В системах освещения очень часто используются различные дополнительные функции, с помощью которых управление светом становится более простым и удобным. Среди них следует отметить датчик света или освещенности ардуино, собираемый на основе фоторезистора. Полученная конструкция дает возможность осуществлять контроль над уровнем освещения и вносить изменения в случае необходимости. Особую популярность эти устройства приобрели в уличном освещении, обеспечивая своевременное включение и выключение светильников в дневное и ночное время.
Физические свойства фоторезисторов
Фоторезисторы обладают всеми свойствами обычных резисторов, в том числе и сопротивлением, измеряемым в Омах. Существенным отличием является возможность изменения сопротивления в соответствии с интенсивностью светового потока, воздействующего на чувствительный элемент.
Фоторезисторы отличаются размерами и техническими характеристиками, которые для каждого из них довольно условны. Даже выпущенные в одной партии, они могут иметь разные показатели, отличающиеся наполовину и выше. Таким образом, каждый элемент используется в индивидуальных условиях и определенном уровне освещенности. Свет и темноту они различают очень хорошо, а большего от них и не требуется. Кроме того, фоторезисторы способны распознавать минимальную и максимальную степень освещения.
Технические характеристики данных элементов в целом совпадают. Изделия отличаются только размерами, которые для круглой формы составляют от 5 до 12 мм в диаметре. Сопротивление изменяется в диапазоне от 10 кОм в светлое время суток до 200 кОм с наступлением темноты. Фоторезисторы отличаются диапазоном чувствительности и способны определять длину волн от 400 нм фиолетового цвета до 600 нм оранжевого цвета. Для работы подходят любые источники питания с напряжением до 100 вольт при силе тока до 1 мА.
Подключение фоторезистора к датчику
В схемах управления светом фоторезистор выступает основным компонентом вместе с датчиком освещения. Корректная работа системы во многом зависит от правильного подключения элементов.
Подключение датчика к фоторезистору ардуино выполняется по довольно простой схеме. В этом случае сам элемент используется в качестве делителя напряжения. На одной стороне оно изменяется в соответствии с уровнем освещенности, а на другой осуществляется подача напряжения к аналоговому входу. С помощью микросхемы контроллера выполняется преобразование напряжения в цифровые показатели. Когда свет попадает на датчик, его сопротивление уменьшается, следовательно, понижается и значение падающего напряжения, присутствующего в данном элементе.
В зависимости от стороны или плеча, на котором осуществляется подключение к arduino, напряжение к аналоговому входу будет подаваться в уменьшенном или повышенном виде. При подключении к земле одного из контактов, напряжение с максимальным значением будет наблюдаться в темное время. В этот период сопротивление элемента достигает своего максимума, следовательно и напряжение будет расти. При нормальном освещении сопротивление стремится к нулю и становится минимальным. Соответственно и напряжение заметно снижается. В случае подключения к питанию этого плеча, свойства фоторезистора изменятся на противоположные.
Монтаж элементов на плату также не вызывает каких-либо затруднений. Поскольку полярность у фоторезистора отсутствует, подключим его с любой стороны. Крепление к плате выполняется разными способами, в том числе методом пайки или с помощью соединительных клипсов.
В качестве источника питания используется сам фоторезистор датчик освещенности — ардуино. Одной контактной ногой он соединяется с землей, а другой с аналогово-цифровым преобразователем платы. Вместо АЦП может быть задействован аналоговый пин А0. Ко второй ножке подключается резистор сопротивлением 10 кОм.
Основными функциями дополнительного резистора являются ограничение тока в цепи и формирование требуемого напряжения в схеме с делителем. Ток нужно ограничивать в тех случаях, когда при полном освещении у фоторезистора резко снижается сопротивление. Формирование напряжения требуется для аналогового порта с установленным значением сопротивления. Для нормальной работы фоторезистора вполне достаточно 1 кОм.
За счет изменяющегося сопротивления резистора становится возможной регулировка чувствительности в сторону низкого и высокого уровня освещения. Например, при 1 кОм датчик быстрее определит высокую степень освещенности, а при 10 кОм ускоряются переключения после увеличения света.
На плате могут располагаться цифровые или аналоговые выходы, направляемые к соответствующим пинам. В первом случае срабатывание наступает после превышения уровня освещенности. Для настройки порога срабатывания используется подстроечный резистор. В результате, получается своеобразный сенсор. Во втором случае удается установить значение напряжения, составляющее пропорцию с реальным уровнем освещенности.
Скетч для датчиков освещенности
После выполнения всех подключений и проверки, необходимо произвести программирование контроллера. Для этого потребуется специальный скетч, который можно написать самостоятельно. В качестве исходных данных используется напряжение на данный момент, значение которого снимается с подключенного аналогового пина. В процессе расчетов будет задействована специальная функция analogRead.
Для написания скетча под определенный датчик необходимо выполнить действия в следующем порядке:
- В первую очередь определяется уровень сигнала, поступающего с аналогового пина.
- Полученные данные нужно сравнить с пороговым значением. Максимальные показатели будут отображать темноту, а минимальные наибольшую степень освещенности.
- Если полученный уровень ниже порогового значения, значит наступила темнота и необходимо включение света. При обратной ситуации свет выключается.
Создать темноту можно путем закрытия фоторезистора предметом, не пропускающим свет. Выполняя поочередно эту процедуру можно заметить, как светодиод будет включаться и выключаться. За счет изменений пороговых значений в коде выполняется настройка включения и выключения светильников при различной степени освещения. Расположение светодиода и фоторезистора нужно спланировать таким образом, чтобы arduino датчик не попадал под световой поток от яркого светильника.
Настройки можно выполнить еще и таким образом, чтобы при изменении уровня освещенности происходило не включение и выключение, а изменялась яркость свечения светодиодной лампочки. С этой целью потребуется использование устройства ШИМ широтно-импульсной модуляции, работающего в определенных диапазонах.
Плюсы и минусы датчика с фоторезистором
Все фоторезисторы обладают повышенной чувствительностью к различным частям светового спектра. Эта особенность является существенным недостатком данных элементов. Каждый вид цветовой гаммы существенно влияет на значение сопротивления, в связи с чем устройства работают недостаточно стабильно.
Еще один минус связан с низкой скоростью реагирования в случае изменяющейся освещённости. Наглядным подтверждением этому служит мигающий свет. При слишком высокой частоте изменений фоторезистор совсем прекращает реагировать на перемены в освещении.
Основным положительным качеством является простота и доступность этих устройств. При подключении можно использовать самые простые электрические схемы. Фоторезисторы очень дешевы, благодаря чему нашли широкое применение в конструкциях аналогичных приборов и аппаратуры.