Come realizzare un sensore IR di oggetti

In questo articolo vedremo come possiamo realizzare alcuni semplici circuiti che sfruttano la radiazione infrarossa, e che ci permettono di familiarizzare con i tre componenti più usati per trasmetterla o riceverla: i diodi IR, i fotodiodi IR ed i fototransistor IR. Con appositi circuiti possiamo rivelare la radiazione IR artificiale prodotta da sorgenti puntiformi artificiali e anche realizzare un sensore infrarosso utilizzabile come rivelatore di oggetti o di ostacoli: il concetto di base è il trasmettere un segnale a infrarossi, questo segnale rimbalza dalla superficie di un oggetto e il segnale riflesso viene ricevuto dal ricevitore a infrarossi.

La tecnologia a infrarossi si rivolge a una vasta gamma di applicazioni wireless. Le aree principali sono il rilevamento ed i telecomandi. La gamma di frequenza dell’infrarosso è superiore a quella delle microonde e inferiore alla luce visibile. Nello spettro elettromagnetico, la parte a infrarossi è divisa in tre regioni: regione a infrarossi vicini, regione a infrarossi intermedi e regione a infrarossi lontani. Le lunghezze d’onda di queste regioni e le loro applicazioni sono mostrate di seguito:

• Regione del vicino infrarosso – da 700 nm a 1400 nm – sensori IR, fibra ottica
• Regione dell’infrarosso intermedio – 1400 nm to 3000 nm – Rilevazione del calore
• Regione a infrarossi lontani – 3000 nm a 1 mm – Immagini termiche

Per il rilevamento ottico e la comunicazione ottica, le tecnologie foto-ottiche sono utilizzate nella regione del vicino infrarosso poiché la luce è meno complessa della radiofrequenza quando viene implementata come fonte di segnale. La comunicazione wireless ottica viene eseguita con la trasmissione di dati IR per applicazioni a corto raggio. Un sensore a infrarossi, inoltre emette e / o rileva radiazioni infrarosse che sono assai utili per rilevare l’ambiente circostante, ad esempio la presenza di oggetti.

Le varie regioni dello spettro infrarosso.

Esistono cinque elementi di base utilizzati in un tipico sistema di rilevamento a infrarossi: una sorgente a infrarossi, un mezzo di trasmissione, un componente ottico, rilevatori o ricevitori a infrarossi ed elaborazione del segnale. I laser a infrarossi ed i LED a infrarossi di lunghezza d’onda specifica possono essere utilizzati come sorgenti a infrarossi. I tre principali tipi di media utilizzati per la trasmissione a infrarossi sono il vuoto, l’atmosfera e le fibre ottiche.

Infine, i componenti ottici vengono utilizzati per focalizzare la radiazione infrarossa o per limitare la risposta spettrale. Le lenti ottiche in quarzo, germanio e silicio sono solitamente usate per focalizzare la radiazione infrarossa. I ricevitori a infrarossi, come ora vedremo, possono essere fotodiodi, fototransistor, etc. L’elaborazione del segnale, infine, viene eseguita dagli amplificatori – o dai sistemi a valle di essi – poiché l’uscita del rivelatore a infrarossi è generalmente molto piccola.

I ricevitori infrarossi: fototransistor e fotodiodi

I sensori a infrarossi possono essere, fondamentalmente, di due tipi: attivi o passivi. I sensori a infrarossi passivi non utilizzano alcuna sorgente a infrarossi e rilevano l’energia emessa da ostacoli nel campo visivo. Sono di due tipi: quantico e termico. I sensori a infrarossi termici utilizzano l’energia a infrarossi come fonte di calore e sono indipendenti dalla lunghezza d’onda. Termocoppie, rivelatori piroelettrici e bolometri (alla base dei sensori delle termocamere) sono i tipi comuni di rivelatori a infrarossi termici.

I sensori a infrarossi attivi sono costituiti da due elementi: sorgente a infrarossi e rilevatore a infrarossi. Le sorgenti a infrarossi includono un LED o un diodo laser a infrarossi. I rivelatori a infrarossi includono fotodiodi o fototransistor. L’energia emessa dalla sorgente a infrarossi viene riflessa da un oggetto e cade sul rivelatore a infrarossi. Il trasmettitore a infrarossi è un diodo a emissione di luce (LED) che emette radiazioni infrarosse (LED IR), perciò la radiazione emessa è invisibile all’occhio.

Un semplice circuito trasmettitore infrarosso. Puoi trovare i led IR qui.

Se utilizzato in una combinazione trasmettitore-ricevitore a infrarossi, la lunghezza d’onda del ricevitore deve corrispondere a quella del trasmettitore. I ricevitori a infrarossi sono anche chiamati sensori a infrarossi quando rilevano la radiazione da un trasmettitore IR. I ricevitori IR si presentano sotto forma di fotodiodi e fototransistor. I fotodiodi a infrarossi sono diversi dai normali fotodiodi (sensori ottici che sfruttano l’effetto fotovoltaico) in quanto rilevano solo le radiazioni infrarosse.

Fra i vari modi per rilevare la luce infrarossa in un circuito elettronico, il più comune è con un dispositivo chiamato fototransistor. Puoi acquistare un fototransistor per meno di un euro online (ad esempio qui) o in qualsiasi altro negozio che disponga di componenti elettronici. Per capire come funziona un fototransistor, vediamo come funziona un transistor. Un transistor ha tre terminali: base, collettore ed emettitore. All’interno del transistor, c’è un percorso tra il collettore e l’emettitore.

La capacità di questo percorso dipende dall’applicazione della tensione sulla base e sull’emettitore. Se viene applicata la tensione, il percorso del collettore-emettitore conduce bene. Se non c’è tensione sulla base, il percorso del collettore-emettitore non conduce. In un fototransistor, la base non è un terminale separato collegato a una sorgente di tensione nel circuito ma è esposta alla luce. Quando la luce IR colpisce la base, l’energia nella luce è convertita in tensione e il percorso emettitore-collettore conduce.

Un semplice circuito che sfrutta un fototransistor IR (ne sono mostrati molti a destra) come ricevitore IR per accendere un comune led.

Pertanto, la luce infrarossa che colpisce la base ha lo stesso effetto della tensione sulla base di un transistor tradizionale: la luce infrarossa accende il transistor. Più luminosa è la luce infrarossa, migliore sarà la conducibilità del percorso trasmettitore-emettitore. Quando è presente la luce infrarossa, il circuito collettore-emettitore conduce e il LED si illumina. Pertanto, il LED si illumina quando il fototransistor è esposto alla luce infrarossa. Vedremo fra poco come possiamo sfruttare questo fatto.

Il funzionamento di qualsiasi sensore a infrarossi è regolato da tre leggi: (1) la legge di Planck afferma che “ogni oggetto emette radiazioni a una temperatura non uguale a 0 K”; (2) la legge di Stefan-Boltzmann afferma che “a tutte le lunghezze d’onda, l’energia totale emessa da un corpo nero è proporzionale alla quarta potenza della temperatura assoluta”; (3) infine, secondo la legge degli spostamenti di Wien, “la curva di radiazione di un corpo nero per temperature diverse raggiungerà il suo picco a una lunghezza d’onda inversamente proporzionale alla temperatura”.

Due semplici circuiti rivelatori di infrarossi

In questa sezione vedremo come realizzare un semplice rivelatore a infrarossi (IR). Quando la TV smette di rispondere al telecomando, è difficile dire se la TV è rotta o il telecomando non funziona. Con questo piccolo gadget tascabile lo saprai. Non solo. Lo spionaggio è diventato sempre più accessibile all’uomo medio. Con questo gadget puoi verificare se qualcuno ha installato una mini-videocamera per la visione notturna nella tua stanza o in ufficio. Ora ti mostrerò come costruirlo.

Per questo progetto avrai bisogno di pochi componenti elettronici, per una spesa totale esigua:

• Fototransistor IR (Ricevitore IR)
• LED rosso
• Interruttore micro
• Resistenza da 330 Ohm
• Una scheda millefori
• Clip a scatto per batteria da 9 V
• Batteria da 9 V
• Elastico

Lo schema del circuito elettronico da realizzare e il materiale occorrente.

Non avrai bisogno di molti strumenti per questo progetto:

• Taglierina
• Spelafili per isolamento cavi
• Taglierina pesante o una tronchesina (per tagliare la scheda)
• Pennarello
• Stagno
• Saldatore

Ecco infine la procedura da seguire per realizzare il rivelatore di infrarossi:

1. Usa il pennarello e disegna la linea che taglierai. Il mio pezzo misura 7×2,5 cm. Deve avere pazio sufficiente per adattarsi alla batteria e al circuito.
2. Prima prendi il Fototransistor, piegalo e saldalo.
3. Ora prendi il LED e saldalo.
4. Prendi la resistenza e collega il pin negativo (più corto) del fototransistor e il pin positivo (più lungo) del LED con la resistenza da 330 Ohm, e taglia i pin.
5. Salda l’interruttore un po’ verso il basso.
6. Ora prendi la clip della batteria da 9 V e tagliala un po’ in lunghezza in modo da poterla collegare allo switch e al fototransistor. Salva il filo nero dal fermaglio della batteria perché ne avrai bisogno.
7. Collega il filo nero dalla clip all’interruttore e il filo nero che hai salvato, dall’interruttore al lato negativo (più corto) del LED.
8. Collega il filo rosso al pin rimanente, il lato positivo (più lungo) del fototransistor.
9. Ora basta collegare la clip della batteria alla batteria da 9 V e fissarla alla scheda con un elastico.

Il circuito proposto (ma senza l’interruttore) una volta realizzato su una breadboard.

A questo punto, ti basta mettere alla prova la tua creazione. Prendi qualsiasi telecomando che hai in casa. Metti il fototransistor vicino al LED IR del telecomando. Premi l’interruttore, tienilo premuto e premi qualsiasi pulsante sul telecomando del televisore, tenendolo premuto. Il LED sul rivelatore dovrebbe iniziare a lampeggiare, confermando la presenza di radiazione IR.

Qui sotto, invece, puoi vedere un diverso circuito ricevitore costituito da un fototransistor IR, un diodo, un MOSFET, un potenziometro e un LED. Quando il fototransistor riceve radiazioni infrarosse, la corrente scorre attraverso di essa e il MOSFET si attiva. Questo a sua volta illumina il LED che funge da carico. Il potenziometro viene utilizzato per controllare la sensibilità del fototransistor. Quindi, possiamo avere indirettamente delle indicazioni quantitative sulla potenza della sorgente.

Un circuito ricevitore a infrarossi con sensibilità regolabile che sfrutta un potenziometro e un transistor MOSFET, di cui a destra sono mostrati alcuni esempi reali.

Un rivelatore di raggi infrarossi con diodo IR

Ma c’è un metodo ancora più semplice ed economico che non è così noto per testare i telecomandi. Si basa sul principio secondo cui un LED non genera solo luce quando si applica una tensione ad esso, ma funziona anche nella direzione opposta, generando una tensione quando la luce vi cade sopra. Perciò, può essere usato come alternativa a un fototransistor o a un fotodiodo. Il vantaggio principale è che di solito avrai un LED da qualche parte, il che potrebbe non essere vero per un fotodiodo.

Questo vale anche per i diodi a infrarossi (IR), e ciò li rende particolarmente adatti per testare un telecomando. Hai solo bisogno di collegare un voltmetro al diodo IR e il tuo tester del telecomando è finito. Imposta il multimetro in modo che misuri la tensione DC e accendilo. Tieni il telecomando vicino al diodo IR e premi un pulsante qualsiasi. Se il telecomando funziona, la tensione visualizzata sul display aumenta rapidamente. Quando si rilascia il pulsante, la tensione scenderà di nuovo.

Il semplice apparato di test di un telecomando IR. Puoi trovare il diodo IR ad es. qui.

Tuttavia, non aspettarti una tensione molto elevata dal diodo IR! La tensione generata dal diodo sarà solo di circa 300 mV, ma ciò è sufficiente per mostrare se il telecomando funziona o meno. Ci sono molti altri oggetti che emettono radiazioni IR. Quindi, annota la tensione indicata dal voltmetro prima di premere uno qualsiasi dei pulsanti sul telecomando e usalo come valore di riferimento. Inoltre, non eseguire questo test in una stanza ben illuminata o in una stanza in cui splende il sole (troppa radiazione IR).

Un sensore rivelatore di oggetti con Arduino

Un sensore IR è uno strumento elettronico utilizzato per rilevare determinate caratteristiche dell’ambiente circostante emettendo e/o rilevando radiazioni infrarosse. I sensori a infrarossi possono anche misurare il calore emesso da un oggetto e rilevare il movimento. Alcune delle applicazioni chiave del sensore IR sono: (1) Dispositivi di visione notturna; (2) Line Follower Arrays; (3) Rilevatori di movimento. In questa sezione vedremo come realizzare un sensore IR in grado di rilevare oggetti.

Un sensore di oggetti già “pronto” per Arduino, che puoi acquistare ad es. qui. Noi invece lo realizzeremo a partire dai singoli componenti.

Infatti, uno degli usi più popolari di un sensore IR nella comunità dell’elettronica fai-da-te è quello per i robot “inseguitori di linea” e per i sensori “ping”. Un robot inseguitore di linea, come suggerisce il nome, è un veicolo a guida automatica, che segue una linea visiva incorporata sul pavimento o sul soffitto. I sensori “ping”, invece, sono sensori che rilevano gli oggetti emettendo un breve impulso con ultrasuoni o raggi infrarossi e quindi “ascoltando” l’eco con un opportuno sensore.

Ecco le poche cose necessarie per realizzare un sensore di oggetti IR:

• Arduino Uno
• LED IR (trasmettitore IR)
• Fotodiodo IR (ricevitore IR)
• 2 Resistenze da 220 Ohm
• LED indicatore (ad es. rosso)
• BreadBoard

L’occorrente per realizzare il sensore IR di oggetti.

Il LED IR emette luce infrarossa, cioè emette luce nella gamma della frequenza infrarossa. Non possiamo vedere la luce infrarossa attraverso i nostri occhi, essendo tali radiazioni invisibili agli occhi umani. La lunghezza d’onda dell’infrarosso (700 nm – 1 mm) è oltre la normale luce visibile, che arriva a 700 nm. Tuttavia, possiamo vederla attraverso una telecamera IR. Nel caso di un rivelatore di oggetti, un semplice fotodiodo IR può essere utilizzato come ricevitore IR.

La radiazione IR emessa dal trasmettitore infrarosso costituito da un comune led viene riflessa dall’oggetto, dopodiché viene immediatamente catturata dal ricevitore (il fotodiodo IR) e di conseguenza viene prodotta una tensione. Ecco come viene rilevato un oggetto. Come in tutti i normali LED, e nel fotodiodo, la gamba più lunga è l’anodo (+) e quella più corta è il catodo (-). Segui lo schema fornito in figura per realizzare il circuito su una breadboard o in forma definitiva su una basetta millefori.

Schema del circuito da realizzare.

In pratica, la tensione prodotta dal ricevitore IR viene convertita da analogico a digitale e viene utilizzata come riferimento per sapere se l’oggetto viene rilevato o meno. Prima di passare al codice effettivo per Arduino, però, è necessario calibrare il sensore, o meglio individuare la soglia che corrisponde alla presenza di un oggetto. Ciò è necessario perché il segnale ricevuto è in forma analogica e dobbiamo convertirlo in forma digitale e utilizzarlo per accendere / spegnere il LED rosso indicatore.

Per visualizzare i valori analogici provenienti dal sensore, carica lo sketch “Analog In Out Serial” dagli sketch di esempio dell’ambiente software (IDE) di Arduino. Ora puoi vedere i valori inviati dal sensore. Puoi anche vedere la variazione dei valori in questione se porti un oggetto davanti al sensore. L’uso di questi valori permette di impostare una soglia a livello software. Possiamo quindi utilizzare questo valore di soglia per giudicare se c’è un oggetto davanti al sensore oppure no.

L’output fornito sul monitor seriale di Arduino dal sensore IR di oggetti realizzato.

Dopo aver scaricato lo sketch per il sensore di oggetti da qui, verificalo e caricalo su Arduino. Ora è il momento di testarlo. Se porti un oggetto davanti al sensore, dovresti vedere il LED acceso. È inoltre possibile visualizzare il messaggio mostrato sul monitor seriale. Ciò significa che è stato creato un sensore di oggetti IR. Questo sensore può essere utilizzato, ad esempio, come sensore di presenza per l’apertura di porte automatiche, nei lavaggi automatici e in molti altri luoghi.