tinker

Мы уже рассматривали возможность автоматического управления светом в санузле, когда свет включался при обнаружении движения теплого тела. Мы использовали специальный модуль - PIR-датчик.
Это датчик состоит из инфракрасных датчиков, обычных и подстроечных резисторов, конденсаторов и других радиодеталей, распаянных на специальной плате. PIR-датчик работает как реле, то есть, либо включает, либо отключает нагрузку (например, лампочку).

В спальне хотелось бы использовать более умное устройство, которое автоматически настраивает уровень освещения в зависимости от уровня текущего освещения в комнате или уровня внешнего освещения на улице. <note tip>“… бабочки полет будит тихую поляну в солнечном свету…”
Мацуо Басё</note> Рассмотрим два варианта автоматического изменения освещения в помещении:

• включение, отключение и управление яркостью светильника (люстра, торшер, бра)
• открытие и закрытие створок жалюзи на окнах

Чтобы эффективно чем-то управлять, надо сначала собрать побольше, поактуальнее и понадёжнее данные. В нашем случае данные - это количество света или уровень освещенности. В основном используют три устройства, реагирующих на свет:

Фотодиоды	Фототранзисторы	Фоторезисторы
под действием света сопротивление резистора меняется в несколько раз	принцип действия фотодиода основан на возникновении ЭДС под действием света	за счет воздействия светом на область базы возможно управление усилением электрического тока

Разновидности:

• лавинные
• с барьером Шоттки
• с гетероструктурой

Режимы работы Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:

• Режим фотогенератора. Без подключения источника электричества.
• Режим фотопреобразователя. С подключением внешнего источника питания.

В работе фотогенератора фотодиоды используются вместо источника питания, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Такие фотогенераторы называются солнечными элементами. Они являются основными частями солнечных батарей, применяемых в различных устройствах, в том числе и на космических кораблях.

Транзистор включает в себя базу, коллектор и эмиттер. При функционировании фототранзистора база не включена в работу, так как свет создает электрический сигнал, который дает возможность протекать току по полупроводниковому переходу.

Чувствительность фототранзистора гораздо выше, чем у фотодиода. Они нашли применение в различных устройствах, в которых применяется зависимость от светового потока. Такими устройствами являются лазерные радары, пульты дистанционного управления, датчики дыма и другие. Фототранзисторы могут реагировать как на обычное освещение, так и на ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Сравнительные характеристики:

• Фототранзисторы обладают меньшей способностью поддерживать линейную зависимость между освещенностью и выходным током
• Фотодиоды обеспечивают более быстрый отклик, чем фототранзисторы
• Фототранзисторы более чувствительны к температуре, чем фотодиоды

В TinkerCAD для определения освещенности используют фоторезистор. <note>Фоторези́стор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом</note>

Фоторезистор, как и любой обычный резистор, забирает на себя часть напряжения электрического тока, проходящего через него. Количество забираемого напряжения (величина падения напряжения) зависит от величины сопротивления резистора. А величина сопротивления фоторезистора не постоянна и зависит от количества света, падающего на светочувствительные элементы фоторезистора.

Измеряя падение напряжения на фоторезисторе (например, вольтметром или аналоговым пином arduino), можно управлять исполнительными механизмами, подключенными к arduino (светодиод, пьезодинамик, двигатель и т.д.).

Попробуем сперва подключить фоторезистор к батарейке и измерить вольтметром напряжение (прибор в режиме “V”), падающее на фоторезисторе. На схеме источник питания батарейка 9 вольт. Вольтметр подключается параллельно к нагрузке (фоторезистору).

При минимальном освещении сопротивление фоторезистора минимально и падение напряжения практически нулевое. При максимальном освещении и максимальном сопротивлении фоторезистора падение напряжения 0.03 вольта, то есть примерно 0.33%

Во второй части видео мы отключаем источник питания и переключаем наш измерительный прибор в режим “R” - измерение параметров резистора. На видео демонстрируется изменение сопротивление фоторезистора в зависимости от освещения.

Видно, что при минимальном освещении сопротивление фоторезистора 180 кОм, а при максимальном освещении 506 Ом, то есть разница в 356 раз!

Фоторезистор подключается к arduino по схеме "делителя напряжения". Характеристики, виды и применение “делителей напряжения” можно прочитать по ссылке на Википедии.

Мы сразу перейдем к практической реализации.

Представим, что контроллер arduino - это просто источник питания (батарейка). Соединим контакты arduino 5V и GND проводом. То есть создадим замкнутый контур по которому потечёт электрический ток.

Подключим в цепь “нагрузку” - последовательно (друг за другом) фоторезистор (у которого сопротивление меняется) и обычный постоянный резистор номиналом 10 кОм.

<note warning>При сборке настоящей электроцепи с контроллером arduino или просто с источником питания всегда сразу подключайте в цепь нагрузку!
Соединение без нагрузки контактов 5V и GND (“+” и “-” на батарейке) создаст “короткое замыкание” и выведет из строя устройство!</note>

Измерим напряжение на каждом резисторе, подключив к ним параллельно вольтметры. Изменяя освещенность фоторезистора, увидим, что напряжение на каждом “плече” (так называют две соединенные части схемы) изменяется пропорционально освещенности фоторезистора. Заметим, что сумма этих двух напряжений (“падающих” на каждом “плече”) всегда равна напряжению источника питания (в нашем случае 5 вольт).

Аналоговые порты arduino A0-A5 - это тоже вольтметры, измеряющие входное напряжение (до 5 вольт!) и преобразующие его в сигнал величиной от 0 до 1023, который уже и обрабатывается программным кодом контроллера. Подадим изменяющееся напряжение на пин A0, подключив его к точке между резисторами.

Добавим программный код, который будет выдавать в “Монитор последовательного интерфейса” значение сигнала с пина A0.

Границы изменения сигнала зависят от номинала постоянного резистора. В нашем случае (R = 10 кОм) сигнал изменяется от 54 до 974. Если резистор заменить на номинал 100 Ом, сигнал будет изменяться в диапазоне от 1 до 169. Поэкспериментируйте с различными значениями постоянного резистора и понаблюдайте за изменениями сигнала на пине A0.

<note tip> В зависимости от схемы подключения резисторов, по разному будет вести себя и сигнал на пине A0:

• вариант 1 - “контакт 5V ↔ фоторезистор ↔ резистор ↔ контакт GND” - при увеличении освещения (сопротивление фоторезистора уменьшается), сигнал с пина A0 увеличивается;
• вариант 2 - “контакт 5V ↔ резистор ↔ фоторезистор ↔ контакт GND” - при увеличении освещения (сопротивление фоторезистора уменьшается), сигнал с пина A0 уменьшается.

</note>

Соберем схему макета устройства, которое будет изменять положение створок жалюзи в зависимости от освещения в помещении. Через створки жалюзи в комнату будет попадать уличный свет, таким образом автоматически поддерживая заданный уровень освещенности в комнате.

Исполнительным механизмом будет сервопривод - устройство, которое может поворачивать вал электродвигателя на заданный угол и удерживать его в этом положении.

Стандартный рабочий угол сервопривода 180 градусов. В программном коде в переменной ValA0 хранится значение величины сигнала на пине A0, изменяющееся от 54 до 974. Это значение преобразуется в значение от 0 до 180, которое посылается на цифровой пин D9, соединенный с управляющим цифровым контактом сервопривода.

Реализовать схему и программный код устройства “Умная лампочка”. Алгоритм работы устройства:

1. уровень освещения в помещении падает (на фоторезистор попадает мЕньший световой поток) - яркость белого светодиода увеличивается;
2. уровень освещения в помещении увеличивается (на фоторезистор попадает бОльший световой поток) - яркость белого светодиода уменьшается.

На светодиод должен подаваться сигнал величиной от 0 до 255. Не забывайте про токоограничивающий резистор для светодиода!

<note tip>“Не жалуйся на тьму. Стань сам маленьким источником света”
Бернар Вербер “Тайна богов”</note>

На главную страницу