GP2D120 Article (Thai)

Proto Knowledge

Sensor ปกรณ์​ลิ้มพรจิตรวิไล

โมดูลวัดระยะทาง ดวยแสงอินฟราเรด

อีกหนึ่งตัวตรวจจับระยะทาง และตรวจจับวัตถุแบบไม่สัมผัส ที่ได้รับความนิยมสูงและใช้งานง่าย มารู้จักกันให้ลึกอีกนิด

54

The Prototype Electronics

ตัว ตรวจจับ ท่ที �างาน กับ แสง อินฟราเรด มี หลากหลาย รูปแบบ และ มัก ใช ใน การ ตรวจจับ สง่ิ กดี ขวาง, ตรวจ จบั ความ แตกตาง ส ีของ พน้ื ผิว อยาง งาย, ตรวจจับ การ มี อยู ของ วัตถุ เพื่อ ใช ใน การ นับจ�านวน วัตถุ อัตโนมัติ, การ ควบคุม อปุ กรณ ระยะไกล รวมถึง การ สอ่ื สาร ขอ มูล แบบ ไรสาย ดว ย ส�าหรับ ตัว ตรวจจับ ทท่ี า� งาน กบั แสง อนิ ฟราเรด ท น่ี า� มา คยุ ให ฟง กนั ใน ฉบับ น น้ี า� มาใช ตรวจจับ และ วัด ระยะทาง จึง มีช่อื เรียกวา โมดูล​ตรวจจับ​และ​วัด​ระยะทาง​ ดวย​แสง​อนิ ฟราเรด​(Infrared​distance​sensor​หรือ​Infrared​ranger)

Sharp​Semiconductor เปนหนึ่ง ใน ผูผลิต ตัว ตรวจจับ ที่ ไดรับ การ ยอมรับ ไป ทั่วโลก โดยเฉพาะ อยางยิ่ง ใน แผนก Optoelectronics และ โมดูล ตรวจจับ และ วัด ระยะทาง ดวย แสง อินฟราเรด ที่ น�ามา เลา ให ฟง นี้ ก็ เปนผล งาน Sharp นั่น คือ โมดูล ตรวจจับ และ วัด ระยะทาง ดวย แสง อินฟราเรด ใน อนุกรม GP2 เบอร ที่ แนะน�า ให รูจัก คือ GP2D120 และ GP2Y0A21

คุณสมบัติทางเทคนิคของ​GP2D120 • ใชการตรวจจับระยะทางดวยการสะทอนแสงอินฟราเรด • วัดระยะทางได 4 ถึง 30 เซนติเมตร • ไฟเลี้ยงที่เหมาะสมคือ 4.5 ถึง 5V ตองการกระแสไฟฟาที่ การวัดระยะทางสูงสุด 50mA • ใหเอาตพุตเปนแรงดันในยาน 0.4 ถึง 2.4V ที่ไฟเลี้ยง +5V • ใชงานไดโดยไมตองตออุปกรณภายนอกเพิ่มเติม คุณสมบัติทางเทคนิคของ​GP2Y0A21 • ใชการตรวจจับระยะทางดวยการสะทอนแสงอินฟราเรด • วัดระยะทางได 10 ถึง 80 เซนติเมตร • ไฟเลี้ยงที่เหมาะสมคือ 4.5 ถึง 5V ตองการกระแสไฟฟาที่ การวัดระยะทางสูงสุด 40mA • ใหเอาตพุตเปนแรงดันในยาน 0.4 ถึง 2.4V ที่ไฟเลี้ยง +5V • ใชงานไดโดยไมตองตออุปกรณภายนอกเพิ่มเติม

ใน รูป ที่ 2 แสดง ไดอะแกรม ใน การ ท�างาน ภายใน ของ โมดูล GP2 จะ เห็นวา ประกอบดวย ตัวสง และ ตัวรับ อินฟราเรด ที่ ติดตั้ง ภายใต ตัวถัง เดียวกัน โมดูล GP2 จะ ท�างาน ทันทีที่ มี ไฟ เลี้ยง +5V จาย ให โดย ตัวสง อินฟราเรด จะ ขับแสง อินฟราเรด จาก ตัว มัน ตลอด เวลา เมื่อใด ที่ มี วัตถุ มา ขวางกั้น ท�าใหเกิด การ สะทอน ของ แสง อินฟราเรด กลับ ไป ยัง ตัวรับ ภายใน โมดูล GP2 ที่ ตัวรับ จะ ตอ เขากับ วงจร ประมวลผล สัญญาณ เพื่อ สราง แรงดัน ออกไป ทาง ขา เอาตพุต ซึ่ง แปร ผกผัน กับรยะ ทาง ที่ ตรวจ จับได นั่น คือ ที่​ระยะทาง​ใกล​แรงดัน​เอาตพุต​ที่​ได​จะ​มี​คา​สูง​ และ​ มี​คา​ต�่า​เมื่อ​ระยะทาง​ที่วัด​ได​ไกล​ขึ้น

การอานคาแรงดันจากโมดูล GP2 จะตองรอใหพนชวง เตรียมความพรอมของโมดูลกอน ซึ่งใชเวลาประมาณ 32.7 ถึง 52.9 มิลลิวินาที ดังนั้นในการอานคาแรงดันจึงควรรอใหพนชวง เวลาดังกลาวไปกอน ดังแสดงในรูปที่ 3 Vcc =+5V

GND

รูจักกับโมดูลวัดระยะทางดวยแสงอินฟราเรดอนุกรม​GP2

โมดูลตรวจจับและวัดระยะทางดวยแสงอินฟราเรดในอนุกรม GP2 มีขาตอใชงาน 3 ขาคือ ขาตอไฟเลี้ยง (Vcc), ขากราวด (GND) และขาเอาตพุต (Vout) ดังแสดงในรูปที่ 1 ส�าหรับเบอร GP2D120 และ GP2Y0A21 ใหผลการท�างานเปนแรงดันไฟตรง โดยคาแรง ดันเอาตพุตของ GP2D120 ที่ระยะทาง 30 เซนติเมตรที่ไฟเลี้ยง +5V อยูในชวง 0.25 ถึง 0.55V โดยคากลางคือ 0.4V ชวงของการ เปลี่ยนแปลงแรงดันเอาตพุตที่ระยะทาง 4 ถึง 30 เซนติเมตรคือ 2.25V ±0.3V

คาแรงดันเอาตพุตของ GP2Y0A21 ที่ระยะทาง 80 เซนติเมตร ที่ไฟเลี้ยง +5V อยูในชวง 0.25 ถึง 0.55V โดยคากลางคือ 0.4V ชวง ของการเปลี่ยนแปลงแรงดันเอาตพุตที่ระยะทาง 10 ถึง 80 เซนติเมตร คือ 1.9V ±0.25V

LED​อินฟราเรด​ตัวสง

วงจร​ ควบคุ​ุ มม วงจรควบค ​ไฟ​ เลี​ี ้ ยงคงท ้ยง​คงที​ี ่ ่ ไฟเล

วงจร​ ประมวล​ผล วงจรประมวลผล ​​​​​สัสัญ ญาณ ญญาณ

​วงจร​ ก�าเนิ​ิ ดด วงจรกำเน ​​​สัสัญ ญาณ ญญาณ

Vout

วงจร​ แรงดั​ั นน วงจรขขั ับบแรงด ​​​​​​เอาต เอาต์ พพุ ตุต

วงจร​ ขั ับบ​LED ​LED วงจรข ​​อิ นฟราเรด อินฟราเรด

รูปที่ 2 ไดอะแกรมในการทำางานภายในของโมดูลตรวจจับ และวัดระยะทางด้วยแสงอินฟราเรดอนุกรม GP2D120 และ GP2Y0A21

ตัว​รับแสงอินฟราเรด ไฟเล ไฟ​เลี​ี ้ ยง ้ยง 38.3±9.6 มิ มิลลล ลิ​ิ ววิ นิ นาท าที​ี

ขาเอาตพุต ​​​(Vout)

ขากราว​ด ​​(GND)

ขาไฟ​เลี้ยง (Vcc)

รูปที่ 1 หน้าตาและการจัดขาของโมดูลตรวจจับและวัดระยะทาง ด้วยแสงอินฟราเรดอนุกรม GP2

การ​วดระยะห ัดระยะ​ห่ าง าง การวั

วัวั ดดคร ​ครั​ั ้ งงท ที​ี ่ ​​11

แรงดั​ั นเอาต น​เอาต์ พุตุ แรงด

ไ​ไมม่ แน แ​ น่ นอน นอน

วัวั ดดคร ​ครั​ั ้ งงท ที​ี ่ ​​22

วัวั ดดคร ​ครั​ั ้ งงท ้ ที​ี ่ ​​n ่n

เ​เอาต อาต์ พุ ตคร ุตครั​ั ้ งท ้ง​ที ่ ​1 ี่​1 ​เเอาต อาต์ พุตคร ุตครั​ั ้ งท ้ง​ที ่ ​2ี่​2

เ​เอาต อาต์ พุ ุตตคร ครั​ั ้ งท ้ง​ที ่ ​n ี่​n

5​ม ​มิ​ิ ลลล ลิ​ิ ววิ​ินนาท าที ี

รูปที่ 3 ไดอะแกรมเวลาการทำางานของโมดูล GP2 และการอ่านค่า

The Prototype Electronics

55

Sensor : โมดูลวัดระยะทาง

หลักการวัดระยะทางดวยแสงอินฟราเรด

วัวัตตถ ถุ ุ

ใน​รูป​ที่ 4 แสดง​หลักการ​ของ​สามเหลี่ยม​คลาย​ท​นี่ ำ� มาใช​ใน​การ​วัด​ระยะทาง​ดวย​แสง​อินฟราเรด​ของ​โมดูล​วัด ระยะ​ท างใน​อ นุ ก รม GP2 โมดู ล ​วั ด ​ร ะยะทาง​ด  ว ย​แ สง​ อินฟราเรด​จะ​สง​แสง​อินฟราเรด​จาก​ตัว​สงไป​กระทบ​วัตถุ​ผาน​ เลนสนูน​เพื่อ​โฟกัส​แสง​ให​มี​ความ​เขม​แสง​ไป​ยัง​จุด​ใด​จุด​หนึ่ง เมื่ อ ​แ สง​ไ ป​ก ระทบ​วั ต ถุ ​จ ะ​เ กิ ด ​ก าร​ก ระเจิ ง ​ข อง​แ สง​ไ ป​ใ น​ ทิศทาง​ตางๆ แสง​สวนหนึ่ง​จะ​กระเจิง​ไป​ยัง​ภาค​รับ โดย​มี​เลนส​ ภาค​รับ​ทำ�หนาที่​รวม​แสง​และ​กำ�หนด​จุด​ตก​กระทบ แสง​จะ​ถูก​ สงผาน​ไป​ยัง​โฟโต​ทรานซิสเตอร​จำ�นวน​มาก​ที่ตอ​เรียงตัว​กัน​ เปน​สวน​รับ​แสง หรือ​อะเรย​รับ​แสง ตำ�แหนงที​แ่ สง​ตก​กระทบ​น​ี้ สามารถ​นำ�มา​คำ�นวณ​หา​ระยะทาง (L) จาก​ภาค​สงไปยัง​วัตถุ​ ได โดย​ใช​สูตร​หา​สามเหลี่ยม​คลาย​ดังนี้

L = F A X

ดังนั้นคา L จะมีคาเทากับ

L = (F x A) X

โดย​คาที่​วัดระยะ​ได​จาก​โฟโต​ทรานซิสเตอร​จะ​ถูก​สง ไปยัง​วงจร​ประมวลผล​สัญญาณ กอน​จะ​เปลี่ยน​คา​เปนร​ ะดับ​ แรงดั น ซึ่ ง ​ใ ห ผ ล​ก าร​เ ปลี่ ย นแปลง​แ รงดั น ​ต าม​ร ะยะทาง​ที่ ​ ตรวจวัด​ได

การอานคาขอมูลจากโมดูล GP2 ดวยวงจร แปลงสัญญาณอะนาลอกเปนดิจิตอล

ผลลัพธ​ท​ไี่ ด​จาก​โมดูล GP2 เปน​แรงดัน จะ​ตอง​น�ำ​คา ที่​ได​มา​แสดงผล​ใน​รูป​ของ​ระยะทาง โดย​แปลง​คาแ​ รงดัน​จาก​ กราฟ​เปรียบเทียบ​คา​แรงดัน​กับ​คา​ระยะทาง​ดัง​ใน​รูป​ที่ 5-1 และ 5-2 ใน​กรณีที่​นำ� มา​ใชกับไ​ มโคร​คอนโทรลเลอร​จะ​ตอง​มี​ การ​แปลง​แรงดัน​ไฟ​ตรงนั้น​เปน​ขอมูล​ทาง​ดิจิตอล วงจร​ที่​ท�ำ หนาที่​นคี้​ ือ วงจร​แปลง​สัญญาณอะ​นา​ลอก​เปน​ดิจิตอล (Analog to Digital Converter : ADC) ซึ่ง​อาจ​ใช​ไอซี​ท​อี่ อกแบบ​ มา​เพื่อ​หนา​ที่นี้​โดยเฉพาะ​หรือ​จะ​ใช​ไมโคร​คอนโทรลเลอร​ที่​มี​ โมดูล​แปลง​สัญญาณอะ​นา​ลอก​เปนด​ ิจิตอล​อยู​ภายใน​ก็ได

เพื่อ​ความ​สะดวก​จึง​มี​ผูสราง​สมการ​สำ�หรับ​แปล​คา​ ระยะทาง​ออกมา​ใหใ​ ชงาน​ได​งาย โดย​ตอง​ทำ�งาน​รวมกับ​วงจร​ แปลง​สัญญาณอะ​นา​ลอก​เปน​ดิจิตอล ซึ่ง​จะ​สูตร​การ​คำ�นวณ​ ที่​แตกตางกัน​ตาม​ความ​ละเอียด​ของ​วงจร​แปลง​สัญญาณ อะ​นา​ลอก​เปน​ดิจิตอล ที​น่ ิยม​มีด​ วยกัน 2 คาค​ ือ ความ​ละเอียด 8 และ 10 บิต 56

The Prototype Electronics

L A

F LED อิ​ิ นนฟราเรด ฟราเรด LED​อ ตัตัววส ส่ งง GP2D120/ GP2Y0A21

สส่ววนรั นรับบแสง ​แสง

X

รูปที่ 4 หลักการของสามเหลีย่ มคลายทีน่ �ำ มาใชในการวัดระยะ ทางดวยแสงอินฟราเรดของโมดูลวัดระยะทางในอนุกรม GP2

(ก) กรณี ที่ ว งจรแปลงสั ญ ญาณอะนาลอกเป น ดิจิตอลมีความละเอียด 10 บิต

ส�ำหรับโมดูล GP2D120

R = 2914 - 1 (V+5)

ส�ำหรับโมดูล GP2Y0A21

R = 6787 - 4 (V-3) โดยที่ R หมายถึง ระยะทางหนวยเปนเซนติเมตร

V หมายถึง ​ขอ มูล​จาก​วงจร​แปลง​สญ ั ญาณ​อะนา​ลอก​ เปน​ดจิ ติ อล

(ข) กรณี ที่ ว งจรแปลงสั ญ ญาณอะนาลอกเป น ดิจิตอลมีความละเอียด 8 บิต

ส�ำหรับโมดูล GP2D120 R = 733 - 1 (V+5)

ส�ำหรับโมดูล GP2Y0A21 R = 1707 - 4 (V-3)

นของ​GP2D120

28

32

จับ​(cm)

ใหผล การ ท�างาน ที่ ไม ชัดเจน นอกจากนั้น เนื่องจาก โมดูล GP2 ท�างาน ดวย แสง อินฟราเรด จึง มี โอกาส ที่จะ ถูก รบกวน จาก แสง อินฟราเรด ที่ มี อยู รอบขาง รวมไปถึง ความ คงที่ ของ แรงดัน ไฟ 5-1​:​กราฟแสดงผลการทำงานของ​GP2D120 5-2​:​กราฟแสดงผลการทำงานของ​GP2Y0A21 เลี้ยง ก็ มีผลตอ ความ ไว ใน การ วัด ระยะทาง ของ โมดูล GP2 ดวย ​แแรงดั รงดันเอาต์ ​เอาตพุต แรงดันเอาต์พุต (V) (V) นอกจากนั้น​สี​ของ​วัตถุ​ที่​น�ามาใช​ใน​การ​ตรวจจับ​ 2.8 2.8 ก็​มีผลตอ​ความ​ไว​และ​ระยะทาง​ที่วัด​ได​ของ​โมดูล​GP2​ 2.4 2.4 ดวย​ เนื่องจาก โมดูล GP2 ใช แสง อินฟราเรด จึง ถูก ดูดกลืน 2.0 2.0 จาก วัตถุ ที่ มี สีด�า ได สงผลให แสง อินฟราเรด ที่ สะทอนกลับ มา 1.6 1.6 อาจ มี ความ เขม ไมมาก รวมถึง แสง อาจ ตก กระทบ อะเรย ของ 1.2 1.2 0.8 0.8 ตัว ตรวจจับ แสง อินฟราเรด ผิด ต�าแหนง ท�าให คาที่ ได คลาด 0.4 0.4 เคลื่อน ถาหาก น�าไปใช ใน การ ตรวจจับ วัตถุ ที่ กีดขวาง แบบ 0 0 0 สัม10 30ท�า 40ให ก 50วา60 80 0 4 8 12 16 20 24 28 32 ไม ผัส 20อาจ ที่จะ 70สามารถ ตรวจ จับได วา มี วัตถุ สีด�า ระยะห จับบ​(cm) ระยะห่ า งจากวั ต ถุ ท ต ่ ี รวจจั บ ​(cm) ระยะห่างจากวั างจากวัตตถุถุ​ทที่​ตี่ตรวจ​ รวจจั ​(cm) ขวางหนา อยู ตัว ตรวจจับ ก็ เกือบ สัมผัส หรือ ชน เขากับ วัตถุ สีด�า ที่ ขวางหน า ​ใช้กระดาษเทาขาวรุ่น​R-27​ของ​Kodak​ซึ่งด้านขาวมีอัตราการสะท้ อนแสง​90%​เป็ นวัตถุสำหรับ สะท้อนแสงเพื่อวัดระยะทาง

โมดูล​ GP2​ จัด​ได​วา​เปน​โมดูล​วัด​ระยะทาง​และ​ตรวจ 5-2​:​กราฟแสดงผลการทำงานของ​GP2Y0A21 จับ​วัตถุ​แบบ​ไม​สัมผัส​ที่​ใชงาน​ได​งาย​อีก​ตัว​หนึ่ง​เนื่องจาก​ไม​ ​แแรงดั รงดันน​เเอาต์ อาตพพุตุต ตอง​ใช​อุปกรณ​พิเศษ​มา​ตอ​เพิ่มเติม​ไมมี​รูปแบบ​โปรโตคอล​ (V) การ​สื่อสาร​ใดๆ​เพราะ​คา​ที่วัด​ได​แสดง​ออกมา​ใน​รูป​ของ​แรง 2.8 2.4 ดันไฟฟา​อยาง​ตรงไป​ตรง​มา​จึง​มี​การ​แนะน�า​ให​ใช​ใน​การ​ 2.0 เรียนรู​และ​พัฒนา​หุนยนต​อัตโนมัติ​เพื่อ​การ​ศึกษา​อยาง​กวาง 1.6 ขวาง​ กอปร​กับ​รูปราง​หนาตา​ที่​ดู​รวมสมัย​และ​ไฮเทค​ เพื่อ​น�า 1.2 มา​ประกอบ​ใน​ชิ้นงาน​ก็​ดู​ลงตัว​โดยเฉพาะ​เมื่อน�ามา​ติดตั้ง​ 0.8 ใน​หุนยนตจะ​ดูเหมือน​ดวงตา​ท�าใหเกิด​การ​รับรู​จาก​ผูใชงาน​ 0.4 อยาง​มี​ประสิทธิผล​ลอง​หา​มา​ใช​ดู​นะ​ครับ 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 ระยะห่าางจากวั งจากวัตตถุถุ​ทที่​ตี่ตรวจ​ รวจจั ​(cm) ระยะห จับบ​(cm)

อง​Kodak​ซึ่งด้านขาวมีอัตราการสะท้อนแสง​90%​เป็นวัตถุสำหรับ รูปที่ 5 กราฟแสดงความสัมพันธ์ของระยะทางที่วัดได้กับแรงดันเอา ต์พุตของโมดูล GP2D120 และ GP2Y0A21 www.tpemagazine.com

ขอจำากัดในการวัด

อยางไร ก็ตาม ใน กรณีที่ ใชงาน โมดูล GP2 กับ วงจร แปลง สัญญาณอ นา ลอก เปน ดิจิตอล ที่ มี ความ ละเอียด เพียง 8 บิต ที่ ระยะทาง มากกวา 50 เซนติเมตร ส�าหรับ GP2Y0A21 และ มากกวา 20 เซน ติม เตรส�า หรับ GP2D120 การ วัด อาจ มี ความ คลาด เคลื่อน เพิ่มขึ้น เนื่องจาก การ เปลี่ยนแปลง แรง ดัน เอาตพุต ใน ชวงนี้ ของ โมดูล GP2 มี นอยมาก และ ถา ยิ่ง ใกล ระยะทาง 80 เซนติเมตร (ส�าหรับ GP2Y0A21) หรือ 30 เซนติเมตร (ส�าหรับ GP2D120) มาก เทาใด การ เปลี่ยนแปลง จะ ยิ่ง มี อัตรา นอยลง มากขึ้น อีก จน ท�าให วงจร แปลง สัญญาณ อะ นา ลอก เปน ดิจิตอล ที่ มี ความ ละเอียด เพียง 8 บิต อาจ The Prototype Electronics

57