การทดลองที่ 5.3 การต่อวงจรสวิตช์ควบคุมด้วยแสง

วัตถุประสงค์

- ฝึกต่อวงจรโดยใช้อุปกรณ์สวิตช์ควบคุมด้วยแสง(Opto-Interrupter) เช่น เบอร์ H21A1
- ประยุกต์ใช้งานอุปกรณ์ชนิดนี้ร่วมกับบอร์ด Arduino

รายการอุปกรณ์

-  แผงต่อวงจร(เบรดบอร์ด)                1 อัน
-  อุปกรณ์สวิตช์ควบคุมด้วยแสงH21A1 หรือTCST2202    1 ตัว
-  ไดโอดเปล่งแสงสีแดงหรือสีเขียว   1 ตัว
-  ตัวต้านทาน220Ω                    1 ตัว
-  ตัวต้านทาน330Ω หรือ470Ω   1 ตัว
-  ตัวต้านทาน10kΩ                    1 ตัว
-  บัซเซอร์แบบเปียโซ(Piezo Buzzer)     1 ตัว *
-  สายไฟสําหรับต่อวงจร            1 ชุด
-  มัลติมิเตอร์                              1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

1.  ต่อวงจรบนเบรดบอร์ดตามรูปที่ 5.3.1 โดยใช้แรงดันไฟเลี้ยง +5V และ GND จากบอร์ด Arduino

ที่มา : เอกสารประกอบการเรียน Logic Design of Digital System ,ดร. เรวัต  ศิริโภคาภิรมย์

2.  เขียนโค้ด Arduino เพื่อรับค่าอินพุตแบบดิจิทัลที่ขา D3(จากสัญญาณ Vout ของวงจรบนเบรด
บอร์ด) แล้วสร้ างสัญญาณเอาต์พุตที่ขา D5 เพื่อแสดงค่าของอินพุตที่รับโดยใช้ LED เป็นตัวแสดง
สถานะทางลอจิก(ถ้าไม่มีวัตถุมาปิดกั้นช่องรับแสง LED จะต้องไม่ติด)
3.  ใช้กระดาษสีดําปิดกั้น(หรือวัตถุอื่น เช่น ไม้บรรทัดเหล็ก) บริเวณช่องรับแสงของอุปกรณ์สวิตช์
ควบคุมด้วยแสง สังเกตความแตกต่างระหว่างกรณีที่มีวัตถุปิดกั้นและไม่มี (เช่น ใช้มัลติมิ เตอร์วัด
แรงดัน Vout)
4.  ทดลองต่อบัซเซอร์แบบเปียโซ(สร้างเสียงเตือน) แทนวงจร LED ในวงจรบนเบรดบอร์ด(โดยนําไปต่อ
อนุกรมกับตัวต้านทานขนาด330Ω และให้ สังเกตว่า บัซเซอร์แบบเปียโซมีขาบวกและขาลบ)
5.  แก้ไขโค้ด Arduino เพื่อนับเวลาตั้งแต่เริ่มนํากระดาษไปปิดกั้นจนถึงเมื่อนํากระดาษออกในแต่ละครั้ง
โดยวัดช่วงเวลาเป็นหน่วยมิลลิวินาที(msec) และให้แสดงผลออกทางพอร์ตอนุกรมผ่านทาง Serial
Monitor ของ Arduino IDE(ให้ศึกษาการใช้คําสั่ง millis() สําหรับการเขียนโค้ด Arduino)
6.  เขียนรายงานการทดลอง ซึ่ งประกอบด้วยคําอธิ บายการทดลองตามขั้ นตอน ผั งวงจรที่ถูกต้อง
ครบถ้วนตามหลักไฟฟ้ า(ให้วาดด้วยโปรแกรมCadsoft Eagle) รูปถ่ายของการต่ อวงจรบน
เบรดบอร์ด และตอบคําถามท้ายการทดลอง

ผลการทดลอง

ภาพวงจร แบบ วงจร Schemetic

ภาพวงจร แบบ Breadboard View

const byte INPUT_D3 = 3; const byte LED = 5; void setup() { pinMode(INPUT_D3,INPUT); pinMode(LED,OUTPUT); Serial.begin(9006); } void loop() { int value = digitalRead(INPUT_D3); Serial.println(value); delay(100); if(value == 1){ digitalWrite(LED , HIGH); } if(value == 0){ digitalWrite(LED , LOW); } }

เมื่อ ไม่มีวัตถุมาปิดกั้นช่องรับแสง LED ดับ

เมื่อ มีวัตถุมาปิดกั้นช่องรับแสง LED ติด

ภาพวงจร แบบ วงจร Schemetic

ภาพวงจร แบบ Breadboard View

const byte INPUT_D3 = 3; const byte LED = 5; int time ; int time2 ; int check = 0; void setup() { pinMode(INPUT_D3, INPUT); pinMode(LED, OUTPUT); Serial.begin(9006); } void loop() { int value = digitalRead(INPUT_D3); delay(100); if (value == 1) { check = 1; digitalWrite(LED , HIGH); time = millis(); } else { if (check == 1) { Serial.println(time-time2); check = 0; } digitalWrite(LED , LOW); time2 = millis(); } }

ระยะเวลาของเสียงที่ดังออกมา หน่วยเป็น millisecond

คําถามท้ายการทดลอง

1.  จากการทดลองพบว่า จะวัดแรงดัน Vout ได้เท่ากับ  0.109 โวลต์ เมื่อไม่มีวัตถุไปปิดกั้นช่องรับแสง

ของอุปกรณ์ H21A1 และจะวัด Vout ได้เท่ากับ   4.971  โวลต์ เมื่อมีวัตถุไปปิดกั้นช่องรับแสง

ของอุปกรณ์ดังกล่าว

2.  ถ้านํากระดาษสีขาวและกระดาษสีดํา ไปปิดกั้นช่องรับแสง ในแต่ละกรณี จะให้ ผลการทํางานของ

วงจรที่แตกต่างกันหรือไม่ จงอธิบาย
ไม่มีผลเนื่องจากวัตถุทั้งสองชนิดที่ใช้เป็นวัตถุทึบแสงทำให้เมื่อนำไปกั้นระหว่างช่องรับแสงแล้วจะทำให้แสงอินฟาเรดไม่สามารถผ่านไปฝั่งรับแสงได้

การทดลองที่ 5.2 การตรวจจับวัตถุในระยะใกล้ด้วยแสงอินฟราเรด

วัตถุประสงค์

-  ฝึกต่อวงจรโดยใช้ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์
-  ประยุกต์ใช้งานอุปกรณ์ทั้งสองชนิดร่วมกับบอร์ด Arduino เพื่อใช้ตรวจจับวัตถุในระยะใกล้

รายการอุปกรณ์

-  แผงต่อวงจร(เบรดบอร์ด)          1 อัน
-  ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรด       1 ตัว
-  ไดโอดเปล่งแสงสีแดงหรือสีเขียว          1 ตัว
-  โฟโต้ทรานซิสเตอร์                  1 ตัว
-  ตัวต้านทาน220Ω                      1 ตัว
-  ตัวต้านทาน330Ω หรือ470Ω     1 ตัว
-  ตัวต้านทาน10kΩ                      1 ตัว
-  ตัวเก็บประจุแบบElectrolytic 1uF หรือ10uF (มีขั้ว) 1 ตัว
-  สายไฟสําหรับต่อวงจร              1 ชุด
-  มัลติมิเตอร์1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

1.  ออกแบบวงจร(วาดผังวงจร) โดยใช้ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์1 ชุด พร้อม
ตัวต้านทานตามที่กําหนดให้ แล้วนําสัญญาณเอาต์พุตของวงจรส่วนนี้ ไปต่อเข้าที่ขาอินพุตA1 ของ
บอร์ด Arduino และให้มีวงจรไดโอดเปล่งแสง(LED) พร้อมตัวต้านทานจํากัดกระแส 330Ω หรือ
470Ω ที่ต่อกับขาเอาต์พุต D5 ของบอร์ด Arduino เพื่อใช้เป็นเอาต์พุตในการแสดงผล
2.  ต่อวงจรตามผังวงจรที่ได้วาดไว้บนเบรดบอร์ด ให้ใช้ แรงดันไฟเลี้ยง VCC=+5V และGnd
จากบอร์ด Arduino เท่านั้น
3.  เขียนโค้ดสําหรับ Arduino ให้แสดงพฤติกรรมดังนี้ เมื่อมี วัตถุเข้าใกล้(อยู่เหนือ) ตัวส่งและตัวรับแสง
อินฟราเรดของวงจร(เช่น ที่ระยะห่างประมาณ10 cm หรือน้อยกว่า) จะทําให้ LED เริ่มกระพริบ
ด้วยความถี่ต่ํา(อย่างช้าๆ) แต่ถ้าวัตถุเข้าใกล้มากขึ้น LED จะกระพริบด้วยความถี่สูงขึ้น แต่ถ้าไม่มี
วัตถุอยู่ในระยะใกล้ LED จะต้องไม่ติด(ไม่กระพริบ) ให้ทดลองกับวัตถุต่างสีกัน เช่น สี ขาวและสีดํา
4.  เขียนรายงานการทดลอง ซึ่ งประกอบด้วยคําอธิ บายการทดลองตามขั้ นตอน ผั งวงจรที่ถูกต้อง
ครบถ้วนตามหลักไฟฟ้ า(ให้วาดด้วยโปรแกรมCadsoft Eagle) รูปถ่ายของการต่ อวงจรบน
เบรดบอร์ด และตอบคําถามท้ายการทดลอง

ผลการทดลอง

const byte PHOTO_TRAN = A0; const byte LED = 5; void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); pinMode(PHOTO_TRAN, INPUT); analogReference( DEFAULT ); Serial.begin( 9600 ); } void loop() { int value = analogRead(PHOTO_TRAN); Serial.println(value); if(value > 255){ digitalWrite(LED,HIGH); delay(value/100); digitalWrite(LED,LOW); delay(value/100); } delay(100); }

ผลการทำงานจากวงจรและโค้ด

คําถามท้ายการทดลอง

1.  ในการทดลอง ถ้าใช้วัตถุต่างสีกัน จะมีผลต่อการทํางานของวงจรที่แตกต่างกันหรือไม่ จงอธิบาย

- แตกต่างกันเนื่องจากวัตถุสีขาวจะสะท้อนแสงขาวออกมาทำให้โฟโต้ทรานซิสเตอร์ได้รับแสงเพิ่มมากขึ้น แต่วัตถุสีดำจะดูดกลืนแสงขาวทำให้เมื่อนำวัตถุดำไปใกล้โฟโต้ทรานซิสเตอร์จะทำให้ได้รับแสงน้อยกว่าวัตถุสีขาว