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.