Датчик для таймера мытья рук при самоизоляции

В статье о таймере для мытья рук упомянут модуль датчика приближения с отражательной оптопарой. Это - стандартное устройство, часто применяемое ардуинщиками и в других проектах. Такие датчики бывают готовыми и самодельными, по схеме оба варианта мало отличаются друг от друга. Как изготовить самодельный модуль, рассказывает автор Instrictables под ником ElectroMaker958. Схема прибора - следующая:

Датчик имеет три вывода: питание, выход и общий. Напряжение питания подаётся на четыре узла, соединённых параллельно: осветитель, два делителя напряжения и операционный усилитель.

Осветитель выполнен по простейшей схеме, он состоит из резистора сопротивлением от 100 Ом до 1 кОм и светодиода. То, что светодиоды без ограничения тока выходят из строя, знают даже начинающие радиолюбители. Но даже когда осветитель собран правильно и работает, увидеть, как он светится, можно только при помощи цифромыльницы или смартфона. Глаз же его свечения не замечает, так как работает он в ближнем инфракрасном диапазоне. Зато фотодиод на это невидимое излучение прекрасно реагирует, но только тогда, когда оно от чего-нибудь отражено. Ведь светодиод и фотодиод в этой оптопаре направлены в одну сторону.

Делителей напряжения в датчике, как уже сказано выше, два. Первым является подстроечный резистор на 100 кОм. Он включён так, что при вращении его ручки отвёрткой напряжение на скользящем контакте относительно общего провода меняется в широких пределах - от нуля до напряжения питания. Второй делитель состоит из фотодиода и резистора на 10 кОм. Меняющееся напряжение снимается со средней точки этого делителя. Поскольку фотодиод расположен над резистором, это напряжение прямо пропорционально яркости попадающего на фотодиод света, так как его сопротивление при освещении падает.

Операционный усилитель может работать в разных режимах, например, вычитать одно напряжение из другого, сравнивать их. Во втором случае он применяется в качестве компаратора, и действует так же. Напряжение с первого делителя поступает на инвертирующий вход усилителя, а со второго - на неинвертирующий. Вместо LM358 можно применить усилители LM324, CA3130 и другие с близкими характеристиками. Вообще-то, обычно их питают от двуполярного источника, но при таком применении они хорошо работают и от однополярного.

Вход микроконтроллера (например, в составе Arduino) или схемы на дискретных логических элементах подключают к выходу усилителя. Сюда же подключён и индикаторный светодиод видимого свечения, направленный в сторону от фотодиода, чтобы исключить обратную связь. Он нужен для наладки датчика и настройки порога его срабатывания. Проходящий через него ток желательно ограничить резистором на 1 кОм, не показанным на схеме.

Мастер собрал датчик из набора, в состав которого входит готовая печатная плата. Получилось так:

А участник Instructables под ником Fares Faruque Hisham при повторении конструкции применил небольшой breadboard, и получилось так:

Но оптимальный вариант, конечно - perfboard. Это тоже макетная плата, но схемы на ней собирают пайкой. Такую плату можно пилить на прямоугольники требуемых размеров, предварительно прикинув, сколько места займут на ней компоненты.

Определить полярность светодиода и фотодиода можно при помощи мультиметра в режиме проверки диодов. Инфракрасный светодиод в прямой полярности ведёт себя как обычный диод, только падение напряжения больше. При этом при помощи цифромыльницы или смартфона можно обнаружить его свечение в инфракрасном диапазоне. У светодиода видимого излучения падение напряжения в прямой полярности может быть настолько большим, что мультиметр в режиме проверки диодов может показать бесконечность. Когда полярность прямая, он светится. Фотодиод в прямой полярности тоже ведёт себя как обычный диод, но, в отличие от светодиода, не светится. А в обратной полярности, которая и используется в предлагаемой конструкции, в темноте обладает очень большим сопротивлением, тоже подобно обычному диоду. При освещении же его сопротивление резко падает. Если же переключить мультиметр в режим милливольтметра, при освещении фотодиода можно обнаружить выработку им напряжения в полярности, соответствующей полярности диода, этот режим называют фотогальваническим. Некоторые светодиоды также способны в нём работать.

Убедившись, что датчик собран без ошибок, а фотодиод и оба светодиода подключены правильно (фотодиод - в обратной полярности, а светодиоды - в прямой), остаётся выставить порог срабатывания подстроечным резистором, предварительно поместив конструкцию в то место, где она будет эксплуатироваться. И подключить, например, к упомянутому в начале статьи таймеру для мытья рук.