الأشعة تحت الحمراء : طبيعتها و حساساتها (مستشعراتها) وتطبيقاتها العملية

F.Abdelaziz · 05-11-2010, 06:29 PM

الأشعة تحت الحمراء : طبيعتها و حساساتها (مستشعراتها) وتطبيقاتها العملية

1-الأشعة تحت الحمراء Infraredمقدمة

الأشعة تحت الحمراء IR هى إشعاع كهرومغناطيسي بطول موجى بين 0.7 و 300 ميكرومتر وهو ما يعادل تقريبا مدى التردد بين 1 و 430 تيرا هرتز( 1012 Hz).
طول موجتها أطول (و التردد أقل ) من طول موجة الضوء المرئي ولكن طولها الموجي أقصر (والتردد أعلى ) من الموجات الدقيقة microwaves (المسماة تيرا هرتز ) .
ضوء الشمس الساطع يوفر ما يزيد قليلا عن 1 كيلو واط للمتر المربع الواحد عند مستوى سطح البحر من الاشعاعات , و 527 واط من هذه الطاقة أشعة تحت الحمراء 445 واط لضوء مرئي و 32 واط أشعة فوق البنفسجية.

· الحد القريب للأشعة تحت الحمراء قريب من منطقة الضوء المرئى والحد البعيد قريب من منطقة الموجات الكهرومغناطيسية .
· الحد البعيد تأثيره حرارى (مثل تأثير حرارة الشمس على الجلد والاشعاع الناتج عن الحرائق ويبنى عليها فكرة مقياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء المنبعثة من الاجسام كجسم الإنسان ) بينما الحد القريب ليس له تأثير حرارى على الاطلاق وهو المستخدم فى أجهزة التحكم عن بعد (فى التليفزيون كمثال) .

2- الدايود المشع (المرسل) للأشعة تحت الحمراء infrared

F.Abdelaziz · 05-11-2010, 06:34 PM

2- الدايود المشع (المرسل) للأشعة تحت الحمراء infrared

معظم أجهزة التحكم عن بعد تستخدم دايودات تشع (ترسل) أشعة تحت الحمراء وهى غير مرئية لعين الانسان ولكنها تلتقط (تكتشف) بحساسات فى أجهزة الاستقبال .
عند استخدام قناة واحدة للتحكم عن بعد ( أى وظيفة واحدة وبمفتاح ضاغط واحد ) فإن هذه الوظيفة تحمل على إشارة حاملة carrier signal حيث تستخدم فى بدء (قدح) الوظيفة .
فى الأنظمة المتعددة القنوات (أى متعددة الوظائف) تكون أجهزة التحكم عن بعد أكثر تعقيدا حيث تتكون الإشارات المرسلة من إشارة حاملة معدلة modulatingبإشارات ذات ترددات مختلفة ( يسمى تعديل التردد FM ) .
وفى أجهزة الاستقبال يتم إستخلاص demodulation هذه الاشارات وترشيحها بمرشحات مناسبة وتوجيهها إلى الدوائر المختلفة لتؤدى الوظائف المتعددة .
والآن تستخدم الالكترونيات الرقمية فى تنفيذ هذه الخطوات .

F.Abdelaziz · 05-11-2010, 06:40 PM

1- مشروع إرسال بالاشعة تحت الحمراء INFRARED TRANSMITTER PROJECT

· تستخدم الأشعة تحت الحمراء عادة في الروبوتات robotics فى عمليات الاتصالات communication وعمليات الكشف detection عن العوائق (الاشياء التى تعترض تحرك الربوت ) .
· يوجد العديد من مصادر ضوء الأشعة تحت الحمراء منتشرة فى البيئة من حولنا . فالشمس والمصابيح الكهربائية العادية وشاشات الكمبيوتر وحتى الدايودات المشعة للضوء المرئى تنتج مستويات مختلفة من ضوء الأشعة تحت الحمراء.
· فإذا كان الجهاز بسيط ويعتمد على وجود أو عدم وجود ضوء الأشعة تحت الحمراء فى الاتصال أو الكشف عن العوائق يكون من السهل تتبع واستقبال إشارات خاطئة وتداخلات .

طريقة الحصول على الإشارة الفريدة Unique Signal
· بجعل دايود الاشعة تحت الحمراء يومض blinking فإن الإشارة الناتجة تصبح منفردة أو فريدة من نوعها وبالتالي يسهل التفرقة والتمييز بينها وبين مصادر الضوء الاخرى .
· وحتى لو كان هناك اختلاف فى شدة الإضاءة والزاوية والمسافة فانه يعتمد على المعدل الثابت للوميض للتعرف عليها .
· معدل الوميض يجب ان يكون سريع بما يكفى للتعرف السريع عندما تكون الاشارة فى حالة توصيل ON .
· ونظرا لأنه للكشف عن الإشارة وتقديم تقرير يستغرق ومضات قليلة فان معدل الوميض البطىء سوف يستغرق وقتا طويلا جدا.
· ولكن ينبغي أن لا يكون معدل الوميض سريعا بحيث نحتاج إلى تكلفة عالية عند استخدام الالكترونيات ذات السرعة المرتفعة .
· المعدل الشائع الاستخدام فى الإرسال عن بعد بالاشعة تحت الحمراء يقع بين 35HZ و 40KHZ (اى بين 35,000 و 40,000 ومضة كل ثانية ) وهذا ما سوف يتم تنفيذه فى هذا المشروع .

مصدر القدرة :

F.Abdelaziz · 05-11-2010, 06:44 PM

مصدر القدرة :

مصدر القدرة المستخدم هو بطارية 9 فولت لذلك يجب استخدام دائرة تنظيم للجهد للحصول على +5V . الشكل يوضح الدائرة الكهربية لمنظم الجهد

F.Abdelaziz · 05-11-2010, 06:49 PM

شرح الدائرة الكهربية :

يستخدم المفتاح الضاغط SW1 لأغراض الاختبارات فعند الضغط عليه يتم فصل عمل المرسل وعند تحريره يتم توصيله مرة اخرى . فى النهاية يمكن توصيل خط التمكين ENABLE_OSC1 إلى ميكروكونترولر أو منفذ كومبيوتر لعمل تعديل فى البيانات المراد إرسالها وفى هذه الحالة يمكن الاستغناء عن المفتاح SW1 والمقاومة R7 .

الترانزستور (Q20) والمقاومة (R20) يقومان بإمداد دايود الاشعة تحت الحمراء (LED20) بتيار أكبر من الذى تقوم به الدائرة المتكاملة للمذبذب (IC1) .

دائرة المذبذب باستخدام البوابة المنطقية NAND :

قائمة المكونات :

الدائرة المتكاملة IC1 (Quad 2-Input NAND Gate IC)

الدائرة المتكاملة مكونة من أربع بوابات NAND ثلاثة منها يتم تحويلها إلى بوابة عاكس inverter عن طريق توصيل دخليها معا . بينما البوابة الأولى كما هى بغرض استخدامها كبوابة NAND " نفى و " .

والاختلاف بينها وبين دائرة المذبذب الذى يستخدم العواكس هو إنه يمكن تمكينها أو عدم تمكينها لحظيا عن طريق المنطق المنخفض ( توصيل الطرف 2 بالدائرة المتكاملة IC1 بالأرضى).

المقاومات R3 و R4 : يشكلان مقاومة مكافئة تقريبا 150 kilohms-1/8 watt وهذه المقاومات تشكل دائرة التغذية العكسية وتحديد مستوى جهد المكثف (C2) . هذه المقاومات تشكل مقسم جهد مع الطرف 1 للدائرة المتكاملة IC1 لضمان أن "مستويات الجهد المرتفع والجهد المنخفض فى حدود عمل دخل الدائرة المتكاملة من النوع CMOS " .

المقاومة R5 :مقاومة متغيرة 10 kilohm . عادة يتم ضبطها عند المنتصف (5 kilohms) .

المقاومة R6 : 4.7 kilohm : المقاومة R5 والمقاومة R6 مجموعهما يغطى المدى المطلوب
(7 to 15 kilohms) .وهذه المقاومات مع المكثف C2 يشكلان دائرة RC . وبتغيير قيمة المقاومة يتغير الثابت الزمنى للدائرة ومن ثم يتغير التردد .

المكثف C2 : مكثف 1 نانو فاراد غير مستقطب (بدون قطبية) non-polarized. الزمن الذى يستغرقه هذا المكثف فى الشحن وفى التفريغ يحدد زمن دورة الشكل الموجى الناتج .

المكثف C1 : مكثف 1.5 ميكرو فاراد . يستخدم كمكثف فصل أو منع الارتباط decoupling لمنع تأثير الدوائر الأخرى على الدائرة المتكاملة IC1 نتيجة التغذية من نفس المصدر .

المقاومة R1 والمقاومة R2 : 10 kilohms- 1/8 watt.: تستخدم كمقاومات إخماد حيث تقوم بتقليل القدرة المستخدمة كما إنها تعمل على تحسين الاستجابة الزمنية وهى اختيارية .

المقاومة R7 : 10 kilohm- 1/8 watt. : وهى تسمى مقاومة الجذب إلى أعلا pull-up والتى تسبب فى وصول جهد منطقى مرتفع إلى بوابة NAND ما لم يتم الضغط على المفتاح الضاغط SW1 .

المفتاح الضاغط SW1 : عند الضغط عليه يصل الى البوابة NAND جهد منطقى منخفض بسبب التوصيل بالأرضى . يؤدى ذلك الى التوقف الفورى للتذبذب . وتتبع القيم المنطقية من بوابة الى اخرى : مرتفع – منخفض- مرتفع – منخفض الى دائرة الخرج ويؤدى إلى فصل دايود الأشعة تحت الحمراء . وعند تحرير المفتاح يعود التذبذب مرة أخرى .

F.Abdelaziz · 05-11-2010, 06:52 PM

مرسل أشعة تحت الحمراء بإستخدام المؤقت 555 :

الدائرة كما فى الشكل :

F.Abdelaziz · 05-11-2010, 06:56 PM

1- مشروع الكاشف التقاربى للأشعة تحت الحمراء INFRARED PROXIMITY DETECTOR

يستخدم هذا النوع من الكواشف في مختلف المعدات مثل أجهزة فتح الأبواب أتوماتيكيا وفى أجهزة الإنذار ضد السرقة .
تتكون الدائرة من :
مرسل transmitter أشعة تحت الحمراء و مستقبل receiver أشعة تحت الحمراء.

قسم المرسل :
يتكون من الدائرة المتكاملة للمؤقت 555 والتى تعمل فى نظام "مذبذب غير مستقر" astableكما فى الشكل .
يصل خرج المذبذب إلى دايود الأشعة تحت الحمراء من خلال المقاومة R4 والتى تقوم بتحديد تيار العمل للدايود .
هذه الدائرة تنتج خرج بتردد (38 kHz frequency = ) وبدورة خدمة ( 50% = duty cycle ) والمطلوب لموديول الكشف (الاستقبال ) وهو من نوع سيمنس SFH5110-38.
يتم توصيل موديول الكشف ON بواسطة الإشارة المستمرة بالتردد 38 kHz ودورة الخدمة 50% (يوجد موديولات كشف تحتاج الى دفعات burst من الاشارة وتسمى أشارة معدلة وسوف نتعرض لها فيما بعد ).

قسم المستقبل :
يتكون من موديول الاستقبال والمؤقت 555 الذى يعمل فى نظام "مذبذب متعدد أحادى الاتزان"
Monostable multivibrator ودايود مشع للضوء للبيان .

عند استقبال إشارات الأشعة تحت الحمراء تتحول حالة المؤقت إلى حالة التوصيل ويظل فى هذه الحالة كلما كان هناك استقبال للأشعة تحت الحمراء .
عند إنقطاع أو إعتراض الاشارات يتحول المؤقت إلى حالة الفصل بعد عدة ثوانى تعتمد على قيمة كل من
R7و C6 (period=1.1 R7xC6) .

إذا كان:
R7=470 kilo-ohms و C6=4.7uf فإن الفترة الزمنية للمؤقت تكون 2.5 seconds .

التركيب :

F.Abdelaziz · 05-11-2010, 06:59 PM

التركيب :
كل من مكونات المرسل والمشتقبل يمكن تركيبها على لوحة مطبوعة واحدة .
يجب وضع موديول المستقبل خلف دايود الارسال لتجنب الكشف الزائف الناتج عن تسريب leakage الاشعة تحت الحمراء .
عندما يتحرك كائن بالقرب من الجهاز فعليا يعكس الأشعة تحت الحمراء المنبعثة من دايود الأشعة تحت الحمراء . موديول الاستقبال له زاوية حساسية حوالى 0-60 degrees .
يمكن استخدام خرج المؤقت لكى يستخدم بالطريقة المطلوبة . فمثلا يمكن ان يؤدى الى توصيل الاضاءة عند إقتراب الاشخاص عن طريق تشغيل ريلاى . حيث يتم إطفاء الضوء بعد مدة زمنية يكون الشخص قد أبتعد وانتهت فترة تأخير المؤقت ( يسمى مؤقت تأخير الفصل) .
تعتمد حساسية الكشف على مقاومة تحديد التيار R4 الموجودة على التوالى مع الدايود المشع للأشعة تحت الحمراء .
مدى الكشف حوالى 40 cm عند استخدام المقاومة R4 بالقيمة 20-ohm يمكن الاحساس بالكائنات حتى
25 cm بينما القيمة 30-ohm تقلل المدى الى 22.5 cm .

التحكم فى الأجهزة عن بعد وإضافة مؤقت زمنى INFRARED REMOTE CONTROL TIMER