Láthatófény-szenzorok illesztése mikrokontrollerhez IoT-alkalmazásokban
A látható fény érzékelése nemcsak az IoT-világ (okosváros-, okosotthon-applikációk) számára fontos feladat, de számos egyéb mindennapi projektben szükséges ilyen szenzorokat elhelyezni.

 

Ilyenek az alkonykapcsolók, az LCD-tv háttérvilágításának szabályzói vagy akár egyes riasztórendszerek szabotázsvédelmi megoldásai is. A kereskedelemben kapható különböző működési elvű érzékelők nagyon eltérően viselkednek. Amennyiben valóban jól működő „fényérzékelőre” van szükség, akkor olyan eszközt kell választani, ami valóban az emberi szem érzékelési spektrumában, és annak érzékenységét megközelítve detektál. Írásunkban áttekintjük a különböző fotodetektorok működési alapelvét, megvizsgáljuk, hogy melyik változatokat érdemes használni, és kitérünk a félvezető-alapú ALS szenzor mikrokontrolleres rendszerhez való illesztési kérdéseire is.

A látható fény érzékelésének fizikai alapjai

A fotometria a fény, mint az emberi szem által érzékelhető spektrumú elektromágneses hullám, jellemzőinek mérésére alkalmazott tudomány. Az emberi szem olyan érzékszerv, mely eltérően reagál különböző hullámhoszszakra, és erősen szubjektív módon érzékel különböző embereknél. Ahhoz, hogy az alkalmazott mérés- és érzékeléstechnikai eljárások számára egységes fotometriai szabályrendszer legyen biztosítható, nemzetközi szabványokban foglalták össze az eljárásokat. A fotometria alkalmazása tulajdonképpen a receptorok hullámhossztól függő, eltérő érzékenységét hivatott kiküszöbölni.

 

1| Az emberi szem spektrális érzékenysége

 

A fenti szabványok nemzetközi megegyezések szerint kétféle fénymérési eljárást írnak elő, az úgynevezett V(λ) és a V’(λ) láthatósági függvény szerinti mérést, melyek az ún. láthatósági tényező spektrális eloszlását reprezentálják. Előbbi az emberi szem normál napközbeni fényviszonyokhoz adaptálódott fotopikus, utóbbi az alacsony megvilágításhoz tartozó szkotopikus látásra vonatkozó relatív érzékelést írja le. A két véglet között a közepes megvilágításra (alkonyat) a mezopikus fotometria eljárásrendszere biztosít átmenetet. Az alkalmazandó fényérzékelőknek a fenti körülményekhez adaptálódott emberi szemhez hasonló érzékenységgel kell rendelkezniük, így a V(λ) és a V’(λ) fotometrikus szenzorokat kell használni.

A fotopikus érzékelés az 555 nm-es hullámhosszú elektomágneses sugárzásra a legérzékenyebb, azonban az érzékelni kívánt fény forrásai a látható spektrum egészén vagy annak egy részén sugároznak. Sokkal kisebb energia szükséges az emberi szem számára a sárga-zöld spektrumban keltett ugyanolyan érzethez, mint a kék és a vörös tartományokban. A gyakorlatban egy „fehér” fényforrás fényerőssége felfogható az adott hullámhosszon kibocsátott energia és az emberi szem ezen a hullámhosszon értelmezett érzékenységének szorzataként.

Ezeknek az értékeknek a zöld-sárga tartománybeli láthatósághoz viszonyított értékét spektrális fényhatásfokként foghatjuk fel, melynek hullámhossz szerinti eloszlását reprezentálja a relatív intenzitást leíró fotopikus V(λ) és szkotopikus V’(λ) láthatósági függvény, melyeket nagyszámú emberen végzett vizsgálatok eredményeinek átlagolásával határoztak meg. Ezen függvények felhasználásával kapcsolat teremthető az emberi szem által és a mérhető fizikai mennyiségek (energiakibocsátás) alapján érzékelt fényerősség között, így a láthatósági függvények alapján működő szenzorok jól reprezentálják a valóságos fényérzetet.

Miért fontos ezen ismeretek figyelembevétele az érzékelő kiválasztásához?

Amennyiben a látható fény tartományán működő szenzorra van szükségünk, akkor ennek a szenzornak a maximális érzékenysége szerencsés, ha nagyjából egybeesik az emberi szem fotopikus láthatósági görbéjének maximumával. Ekkor tudjuk a legkisebb energiaveszteséggel érzékelni a fény jelenlétét. Hogy a fentieket megértsük, vegyünk egy speciális példát: a feladat egy egyszerű alkonyatkapcsoló tervezése, amelyhez kézenfekvő megoldás lehet egy fototranzisztor vagy fotodióda választása szenzorként.

 

2| Az emberi szem spektrális érzékenysége összevetve egy félvezető-alapú szenzor spektrális érzékenység görbéjével (fototranzisztor

 

A 2. ábrán látható, hogy az ilyen szenzorok spektrális érzékenységének maximuma messze a szem érzékenységi maximumához tartozó 550 nm felett, valahol a 850 nm hullámhosszon van, az infravörös tartományban, ahol az emberi szem már nem érzékel fényt. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy az ilyen szenzor, bár a látható fény tartományában is érzékel, sajnos az infravörös fényre is reagálni fog. Alkonyatkapcsoló esetén ez a megoldás bizony nyári estéken, amikor a napközben felmelegedett tárgyak, az aszfalt, a falak jelentős infravörös tartománybeli sugárzást bocsátanak ki, hamis adatot küld a vezérlés felé. Azt fogja jelenteni a mikrokontroller számára, hogy nem szükséges a lámpákat bekapcsolni, hiszen verőfényes napsütés van.

Nagyon fontos, hogy olyan szenzort válasszunk, aminek spektrális érzékenységi maximuma a szemhez hasonló. Ilyen kézenfekvő választás lenne a fotoellenállás (LDR), aminek egyik alapanyaga, a CdS viszont sajnos veszélyes anyag, így a komponens nem felel meg az RoHS elvárásainak. A komponensgyártók megoldása a problémára a félvezető-alapú megoldások továbbfejlesztése és a fototranzisztor speciális infraszűrő bevonattal való ellátása, ami a komponens maximális érzékenységét eltolja a látható tartomány irányába.

 

3| Az emberi szem spektrális érzékenysége összevetve a bevonattal rendelkező ALS és a bevonat nélküli félvezető-alapú szenzor spektrális érzékenység görbéjével (fototranzisztor

 

A 3. ábrán látható összehasonlításban ez jól megfigyelhető. Az így előállított félvezető-alapú láthatófény-szenzorok az úgynevezett ALS (Ambient Light Sensor) szenzorok, melyek teljes mértékben megfelelnek az RoHS előírásainak, és funkcionalitásukban közelítik az LDR-megoldásokat. Az Everlight kínálatában szereplő ALS szenzorok közül szeretnék kiemelni két megoldást, az egyik egy analóg szenzor (ALS-PDIC15-21C/L230/TR8), a másik pedig egy digitális I2C buszos változat (ALS-DPDIC17-78C/L749/TR8).

Analóg, felületszerelt láthatófény-szenzor: ALS-PDIC15-21C/L230/TR8

Az eszköz a fényerősség az emberi szem érzékelési spektrumában érzékelhető változására arányos, lineáris áramerősség-változással válaszol. 2,5 V – 5,5 V közötti feszültséggel táplálható. A miniatűr SMD eszköz (3,2 mm*1,5 mm*1,05 mm) egy fotodiódát és egy erősítő IC-t tartalmazó csipből áll IR szűrő bevonattal.

4| Ellenállásos osztó áramkör

 

Az analóg kimenettel rendelkező szenzor mikrokontrollerhez való illesztését úgy oldhatjuk meg egyszerűen, hogy egy sorosan kapcsolt, azaz az ALS szenzor kimeneti áramával terhelt söntellenálláson eső feszültséget mérünk a 4. ábra szerinti elvi elrendezésben Az USönt mérését a mikrokontroller egyik analóg bemenetén elhelyezkedő belső A/D átalakító végzi, a fényerősség az IALS áram meghatározása után (IALS = USönt/RSönt) számítható. Ebből a fényerő – mért áram jelleggörbe alapján számítható a luxérték. Az illesztést és az IALS ~ EV (Lux) összefüggést az 5. ábra mutatja.

Digitális I2C interfésszel ellátott láthatófény-szenzor: ALS-DPDIC17-78C/L749/TR8A

A speciális IR szűrő bevonattal ellátott fotodióda biztosítja, hogy ez az eszköz is csak az emberi szem által érzékelhető fénytartományban működjön. A beépített 16 bites – I2C interfészen keresztül elérhető – A/D átalakítóval történő mintavételezés 0,0033 lux/lépés felbontást tesz lehetővé, a beépített alsó és felső határértékekhez rendelt megszakítás (interrupt) jelekkel egyszerűen vezérelhető az alkalmazott mikrokontroller. A maximálisan érzékelhető fényerősség 83 000 lux. A kétcsatornás kimenet (emberi szem és tiszta fény) kiváló érzékelést tesz lehetővé különböző fényviszonyok között.

 

 

5| Az analóg ALS illesztése mikrokontrollerhez, valamint a mért áramerősség és a fényerő lineáris kapcsolata

 

A mikrokontrollerhez I2C buszon keresztül csatlakoztathatjuk a szenzort, és az INT (interrupt) kimenet figyelésével a beállított határértékekhez tartozó fényviszonyok mellett különböző szoftverrutinok futtathatók (pl. fényerő emelése, csökkentése valamely impulzus szélesség modulációval ellátott digitális kimeneten keresztül). Ez alapján a fényerősség a következőképp számítható: Ha a CH0/CH1 < 0,42, Lux = (CH0/ PGA_ALS)*[64/( ALSCONV +1)]*K1 Ha 0,42 < CH0/CH1 < 0,61, Lux = (CH0/ PGA_ALS)*[64/( ALSCONV +1)]*K2 Ha CH0/CH1 > 0,61, Lux = (CH0/ PGA_ALS)*[64/( ALSCONV +1)]*K3 ahol • CH0 CH1 az egyes kimeneti csatornák mért értékei CH0_DATA és CH1_ DATA olvasható regiszterek (LB, HB) értékei; • PGA_ALS regiszter: a programozható erősítés mértéke (1X…96X); • ALSCONV regiszter: Ennek a regiszternek az értéke mutatja meg, hogy az ADC mennyi ideig van mintavételezésben és határozza meg a CH és CH1 csatornák felbontását. • 0x00: Maximális kimeneti lépésszám 1 023, TALS = 5.513 ms (default) • 0x01: Maximális kimeneti lépésszám 2 047, TALS = 8.138 ms • 0xff: Maximális kimeneti lépésszám 65 535, TALS = 674.888 ms • A szenzorra jellemző kalibrációs állandók: K1 = 0,41, K2=0,57, K3 =1,58.

 

6| A digitális ALS szenzor illesztése mikrokontrollerhez

 

Mi, az Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH-nál készek vagyunk arra, hogy technikai és kereskedelmi oldalról is támogassuk vevőink különféle szenzort igénylő alkalmazásfejlesztését. Évtizedes tapasztalatunk a területen és a mögöttünk álló beszállítók professzionalitása a biztosíték, hogy sikeresen tudjunk együttműködni akár orvoselektronikai, általános ipari, háztartási elektronikai vagy autóipari területen is.

Egy szünetmentes sikertörténet - A UPS-technológia evolúciója
Hogyan biztosítsuk a folyamatos áramellátást igénylő elektronikus eszközeink biztonságát? Erre a kérdésre már több mint fél évszázada létezik válasz: a szünetmentes tápegységek a kezdeti modellek óta számottevő fejlődésen mentek keresztül.
Az energiaválság a kriptovaluta-bányászokat is elérte
A növekvő rezsiköltségek miatt még nagyobb lendülettel szabadulnának a bányászok a videokártyáiktól, ami a használtpiac további erősödését eredményezi, a magyarok pedig most kezdenek rájönni, mennyit is számít az energiatakarékosság.
Ügyfélelégedettség automatikus, nagy megbízhatóságú elemzése
A contact centerek összes kommunikációs csatornáját egyidejűleg lefedő, mesterséges intelligenciára épülő magyar innováció támogatja a jövőben az ügyfélszolgálatok munkáját.
Űreszközökhöz fejlesztenek hőpajzsot a Debreceni Egyetemen
A szakemberek űreszközök hőszigeteléséhez fejlesztenek ki és gyártanak speciális polimer aerogéleket a novemberben induló 3 millió eurós összköltségvetésű programban.
Új, nagy nevű szimulációs szolgáltató a magyar piacon
A SIMTEC, mint az ANSYS Kelet-európai Elite Certified Channel Partnere, 2001 óta kínálja a legszélesebb és legintegráltabb szimulációs szoftver és szolgáltatás portfóliót a régióban.