhé.
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 nguyên 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 Breadboard:
Để có thể thiết lập hoạt động của một cảm biến hồng ngoại thì các bạn cần có những thứ như sau:
- Máy dò hồng ngoại 2x
- 2x đèn LED hồng ngoại trong vỏ
- Điện trở 2x 2kΩ (đỏ-đen-đỏ)
- Điện trở 2x 220Ω (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 các đèn LED hồng ngoại nằm trong vỏ của chúng:
- Chèn IR LED vào phần vỏ lớn hơn với dây dẫn dính ra.
- Nhấn mạnh đèn LED vào vỏ.
- Đặt phần vỏ nhỏ hơn trên đèn LED.
Đặt đèn LED hồng ngoại:
Tiếp theo thì 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 cực âm là chân ngắn hơn, cạnh phẳng
Tuyệt đối các bạn không được đấu dây sai chân của LED đâu nhé, như vậy sẽ làm hỏng linh kiện
Đặt máy dò hồng ngoại:
Bây giờ chúng ta có thể đặt máy dò hồng ngoại vào bảng mạch rồi. Phần giữa của bộ thu phải nằm trên cùng một bus với cực âm của đèn LED (để buộc nó xuống đất).
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.
Đi dây điện:
Điều cuối cùng cần làm là nối các đèn LED IR, điện trở và bộ thu IR vào Arduino. Cụ thể như sau:
- Đầu tiên thì chúng ta sẽ kết nối các ngạnh + 5v của các máy thu IR (ngạnh phải nếu đối diện với máy thu) bằng các dây màu đỏ. Chúng nên được nối trực tiếp lên cổng +5 volt trên Arduino mà không có điện trở nối tiếp.
- 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 Arduino bằng dây màu đen.
- Các ngạnh thứ ba, hoặc các ngạnh tín hiệu của các máy thu IR (ngạnh trái nếu đối diện với máy thu) nên được kết nối qua các điện trở 220 ohm với các chân 7 và 8 của Arduino (đầu thu phải trên chân 7, đầu thu bên trái trên chân 8) bằng cách sử dụng dây màu xám.
- Cuối cùng, cực dương của đèn LED IR ‘ s nên được chạy qua các điện 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.
Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại:
Cảm biến hồng ngoại là thiết bị có nhiều tính năng nổi bật như: bật tắt đèn tự động, báo trộm, mở cửa tự động…
- Cảm biến hồng ngoại giúp bật tắt đèn tự động: với chức năng bật đèn 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 thì đèn sẽ sáng đến đó. Vì thế mà ở các không gian lắp đặt thiết bị cảm biến hồng ngoại ở những vị trí như hành lang dùng bật đèn chiếu sáng lối đi hoặc nhà vệ sinh sẽ giúp cho các không gian đó được chiếu sáng luôn.
- 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 đến nếu có trộm bước vào nhà hay đi qua sân vườn, ban công của nhà bạn, khi chúng đi ngang qua mắt cảm ứng mà trộm không xác định được vị trí lắp đặt của cảm biến thì thiết bị hú còi và ngay lúc đó thì chủ nhà biết có trộm để đề phòng 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 hơn khi sử dụng và lắp đặt các thiết bị.
Các ưu nhược điểm khi sử dụng cảm biến hồng ngoại là gì ?
Bất kể chúng ta sử dụng một loại thiết bị nào thì cũng có những thế mạnh và những điều hạn chế đúng không nào. Và cảm biến hồng ngoại cũng là một trong số đó, chính vì thế các bạn có thể tham khảo một số ưu và nhược điểm sau đây để có thể hiểu thêm nhé.
Ưu điểm:
Nếu bạn đang muốn dùng loại đèn có độ nhạy cao, có khả năng phát hiện chuyển động nhỏ xuyên tường mỏng, gỗ, nhựa,… thì có thể chọn đèn dùng công nghệ cảm biến rada. Với công nghệ này, đèn có góc quét rộng, 360 độ, không điểm chết và cảm ứng với khoảng cách 6 – 8m. Đèn áp dụng công nghệ radar sẽ không phụ thuộc cảm biến vào nhiệt độ môi trường.
Đối với công nghệ cảm biến hồng ngoại, đèn có khả năng phân biệt được cả chuyển động của người và đồ vật. Bạn hoàn toàn có thể điều chỉnh được góc cảm ứng theo ý muốn của mình và sử dụng vách ngăn để tránh vùng không muốn cảm ứng.
Nhược điểm:
Độ nhạy cao của cảm biến radar đôi khi cũng là nhược điểm của công nghệ này vì dễ bị nhầm lẫn khi phát hiện vật chuyển động. Đèn dùng công nghệ cảm biến hồng ngoại lại có yếu điểm là góc 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 đèn càng kém nhạy. Phạm vi đèn cảm biến được chỉ trong khoảng 2 – 3m.
Những lưu ý khi lắp đặt và sử dụng cảm biến hồng ngoại:
Các vấn đề cần tránh khi lắp đặt cảm biến hồng ngoại:
- Không hướng mắt sensor về phía giàn nóng máy lạnh vì giàn nóng máy lạnh khi hoạt động thường có nhiệt độ cao, tia bức xạ hồng ngoại của nó phát ra sẽ gây nhiễu cảm biến, khiến nó hoạt động không chính xác.
- Không hướng mắt sensor về phía cửa sổ có rèm che để tránh báo động giả. Khi cửa sổ mở, nhiều nguồn nhiệt xâm nhập rèm che gặp gió sẽ có thể gây nhiễu cảm biến vi sóng.
- Không lắp đặt cảm biến PIR trong nhà ra ngoài trời bởi vì cảm biến PIR loại trong nhà không có tính năng chịu mưa nắng, để ngoài trời dù không trực tiếp gặp mưa nắng, nó cũng dễ bị hỏng dần chất liệu vỏ, lăng kính fresnel, khiến chức năng hoạt động kém dần đi.
- Không hướng trực tiếp mắt sensor về nơi nhiều nắng mặt trời. Tia mặt trời có nhiều bức xạ hồng ngoại, khiến sensor bị nhiễu.
- Không nên đặt sensor gần dây điện nguồn bởi vì cảm biến PIR là một thiết bị điện tử, hoạt động ở điện áp thấp nên hạn chế đặt gần điện nguồn cao áp.
- Không nên hướng mắt sensor ra phía cổng sát đường đi để tránh báo động giả không đáng có do người khác đi bộ hoặc chạy bộ ngang qua cổng. Sensor có thể lầm với việc đột nhập.
- Không lắp sensor trên tường bị rung để giúp sensor hoạt động ổn định hơn
Một số lưu ý khác:
Trong hướng dẫn lắp đặt của hầu hết mọi nhà sản xuất cảm biến PIR đều có ghi chú về các vị trí lắp cảm biến cần tránh. Nếu không để ý kỹ, người lắp đặt sẽ dễ phạm phải. Kết quả là cảm biến có khi không hoạt động đúng chức năng, có khi lại báo động giả. Chúng ta cần lưu ý những vấn đề sau:
- Đặt đầu báo tại nơi kẻ đột nhập phải đi qua, hoặc tại nơi tạo ra một cái bẫy với kẻ gian.
- Đặt đầu báo với độ cao đúng như tài liệu kỹ thuật chỉ dẫn.
- Tính toán vùng cảm nhận của đầu báo sao cho phù hợp với vùng cần cảm nhận theo yêu cầu.
- Tránh những vùng khuất (điểm mù) tại nơi lắp đặt, khiến đầu báo không thể phát hiện được chuyển động.
- Kiểm tra khả năng cảm nhận của đầu báo sau khi lắp đặt.
- Do đầu báo động hồng ngoại nhạy cảm với năng lượng hồng ngoại, cần lưu ý tránh các nguồn phát nhiệt, dễ gây ra báo động giả như: Gần cửa, điều hoà, lỗ thoát khí, bếp lửa và ánh sáng mặt trời.
- Công nghệ giúp phân biệt vật nuôi
