[MiniProject] ระบบควบคุมการทำงาน RGB LED Strip สั่งการจาก GUI

การทดลองที่ 5.3 การต่อวงจรสวิตช์ควบคุมด้วยแสง

การทดลองที่ 5.3 การต่อวงจรสวิตช์ควบคุมด้วยแสง

วัตถุประสงค์ 

• ฝึกต่อวงจรโดยใช้อุปกรณ์สวิตช์ควบคุมด้วยแสง (Opto-Interrupter) เช่น เบอร์ H21A1 
• ประยุกต์ใช้งานอุปกรณ์ชนิดนี้ร่วมกบับอร์ด Arduino  

รายการอุปกรณ์ 

1. แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                                              1 อัน 
2. อุปกรณ์สวิตช์ควบคุมด้วยแสง H21A1 หรือ TCST2202      1 ตัว (สามารถศึกษา Data Sheet ได้ที่นี่)
3. ไดโอดเปล่งแสงสีแดงหรือสีเขียว                                      1 ตัว 
4. ตัวต้านทาน 220Ω                                                      1 ตัว 
5. ตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω                                      1 ตัว 
6. ตัวต้านทาน 10kΩ                                                      1 ตัว 
7. บัซเซอร์แบบเปียโซ (Piezo Buzzer)                              1 ตัว 
8. สายไฟสําหรับต่อวงจร                                                  1 ชุด
9. มัลติมิเตอร์                                                                1 เครื่อง  

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

2. เขียนโค้ด Arduino เพื่อรับค่าอินพุตแบบดิจิทัลที่ขา D3 (จากสัญญาณ Vout ของวงจรบนเบรด บอร์ด) แล้วสรา้งสัญญาณเอาต์พุตที่ขา D5 เพื่อแสดงค่าของอินพุตที่รับโดยใช้ LED เป็นตัวแสดง สถานะทางลอจิก (ถ้าไม่มีวัตถุมาปิดกั้นช่องรับแสง LED จะต้องไม่ติด)

3. ใช้กระดาษสีดําปิดกั้น (หรือวัตถุอื่น เช่น ไม้บรรทัดเหล็ก) บริเวณช่องรับแสงของอุปกรณ์สวิตช์ ควบคุมด้วยแสง สังเกตความแตกต่างระหว่างกรณีที่มีวัตถุปิดก้ันและไม่มี (เช่น ใช้มัลติมเิตอร์วัด แรงดัน Vout)

4. ทดลองต่อบัซเซอร์แบบเปียโซ (สร้างเสียงเตือน) แทนวงจร LED ในวงจรบนเบรดบอร์ด (โดยนําไปต่อ อนุกรมกับตัวต้านทานขนาด 330Ω และใหส้ังเกตว่า บัซเซอร์แบบเปียโซมีขาบวกและขาลบ)

5. แก้ไขโค้ด Arduino เพื่อนับเวลาตั้งแต่เริ่มนํากระดาษไปปิดกั้นจนถึงเมื่อนํากระดาษออกในแต่ละครั้ง โดยวัดช่วงเวลาเป็นหน่วยมิลลิวินาที (msec) และให้แสดงผลออกทางพอร์ตอนุกรมผ่านทาง Serial Monitor ของ Arduino IDE (ให้ศึกษาการใช้คําสั่ง millis() สําหรับการเขียนโค้ด Arduino)

6. เขียนรายงานการทดลอง ซงึ่ประกอบด้วยคําอธบิายการทดลองตามขั้นตอน ผงัวงจรที่ถูกต้อง ครบถ้วนตามหลักไฟฟา้ (ให้วาดด้วยโปรแกรม Cadsoft Eagle) รูปถ่ายของการตอ่วงจรบน เบรดบอร์ด และตอบคําถามท้ายการทดลอง

ผลการทดลอง
ออกแบบวงจรสวิตช์ควบคุมด้วยแสงต่อกับ Arduino ด้วยโปรแกรม frizing

 

 วงจร Arduino Schematic View

 

 วงจร Arduino Breadboard View

 

 รูปวงจรที่ต่อตามวงจรที่ออกแบบ

โค้ดสำหรับโปรแกรม Arduino Sketch

const byte Vin = 3; //รับค่าแรงดัน Vout จากวงจรสวิตซ์ควบคุมด้วยแสงที่pin 3 const byte Vout = 5; //ปล่อยแรงดันให้วงจรLEDหรือPeizo buzzerที่pin 5 int t0 = 0; //ตัวแปรเก็บค่าเวลาช่วงที่ไม่มีวัตถุกั้นในสวิตซ์ควบคุมด้วยแสง int t = 0; //ตัวแปรเก็บค่าเวลาช่วงที่มีวัตถุกั้น boolean count = false; //ตัวแปรกำหนดสถานะว่ามีวัตถุกั้นแล้ว void setup() { pinMode(Vin, INPUT); //กำหนดpin 3 เป็นอินพุต pinMode(Vout, OUTPUT); //กำหนดpin 5 เป็นเอาต์พุต Serial.begin( 9600 ); // open serial port } void loop() { if(digitalRead(Vin)==HIGH){ //เมื่อมีวัตถุกั้นจะอ่านได้ค่า HIGH digitalWrite(Vout,HIGH); //เมื่อมีวัตถุกั้นจะทำให้LEDติดหรือBuzzerดัง t = millis(); //เก็บค่าเวลาตอนที่วัตถุกั้นอยู่ count = true; //เปลี่ยนค่าสถานะเป็น มีวัตถุกั้นอยู่แล้ว }else{ //เมื่อไม่มีวัตถุกั้น digitalWrite(Vout,LOW); //LEDดับหรือBuzzerไม่ดัง if(count){ //หากมีวัตถุกั้นอยู่แล้วแล้วเอาออกจะแสดงค่าเวลา int time = t-t0; //นำเวลาตอนที่มีวัตถุกั้นแล้วลบด้วยเวลาตอนที่ยังไม่ใส่วัตถุกั้น Serial.print("time = "); Serial.println(time); //แสดงเวลาหน่วยมิลลิวินาที count = false; //เปลี่ยนสถานะกลับไปเป็นยังไม่มีวัตถุกั้น } t0 = millis(); //เก็บค่าเวลาตอนที่ยังไม่มีวัตถุกั้น } }

ผลเมื่ออัพโหลดโค้ด Arduino

เมื่อไม่มีวัตถุกั้นที่ช่องรับแสงของสวิตซ์ควบคุมด้วยแสง เมื่อวัดแรงดันที่ Vout มีค่า 0.109 V

 

เมื่อมีวัตถุกั้นที่ช่องรับแสงของสวิตซ์ควบคุมด้วยแสง เมื่อวัดแรงดันที่ Vout มีค่า 4.951 V

 

เปลี่ยนจากวงจร LED เป็นวงจร Piezo Buzzer

ออกแบบวงจร

 วงจร Arduino Schematic View

 วงจร Arduino Breadboard View

 รูปวงจรที่ต่อตามวงจรที่ออกแบบ

ผลเมื่ออัพโหลดโค้ด Arduino

เมื่อนำวัตถุกั้นที่ช่องรับแสงสวิตซ์ควบคุมด้วยแสง Piezo Buzzer จะเกิดเสียง

ผลที่แสดงบน Serial Mornitor เมื่อนำวัตถุกั้นที่ช่องรับแสงของสวิตซ์ควบคุมด้วยแสง และเมื่อนำวัตถุออก จะแสดงเวลาที่วัตถุกั้นอยู่ในช่องรับแสงหน่วยเป็นมิลลิวินาที

คำถามท้ายการทดลอง
1.จากการทดลองพบว่า จะวัดแรงดัน Vout ได้เท่ากับ 0.109 โวลต์ เมื่อไม่มีวัตถุไปปิดกั้นช่องรับแสง ของอุปกรณ์ H21A1 และจะวัด Vout ได้เท่ากับ 4.951 โวลต์ เมื่อมีวัตถุไปปิดกั้นช่องรับแสง ของอุปกรณ์ดังกล่าว


2. ถ้านํากระดาษสีขาวและกระดาษสีดํา ไปปิดกั้นช่องรับแสง ในแต่ละกรณี จะใหผ้ลการทํางานของ วงจรที่แตกต่างกันหรือไม่ จงอธิบาย

ตอบ ไม่มีผลเนื่องจากวัตถุทั้งสองชนิดที่ใช้เป็นวัตถุทึบแสงทำให้เมื่อนำไปกั้นระหว่างช่องรับแสงแล้วจะทำให้แสงอินฟาเรดไม่สามารถผ่านไปฝั่งรับแสงได้

อ้างอิง: การทดลองที่ 5.3 การต่อวงจรสวิตช์ควบคุมด้วยแสง  
โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

การทดลองที่ 5.2 การตรวจจับวัตถุในระยะใกล้ด้วยแสงอินฟราเรด

การทดลองที่ 5.2 การตรวจจับวัตถุในระยะใกล้ด้วยแสงอินฟราเรด

วัตถุประสงค์ 

• ฝึกต่อวงจรโดยใช้ไดโอดเปล่งแสงอนิฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ 
• ประยุกต์ใช้งานอุปกรณ์ทั้งสองชนิดร่วมกับบอร์ด Arduino เพื่อใช้ตรวจจับวัตถุในระยะใกล้  

รายการอุปกรณ์ 

1. แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                                          1 อัน 
2. ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรด                                       1 ตัว 
3. ไดโอดเปล่งแสงสีแดงหรือสีเขียว                             1 ตัว 
4. โฟโต้ทรานซิสเตอร์                                                   1 ตัว 
5. ตัวต้านทาน 220Ω                                                      1 ตัว 
6. ตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω                                    1 ตัว 
7. ตัวต้านทาน 10kΩ                                                       1 ตัว 
8. ตัวเก็บประจุแบบ Electrolytic 1uF หรือ 10uF (มีขั้ว)  1 ตัว 
9. สายไฟสําหรับต่อวงจร                                               1 ชุด 
10. มัลติมิเตอร์                                                                 1 เครื่อง  

ขั้นตอนการทดลอง 
1. ออกแบบวงจร (วาดผังวงจร) โดยใช้ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ 1 ชุด พร้อม ตัวต้านทานตามที่กําหนดให้ แล้วนําสัญญาณเอาต์พุตของวงจรส่วนนี้ ไปต่อเข้าที่ขาอินพุต A1 ของ บอร์ด Arduino และให้มีวงจรไดโอดเปล่งแสง (LED) พร้อมตัวต้านทานจํากัดกระแส 330Ω หรือ 470Ω ที่ต่อกับขาเอาต์พุต D5 ของบอร์ด Arduino เพื่อใช้เป็นเอาต์พุตในการแสดงผล

2. ต่อวงจรตามผังวงจรที่ได้วาดไว้บนเบรดบอร์ด ให้ใชแ้รงดันไฟเลี้ยง VCC=+5V และ Gnd  จากบอร์ด Arduino เท่านั้น

3. เขียนโค้ดสําหรับ Arduino ให้แสดงพฤติกรรมดังนี้ เมื่อมวีัตถุเข้าใกล้ (อยู่เหนือ) ตัวส่งและตัวรับแสง อินฟราเรดของวงจร (เช่น ที่ระยะห่างประมาณ 10 cm หรือน้อยกว่า) จะทําให้ LED เริ่มกระพริบ ด้วยความถี่ต่ํา (อย่างช้าๆ) แต่ถ้าวัตถุเข้าใกล้มากขึ้น LED จะกระพริบด้วยความถี่สูงขึ้น แต่ถ้าไม่มี วัตถุอยู่ในระยะใกล้ LED จะต้องไม่ติด (ไม่กระพริบ) ให้ทดลองกับวัตถุต่างสีกัน เช่น สขีาวและสีดํา

4. เขียนรายงานการทดลอง ซงึ่ประกอบด้วยคําอธบิายการทดลองตามขั้นตอน ผงัวงจรที่ถูกต้อง ครบถ้วนตามหลักไฟฟา้ (ให้วาดด้วยโปรแกรม Cadsoft Eagle) รูปถ่ายของการตอ่วงจรบน เบรดบอร์ด และตอบคําถามท้ายการทดลอง

ผลการทดลอง
ออกแบบวงจรโดยใช้โปรแกรม Frizing

วงจร Arduino Schematic View

วงจร Arduino Breadboard View

วงจรที่ต่อตามวงจรที่ออกแบบ

โค้ดสำหรับ Arduino Sketch

const byte Vin = A0; const byte Vout = 5; void setup() { pinMode(Vout, OUTPUT); digitalWrite(Vout,HIGH); analogReference( DEFAULT ); Serial.begin( 9600 ); } void loop() { int value = analogRead(Vin); if(value > 25){ digitalWrite(Vout,HIGH); delay(5000/value); digitalWrite(Vout,LOW); delay(5000/value); }else{ digitalWrite(Vout,LOW); } }

ผลการทำงานจากโค้ด
เมื่อทดลองกับกระดาษสีขาว

เมื่อทดลองกับกระดาษสีดำ

คําถามท้ายการทดลอง 
1. ในการทดลอง ถ้าใช้วัตถุต่างสีกัน จะมีผลต่อการทํางานของวงจรที่แตกต่างกันหรือไม่ จงอธิบาย
ตอบ แตกต่างกันเนื่องจากวัตถุสีขาวนั้นจะสะท้อนแสงขาวออกมาทำให้โฟโต้ทรานซิสเตอร์ได้รับแสงเพิ่มมากขึ้น ในขณะที่วัตถุสีน้ำนั้นจะดูดกลืนแสงขาวทำให้เมื่อนำวัตถุดำไปใกล้โฟโต้ทรานซิสเตอร์จะทำให้ได้รับแสงน้อยกว่าวัตถุสีขาว
อ้างอิง: การทดลองที่ 5.2 การตรวจจับวัตถุในระยะใกล้ด้วยแสงอินฟราเรด  
โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

การทดลองที่ 4.6 การวัดแรงดันอินพุต-แอนะล็อกและการแสดงค่าโดยใช้ 7-Segment

การทดลองที่ 4.6 การวัดแรงดันอินพุต-แอนะล็อกและการแสดงค่าโดยใช้ 7-Segment

วัตถุประสงค์ 

• ฝึกต่อวงจรและเขียนโปรแกรมสําหรับบอร์ด Arduino เพื่อวัดแรงดันอินพุต-แอนะล็อกและแสดงค่าที่ ได้ผ่านทาง 7-Segment Display  

รายการอุปกรณ์ 

1. แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                                                        1 อัน 
2. บอร์ด Arduino (ใช้แรงดัน +5V)                                              1 บอร์ด
3. ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบสามขา 10kΩ หรือ 20kΩ                1 ตัว 
4. 7-Segment Display แบบ 2 ตัวเลข (Common-Cathode)         1 ตัว 
5. ทรานซิสเตอร์ NPN (เช่น PN2222A)                                      2 ตัว 
6. ตัวต้านทาน 1kΩ                                                                     2 ตัว 
7. ตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω                                                  8 ตัว
8. สายไฟสําหรับต่อวงจร                                                             1 ชุด
9. มัลติมิเตอร์                                                                               1 เครื่อง  

ขั้นตอนการทดลอง 

1. ออกแบบวงจร วาดผังวงจร และต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ร่วมกับบอร์ด Arduino เพื่อวัดแรงดันที่ได้ จากวงจรแบ่งแรงดันที่ใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ (แรงดันอยู่ในช่วง 0V ถึง 5V) เช่น ป้อนเข้าที่ขา A0 ของบอร์ด Arduino แล้วนำค่าไปแสดงผลโดยใช้ 7-Segment Display จํานวน 2 หลัก และ ให้มีทศนิยมเพียงหนึ่งตำแหน่ง เช่น ถ้าวัดแรงดันได้ 2.365V จะแสดงผลเป็น “2.4” ถ้าวัดได้ 2.539V  ให้แสดงผลเป็น “2.5” เป็นต้น และให้ใช้แรงดันไฟเลี้ยง VCC=+5V และ Gnd จากบอร์ด Arduino เท่านั้น [ทุกกลุ่มจะต้องวาดวงจรสําหรับการทดลองมาให้แล้วเสร็จ (ให้เตรียมตัวมาก่อนเข้าเรียน วิชาปฏิบัติ]

2. เขียนโค้ดสําหรับ Arduino เพื่ออ่านค่าจากแรงดันอินพุต-แอนะล็อก แล้วนำไปแสดงผลโดยใช้  7-Segment Display ตามที่กล่าวไป (และให้แสดงค่าที่อ่านได้ออกทาง Serial Monitor ด้วย)  และในการเขยีนโค้ด ห้ามใช้ตัวแปรหรือตัวเลขแบบ float 

3. เขียนรายงานการทดลอง ซึ่งประกอบด้วยคำอธิบายการทดลองตามขั้นตอน ผังวงจรที่ถูกต้อง ครบถ้วนตามหลักไฟฟ้า (ให้วาดด้วยโปรแกรม Cadsoft Eagle) รูปถ่ายของการต่อวงจรบน เบรดบอร์ด โค้ด Arduino ที่ได้ทดลองจริงพร้อมคำอธิบายโค้ด/การทำงานของโปรแกรม และตัวอย่างผลที่แสดงบน Serial Monitor (Screen Capture)

ผลการทดลอง

ออกแบบวงจร Arduino ด้วยโปรแกรม Frizing

วงจร Arduino Schematic View

 วงจร Arduino Breadboard View

ภาพวงจรที่ต่อตามวงจรที่ออกแบบ

โค้ดสำหรับโปรแกรม Arduino Sketch

const byte DIGIT_7SEG[] ={ //Digitสถาณะของ 7 Segment แต่ละช่องเรียงดังนี้ hgfedcba B00111111, //0 B00000110, //1 B01011011, //2 B01001111, //3 B01100110, //4 B01101101, //5 B01111100, //6 B00000111, //7 B01111111, //8 B01101111 //9 }; const byte SEVEN_SEG_1[7] = {2,3,4,5,6,7,8}; //7 Segment ทั้ง7ช่อง ต่อเข้าที่ pin 0-6 const byte VREF_PIN = A0; // อ่านค่าแรกดัน Vref จาก Trimpot ทางpin A0 const byte D1_control = 12; // ปล่อยแรงดันควบคุมทรานซิสเตอร์ของdigitแรกทางpin 12 const byte D2_control = 13; // ปล่อยแรงดันควบคุมทรานซิสเตอร์ของdigitหลังทางpin 13 void setup() { for (int i=0; i < 7; i++) { pinMode( SEVEN_SEG_1[i], OUTPUT ); //วนloopกำหนดโหมดของpinที่ต่อกับ7segmentเป็นเอาต์พุต } analogReference( DEFAULT ); //กำหนดแรงดันสำหรับpinอนาล๊อกเป็นแบบdefault (5V) pinMode( D1_control, OUTPUT ); //กำหนดโหมดของpinที่ต่อกับทรานซิสเตอร์เป็นเอาต์พุต pinMode( D2_control, OUTPUT ); //กำหนดโหมดของpinที่ต่อกับทรานซิสเตอร์เป็นเอาต์พุต Serial.begin( 9600 ); //กำหนดอัตราการสื่อสารข้อมูลระหว่างบอร์ดArduinoกับคอมพิวเตอร์ } void loop() { long int value = analogRead(VREF_PIN); //อ่านค่าVrefจากTrimpot ได้ค่าอยู่ในช่วง 0-1023 Serial.print("READ = "); Serial.print(value,DEC); Serial.print(" : VOLTAGE = "); Serial.print((5*value)/(1023), 1); Serial.print("."); Serial.print((((500*value)/(1023))%100)/10, 1); Serial.println(); //สั่งให้แสดงผลทางdigitแรก digitalWrite( D1_control,HIGH); digitalWrite( D2_control,LOW); displayDigit((((50*value)/(1023))%100)/10); //เรียกใช้ฟังก์ชันที่จะแสดงตัวเลขบน 7 Segmentโดยใส่เลขที่จะแสดงในหลักหน่วย delay(5); //หน่วง 5 มิลลิวินาที //สั่งให้แสดงผลทางdigitหลัง digitalWrite( D1_control,LOW); digitalWrite( D2_control,HIGH); displayDigit((((500*value)/(1023))%100)/10); //เรียกใช้ฟังก์ชันที่จะแสดงตัวเลขบน 7 Segmentโดยใส่เลขที่จะแสดงในหลักทศนิยม delay(5); //หน่วง 5 มิลลิวินาที } void displayDigit(long int value) { //ฟังก์ชันที่จะแสดงตัวเลขบน 7 Segment if(value>=0 && value<10){ byte v = DIGIT_7SEG[ value ]; //แปลงตัวเลขให้เป็นdigitสถาณะของ 7 Segment for (int i=0; i<8; i++) { //วนloopกำหนดสถาณะ 7 Segmentทั้ง7ช่อง digitalWrite(SEVEN_SEG_1[i], (v & 1) ); //สั่งให้pinไฟติด/ดับ v>>= 1; //ขยับpinถัดไป } } }

ผลจากโค้ด Arduino ทดลองหมุน Trimpot

อ้างอิง: การทดลองที่ 4.6 การวัดแรงดันอินพุต-แอนะล็อกและการแสดงค่าโดยใช้ 7-Segment
โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

การทดลองที่ 4.4 สัญญาณอินพุต-แอนะล็อกและการใช้งานร่วมกับบอร์ด Arduino

การทดลองที่ 4.4 สัญญาณอินพุต-แอนะล็อกและการใช้งานร่วมกับบอร์ด Arduino

วัตถุประสงค์
1. ฝึกต่อวงจรเพื่อสร้างสัญญาณแอนะล็อก และป้อนให้บอร์ด Arduino เพื่อใช้เป็นสัญญาณอินพุต
2. เขียนโปรแกรมสําหรับ Arduino เพื่อเปิด/ปิด LED ตามสภาวะแสง

รายการอุปกรณ์
1. แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                       1 อัน
2. บอร์ด Arduino (ใช้แรงดัน +5V)           1 บอร์ด
3. ตัวต้านทานปรับค่าได้ 10kΩ หรือ 20kΩ   1 ตัว
4. ตัวต้านทานไวแสง LDR                        1 ตัว
5. ไดโอดเปล่งแสงขนาด 5 มม.                   1 ตัว
6. ตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω               1 ตัว
7. ตัวต้านทาน 10kΩ                               1 ตัว
8. สายไฟสําหรับต่อวงจร                            1 ชุด
9. มัลติมิเตอร์                                          1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

1. ต่อวงจรตามผังวงจรในรูปที่ 4.4.1 บนเบรดบอร์ด ร่วมกับบอร์ด Arduino โดยใช้แรงดันไฟเลี้ยง VCC=+5V และ Gnd จากบอร์ด Arduino เท่านั้น (ต่อวงจรบนเบรดบอร์ดก่อน จากนั้นจึงเชื่อมต่อ สัญญาณอนิพุตและเอาต์พุตของบอร์ด Arduino เมื่อตรวจสอบความถูกต้อง แล้วจึงป้อนแรงดันไฟ เลี้ยงและ Gnd ตามลําดับ)

ภาพอ้างอิงจากการทดลองที่ 4.4 สัญญาณอินพุต-แอนะล็อกและการใช้งานร่วมกับบอร์ด Arduino

โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

2. เขียนโปรแกรมตามตัวอย่างโค้ดที่กําหนดให้ และทําขั้นตอน Upload จากนั้นให้ทดลองหมุนปรับค่าที่ ตัวต้านทานปรับค่าได้ หรือปิดบริเวณส่วนรบัแสงของ LDR เปิดหน้าต่าง Serial Monitor ของ Arduino IDE แล้วสังเกตข้อความที่ถูกส่งมาจากบอร์ด Arduino

const byte LDR_PIN = A1; // from LDR const byte VREF_PIN = A2; // from Trimpot const byte LED1_PIN = 5; // to LED1 void setup() { pinMode( LED1_PIN, OUTPUT ); digitalWrite( LED1_PIN, LOW ); analogReference( DEFAULT ); Serial.begin( 9600 ); // open serial port } void loop() { // read analog values int value1 = analogRead( LDR_PIN ); int value2 = analogRead( VREF_PIN ); // send message to serial port Serial.print( "Read " ); Serial.print( value1, DEC ); Serial.print( ", " ); Serial.println( value2, DEC ); delay( 200 ); }

โค้ดที่ 4.1.1 : โค้ดตัวอย่างสำหรับ Arduino

อิงจากการทดลองที่ 4.4 สัญญาณอินพุต-แอนะล็อกและการใช้งานร่วมกับบอร์ด Arduino

โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

3. ปรับแก้โค้ดตัวอย่าง เพื่อให้วงจรและบอร์ด Arduino แสดงพฤติกรรมดังนี้ ถ้าปิดส่วนรับแสงของตัว ต้านทานไวแสง LDR หรือมปีริมาณแสงนอ้ยลง จะทําให้ LED1 “สว่าง” แต่ถ้า LDR ได้รับแสงตาม สภาวะแสงปรกติ หรือได้รับปริมาณแสงมาก จะทําให้ LED1 “ไม่ติด”

4. เขียนรายงานการทดลอง ซงึ่ประกอบด้วยคําอธบิายการทดลองตามขั้นตอน ผงัวงจรที่ถูกต้อง ครบถ้วนตามหลักไฟฟ้า (ให้วาดด้วยโปรแกรม Cadsoft Eagle) รูปถ่ายของการต่อวงจรบน เบรดบอร์ด โค้ด Arduino ที่ได้ทดลองจริงพร้อมคำอธิบายโค้ด/การทํางานของโปรแกรมโดย ละเอียด และตอบคําถามท้ายการทดลอง

ผลการทดลอง

รูปออกแบบการต่อวงจรด้วยโปรแกรม Frizing

วงจร Arduino Schematic View

  

วงจร Arduino Breadboard View

ภาพวงจรที่ต่อตามผังวงจรที่ออกแบบ

ผลการทดลองจากโค้ดตัวอย่าง
เมื่อทำให้ LED ได้รับแสงน้อยและ Vref ที่ Trimpot มีค่า 0V

เมื่อทำให้ LED ได้รับแสงมากและ Vref ที่ Trimpot มีค่า 5V

ผลการทดลองจากการปรับแก้โค้ดตัวอย่าง

โค้ดสำหรับ Arduino ที่จะทำให้ LED ติดเมื่อ LDR ได้รับแสงน้อย

const byte LDR_PIN = A1; // from LDR const byte VREF_PIN = A2; // from Trimpot const byte LED1_PIN = 5; // to LED1 void setup() { pinMode( LED1_PIN, OUTPUT ); digitalWrite( LED1_PIN, LOW ); analogReference( DEFAULT ); Serial.begin( 9600 ); // open serial port } void loop() { // read analog values int value1 = analogRead( LDR_PIN ); int value2 = analogRead( VREF_PIN ); // send message to serial port Serial.print( "Read " ); Serial.print( value1, DEC ); if(value1 < 400){ digitalWrite(LED1_PIN,HIGH); //ถ้าค่าที่อ่านจาก LDR น้อยกว่า 400 จะสั่งให้ LED ติด }else{ digitalWrite(LED1_PIN,LOW); //ถ้าค่าที่อ่านจาก LDR มากกว่า 400 จะสั่งให้ LED ดับ } delay( 200 ); }

เมื่อทำให้ LED ได้รับแสงมาก

เมื่อทำให้ LED ได้รับแสงน้อย

คำถามท้ายการทดลอง

1. ค่าที่ได้ (เลขจํานวนเต็ม) จากบอร์ด Arduino สําหรับสญัญาณอินพุตที่ขา A1 มีค่าอยู่ในช่วงใด (ต่ําสุด-สูงสุด)
0 - 1023

2. จะต้องปรับแก้โค้ดอย่างไรสําหรับบอร์ด Arduino ถ้าจะทําให้ LED1 มีความสว่างมากน้อยได้ตาม ปริมาณแสงที่ได้รับ เช่น ถ้า LDR ได้แสงสวา่งน้อย จะทําให้ LED1 สว่างมาก แต่ถ้า LDR ได้แสง สว่างมาก จะทําให้ LED1สว่างน้อย หรือไม่ติดเลย

โค้ดสำหรับ Arduino ที่จะทำให้ LED ติดเมื่อ LDR ได้รับแสงมาก

const byte LDR_PIN = A1; // from LDR const byte VREF_PIN = A2; // from Trimpot const byte LED1_PIN = 5; // to LED1 void setup() { pinMode( LED1_PIN, OUTPUT ); digitalWrite( LED1_PIN, LOW ); analogReference( DEFAULT ); Serial.begin( 9600 ); // open serial port } void loop() { // read analog values int value1 = analogRead( LDR_PIN ); int value2 = analogRead( VREF_PIN ); // send message to serial port Serial.print( "Read " ); Serial.print( value1, DEC ); if(value1 > 400){ digitalWrite(LED1_PIN,HIGH); //ถ้าค่าที่อ่านจาก LDR มากกว่ากว่า 400 จะสั่งให้ LED ติด }else{ digitalWrite(LED1_PIN,LOW); //ถ้าค่าที่อ่านจาก LDR น้อยกว่า 400 จะสั่งให้ LED ดับ } delay( 200 ); }

เมื่อทำให้ LED ได้รับแสงมาก

เมื่อทำให้ LED ได้รับแสงน้อย

อ้างอิง: การทดลองที่ 4.4 สัญญาณอินพุต-แอนะล็อกและการใช้งานร่วมกับบอร์ด Arduino
โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

การทดลองที่ 4.1 การต่อวงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน

การทดลองที่ 4.1 การต่อวงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน

วัตถุประสงค์
1. ฝึกต่อวงจรเพื่อสร้างแรงดันอ้างอิง โดยใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ (Trimpot / Potentiometer)  แบบ 3 ขา
2. ฝึกต่อวงจรโดยใช้ไอซีที่มีตัวเปรียบเทียบแรงดัน (Voltage Comparator) อยู่ภายใน เช่น เบอร์ LM393N (ตัวถังแบบ PDIP-8)

รายการอุปกรณ์
1. แผงต่อวงจร (เบรดบอร์ด)                                                        1 อัน
2. ไอซีเปรียบเทียบแรงดัน เบอร์ LM393N                                  1 ตัว (สามารถศึกษา Data Sheet ได้ที่นี่)
3. ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบสามขา ขนาด 10kΩ หรือ 20kΩ      1 ตัว (สามารถศึกษา Data Sheet ได้ที่นี่)
4. ตัวต้านทาน 4.7kΩ หรือ 10kΩ (สําหรับ Pull-Up)                    1 ตัว
5. ตัวต้านทาน 330Ω หรือ 470Ω                                                  1 ตัว
6. ไดโอดเปล่งแสง (LED) ขนาด 5 มม.                                      1 ตัว
7. สายไฟสําหรับต่อวงจร                                                            1 ชุด
8. มัลติมิเตอร์                                                                              1 เครื่อง
9.แหล่งจ่ายแรงดันควบคุม                                                          1 เครื่อง
10. เครื่องกําเนิดสัญญาณแบบดิจิทัล                                           1 เครื่อง
11.ออสซิลโลสโคปแบบดิจิทัล                                                    1 เครื่อง

ขั้นตอนการทดลอง

1. ต่อวงจรโดยใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ ตามผังวงจรในรูปที่ 4.1.1 แล้วป้อนแรงดันไฟเลี้ยง VCC=+5V และ Gnd จากแหล่งจ่ายแรงดันควบคุม ไปยังวงจรบนเบรดบอร์ด

ภาพอ้างอิงจากการทดลองที่ 4.1 การต่อวงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน

โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

2. ใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดันระหว่างจุด Vx กับ Gnd และทดลองหมุนปรับค่าที่ตัวต้านทาน สังเกตและจด บันทึกค่าแรงดันต่ําสุดและแรงดันสูงสุดที่วัดได้

3. ต่อวงจรบนเบรดบอร์ด โดยใช้ไอซี LM393N ตามผังวงจรในรูปที่ 4.1.2 (เลือกใช้ตัวเปรียบเทียบ แรงดันที่อยู่ภายในตัวใดตัวหนึ่งจากที่มีอยู่สองตัว)

ภาพอ้างอิงจากการทดลองที่ 4.1 การต่อวงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน

โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

4. สร้างสัญญาณแบบสามเหลี่ยม (Triangular Wave) ให้อยู่ในช่วงแรงดนั 0V ถึง 5V โดยใช้เครื่อง กําเนิดสัญญาณ (Function Generator) โดยกําหนดให้ Vpp = 5V (Peak-to-Peak Voltage) และ แรงดัน Offset = 2.5V และความถี่ f = 1kHz เพื่อใช้เป็นสัญญาณอินพุต Vin แล้วนําไปป้อนให้ขา V- ของตัวเปรียบเทียบแรงดันท่ีได้เลือกใช้

5. ใช้ออสซิลโลสโคปวัดสัญญาณ โดยใช้ช่อง A สําหรับวัดสัญญาณที่มาจากเครื่องกําเนิดสัญญาณ (Vin) และช่อง B สําหรับวัดสัญญาณเอาต์พุต (Vout) ที่ขาของตัวเปรียบเทียบแรงดันที่ได้เลือกใช้ (บันทึกภาพที่ได้จากออสซิลโลสโคป เพื่อใช้ประกอบการเขียนรายงานการทดลอง)

6. ทดลองหมุนปรับค่าที่ตัวต้านทานปรับคา่ได้ วัดแรงดัน Vref และสังเกตการเปลี่ยนแปลงค่า Duty Cycle ของรูปคลื่นสญัญาณเอาต์พุต

7. สลับขาสญัญาณอินพุตที่ขา V+ และ V- (ตามผังวงจรในรูปที่ 4.1.3) แลว้ทําขั้นตอนที่ 6 ถึง 7 ซ้ํา

ภาพอ้างอิงจากการทดลองที่ 4.1 การต่อวงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน

โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.

8. เขียนรายงานการทดลอง ซงึ่ประกอบด้วย คําอธิบายการทดลองตามขั้นตอน ผังวงจรที่ถูกต้อง ครบถ้วนตามหลักไฟฟ้า (ให้วาดด้วยโปรแกรม Cadsoft Eagle) รูปถ่ายของการต่อวงจรบน เบรดบอร์ด รูปคลื่นสัญญาณที่วัดได้จากออสซิลโลสโคปตามโจทย์การทดลอง และตอบคําถาม ท้ายการทดลอง

ผลการทดลอง

ผลจากการวัดแรงดัน Vx เทียบ GND

เมื่อหมุน Trimpot จากสุดด้านหนึ่งไปจนสุดอีกด้านหนึ่ง ทำให้ทราบว่า Vx มีค่าเปลี่ยนแปลงไปตั้งแต่ 0 V จนถึง 5.1 V

วงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน : ต่อสัญญาณสามเหลี่ยมที่ขา V- แรงดัน Vref ที่ขา V+

รูปออกแบบวงจรโดยโปรแกรม Frizing ตามผังวงจรในรูป 4.1.2

 

 วงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน Schematic View

 

 วงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน Breadboard View

ภาพวงจรที่ต่อตามวงจรที่ออกแบบ

ผลที่ได้จากวงจรที่ 4.1.2

Vref	Duty Cycle ของสัญญาณ Output
0.4 mV	0%
1.396 V	23%
1.879 V	33%
2.659 V	49%
3.684 V	71%
5.1 V	80%

จากวงจรที่ 4.1.2 มีการต่อสัญญาณรูปคลื่นสามเหลี่ยมเข้าที่ขา V- และแรงดัน Vref จาก Trimpot เข้าที่ขา V+ ของไอซีเปรียบเทียบแรงดัน จะสังเกตได้ว่าเมื่อแรงดัน Vref เพิ่มขึ้น Duty Cycle ของสัญญาณเอาต์พุตก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

(Click ที่ภาพเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)

Vref = 0.4 mV , Duty Cycle = 0 %

Vref = 1.396 V , Duty Cycle = 23 %

Vref = 1.879 V , Duty Cycle = 33 %

Vref = 2.659 V , Duty Cycle = 49 %

Vref = 3.684 V , Duty Cycle = 71 %

Vref = 5.1 V , Duty Cycle = 80 %

วงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน : ต่อสัญญาณสามเหลี่ยมที่ขา V+ แรงดัน Vref ที่ขา V-

รูปออกแบบวงจรโดยโปรแกรม Frizing ตามผังวงจรในรูป 4.1.3

 

 วงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน Schematic View

 วงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน Breadboard View

ภาพวงจรที่ต่อตามวงจรที่ออกแบบ

ผลที่ได้จากวงจรที่ 4.1.3

Vref	Duty Cycle ของสัญญาณ Output
5.1 V	0%
3.89 V	25%
2.75 V	49%
1.583 V	73%
260 mV	100%

จากวงจรที่ 4.1.3 มีการต่อแรงดัน Vref จาก Trimpot เข้าที่ขา V- และสัญญาณรูปคลื่นสามเหลี่ยมเข้าที่ขา V+ ของไอซีเปรียบเทียบแรงดัน จะสังเกตได้ว่าเมื่อแรงดัน Vref เพิ่มขึ้น Duty Cycle ของสัญญาณเอาต์พุตกลับลดลง

(Click ที่ภาพเพื่อดูภาพขนาดใหญ่)

Vref = 5.1 V , Duty Cycle = 0 %

Vref = 3.89 V , Duty Cycle = 25 %

Vref = 2.75 V , Duty Cycle = 49 %

Vref = 1.583 V , Duty Cycle = 73 %

Vref = 260 mV , Duty Cycle = 100 %

คำถามท้ายการทดลอง

1. ระดับของแรงดันอ้างอิง (Vref) ที่ได้จากตัวต้านทานปรับค่าได้ เพื่อใช้ในการเปรียบเทียบแรงดัน  มีความสัมพันธอ์ย่างไรกับระดับของแรงดันเอาต์พุต (Vout) ที่ได้จากตัวเปรียบเทียบแรงดัน และ ค่า Duty Cycle ของสัญญาณเอาต์พุตที่วัดได้ จงอธิบาย
   ในการทำงานของไอซีเปรียบเทียบแรงดันนั้น จะนำสัญญาณอินพุตที่ขาV-และV+ ณ เวลาเดียวกันมาเปรียบเทียบกัน โดยมีหลักการเปรียบเทียบคือ

หาก V+ > V- สัญญาณเอาต์พุตจะมีค่า HIGH ซึ่งเท่ากับไฟเลี้ยง Vcc ของไอซี
หาก V+ < V- สัญญาณเอาต์พุตจะมีค่า LOW ซึ่งเท่ากับ 0V

   ในวงจร 4.1.2 ป้อนสัญญาณรูปคลื่นสามเหลี่ยมเข้าที่ขา V- และแรงดัน Vref จาก Trimpot เข้าที่ขา V+ 

   เมื่อ Vref มีค่าประมาณ 0 ซึ่งน้อยกว่าสัญญาณสามเหลี่ยมในทุกช่วงเวลา สัญญาณเอาต์พุตจึงไม่มีส่วนที่มีค่า HIGH Duty Cycle จึงเท่ากับ 0%

   เมื่อ Vref มีค่าเพิ่มขึ้น จะทำให้มีทั้งช่วงที่มีค่ามากและน้อยกว่าสัญญาณสามเหลี่ยม สัญญาณเอาต์พุตจึงมีค่า HIGH และ LOW Duty Cycle จึงมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆตาม Vref ที่เพิ่มขึ้น

Vref เพิ่มขึ้น Duty Cycle ของเอาต์พุตเพิ่มขึ้น

สีแดง Vref เข้าที่ V+ (โดยประมาณ) 

สีเหลือง สัญญาณสามเหลี่ยม เข้าที่ V-

สีฟ้า เอาต์พุต

   ในวงจร 4.1.3 แรงดัน Vref จาก Trimpot เข้าที่ขา V- และสัญญาณรูปคลื่นสามเหลี่ยมเข้าที่ขา V+  

   เมื่อ Vref มีค่าประมาณ 0 ซึ่งน้อยกว่าสัญญาณสามเหลี่ยมในทุกช่วงเวลา ดังนั้นสัญญาณสามเหลี่ยมจึงมากกว่า Vref ในทุกช่วงเวลา สัญญาณเอาต์พุตจึงไม่มีส่วนที่มีค่า LOW Duty Cycle จึงเท่ากับ 100%

   เมื่อ Vref มีค่าเพิ่มขึ้น จะทำให้มีทั้งช่วงที่มีค่ามากและน้อยกว่าสัญญาณสามเหลี่ยม สัญญาณเอาต์พุตจึงมีค่า HIGH และ LOW ซึ่งเมื่อ Vref มากขึ้น ก็จะยิ่งทำให้มีช่วงที่สัญญาณสามเหลี่ยมน้อยกว่า Vref เพิ่มขึ้น Duty Cycle จึงมีค่าลดลงเรื่อยๆตาม Vref ที่เพิ่มขึ้น

Vref เพิ่มขึ้น Duty Cycle ของเอาต์พุตลดลง

สีแดง Vref เข้าที่ V- (โดยประมาณ) 

สีเหลือง สัญญาณสามเหลี่ยม เข้าที่ V+

สีฟ้า เอาต์พุต

อ้างอิง: http://thai-electronics.blogspot.com/2010/10/voltage-comparator.html

            http://cornerstonerobotics.org/curriculum/lessons_year1/ER%20Week15,%20Comparators.pdf

2. ถ้าจะให้สญัญาณเอาต์พุต Vout มีค่า Duty Cycle ประมาณ 50% จะต้องหมุนปรับค่าที่ตัว ต้านทานปรับค่าได้ ให้มีแรงดัน Vref ประมาณเท่าใด
2.7 V

3. เมื่อหมุนปรับคา่ที่ตัวต้านทานปรับค่าได้ จากซ้ายสุดไปขวาสุด จะได้ค่า Vref อยู่ในช่วง 0 ถึง 5 โวลต์ และได้ค่า Duty Cycle ของสัญญาณเอาต์พุตอยู่ในช่วง 0 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์

อ้างอิง: เอกสารการทดลองที่ 4.1 การต่อวงจรไอซีเปรียบเทียบแรงดัน
โดย ดร.เรวัต ศิริโภคาภิรมย์ ห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว(ESL.) มจพ.