Fényérzékelés fotoellenállással

A fény mindennapi életünk szerves része – elég, ha csak a napfelkeltére vagy az automatikusan kapcsolódó közvilágításra gondolunk. De hogyan érzékelik az eszközök a fényt? A válasz egyszerűbb, mint gondolnád: egy kis elektronikai alkatrész, a fotoellenállás (LDR – Light Dependent Resistor) segítségével.

Ezek a kis alkatrészek képesek érzékelni a környezeti megvilágítást és ezt az információt felhasználva vezérelhetjük például az okos otthonunk világítását vagy akár egy egyszerű időjárás-figyelőt is készíthetünk velük. Ebben a cikkben megnézzük, hogyan építhetünk egy fényérzékelő rendszert Arduinóval, és hogyan használhatjuk ki a fotoellenállás képességeit egy kis kódolás segítségével.

Tartalomjegyzék

A fotoellenállás működése – miért olyan különleges?

A fotoellenállás egy olyan egyszerű, mégis zseniális eszköz – amely a fény intenzitásának megfelelően módosítja az ellenállását. Egyszerűen fogalmazva: minél több fény éri az érzékelőt, annál kisebb lesz az ellenállása. Ez a tulajdonsága teszi lehetővé, hogy analóg jelként az Arduinoval könnyedén értelmezhessük.

Sötét állapotban – kevés foton éri az eszközt, kevés szabad elektron van a rendszerben, így az ellenállás magas.
Világos állapotban – a beeső fény megnöveli a szabad elektronok számát, az ellenállás lecsökken.

Ezt a tulajdonságot kihasználva pontosan mérhetjük a környezeti fény erősségét.

A fotoellenállás működése különböző fényviszonyok között:

Log-log skálán ábrázolt grafikon, amely a megvilágítás (lux) és a fotoellenállás (kΩ) közötti kapcsolatot mutatja. Az x-tengely a megvilágítást luxban jelöli (1–100 lux tartományban), míg az y-tengely az ellenállást kiloohmban (1–1000 kΩ tartományban). A grafikon egyértelmű inverz összefüggést mutat: a megvilágítás növekedésével az ellenállás csökken. Egy sötétített sáv jelöli a tipikus értéktartományt.
(Forrás: GL5537 fotoellenállás adatlap)

Ez a változás lehetővé teszi, hogy a fotoellenállást fényérzékelőként használjuk. Azonban a mikrokontrollerünk csak feszültséget tud mérni, nem pedig közvetlenül az ellenállást.

Spektrális érzékenység – Milyen fényre reagál a fotoellenállás?

A fotoellenállások leginkább a látható fény tartományában (400-700 nm) működnek hatékonyan. Az ultraibolya és infravörös tartományban azonban már jelentősen csökken az érzékenységük A tipikus fotoellenállás anyaga CdS (azaz kadmium-szulfid).

Grafikon, amely az érzékenységet (Detectivity, cm√Hz/W) ábrázolja a hullámhossz (µm) függvényében. Az x-tengely a hullámhosszt (µm), az y-tengely az érzékenységet mutatja logaritmikus skálán (10⁸–10¹³ cm√Hz/W). A különböző félvezető anyagok (CdS, PbS, PbSe) érzékenységi görbéi láthatók, különböző hőmérsékleteken (195K és 300K). A látható spektrum színes sávval van jelölve, az ultraibolya és infravörös tartományokat pedig színezés különbözteti meg.
(Forrás: https://eepower.com/resistor-guide/)

Mire kell figyelni?

Beltéri alkalmazásoknál fontos, hogy az érzékelő pontosan kövesse a mesterséges fények változásait.
Kültéri alkalmazások esetén az érzékenység csökkenhet az IR tartományban, így árnyékolásra lehet szükség.

Áramköri összeállítás – Hogyan kösd be a fotoellenállást?

Most nézzük meg, hogyan csatlakoztassuk a fotoellenállást az Arduinóhoz. Egy egyszerű feszültségosztó áramkört fogunk használni, amely lehetővé teszi az érzékelt fényintenzitás analóg jelek formájában történő leolvasását.

Szükséges eszközök és alkatrészek

A projekt elkészítéséhez a következőkre lesz szükséged:

	→ Arduino Uno alaplap: Ez fogja kezelni az érzékelőt.
	→ Fotoellenállás: A fényérzékelő szenzor maga.
	→ Fotoellenállás modul: A szenzorkészletek részeként is elérhető.
	→ 10 kOhm ellenállás.
	→ Breadboard és jumper kábelek (anya-apa / apa-apa): A könnyű csatlakoztatáshoz.

Lépések a mérési elrendezés összeállításához

A fotoellenállás egyik végét csatlakoztasd az Arduino 5V-os kimenetéhez.
A másik végét kösd a 10 kΩ-os ellenálláson keresztül a földhöz (GND).
Az ellenállás és a fotoellenállás közös pontját csatlakoztasd az A1 analóg bemeneti pinhez.

Ez „reptében” összeépítve az alábbiakként fog kinézni:

Arduino Uno mikrokontroller, amelyhez egy fotoellenállás (LDR) és egy ellenállás van csatlakoztatva az analóg bemeneti portok egyikére. — Fotoellenállás (LDR) csatlakoztatása Arduino Uno-hoz

Kicsit áttekinthetőbben a Breadboard-on:

Arduino Uno mikrokontroller egy próbapanellel (breadboard) összekötve, amelyen egy fotoellenállás (LDR) és egy ellenállás található, analóg bemenetre csatlakoztatva. — Fotoellenállás (LDR) kapcsolása Arduino Uno-val próbapanelen keresztül

A feszültségosztó működése

A feszültségosztó lényege, hogy a fotoellenállás és a 10kOhm ellenállás egy leosztott feszültséget hoz létre a közös pontján, amelyet így már az Arduino képes kiolvasni és értelmezni.

A feszültség kiszámításának képlete:

A képen egy matematikai egyenlet látható, amely egy feszültségosztó áramkört ír le.

Az alábbi ábrán szemléltetve (az R2 helyett fotoellenállás van nálunk!):

Egy feszültségosztó áramkör két ellenállással (R1 és R2)

Miért van szükség feszültségosztóra a fotoellenállás esetében?

Az Arduino csak 0 és 5V közötti feszültségeket tud mérni az analóg bemeneteken (például az A1 pinen). Mivel a fotoellenállás csak az ellenállását változtatja, nem képes közvetlenül feszültséget generálni. Itt jön képbe a feszültségosztó, amely lehetővé teszi, hogy a fotoellenállás ellenállásának változása átalakuljon mérhető feszültséggé.

Egy feszültségosztó áramkör két ellenállással (R1 és R2). Az R2 a fotoellenállás.

A feszültségosztó áramkör két ellenállásból áll:

Fotoellenállás (LDR) – R2
Fix 10 kΩ-os ellenállás – R1

Ezeket soros kapcsolásban helyezzük el, és a közös ponton mérjük a feszültséget az Arduinóval (Vki). Ez a kimeneti feszültség az Arduino A1 analóg bemenetére kerül, ahol az értéket kiolvashatjuk és kiértékelhetjük – a korábbi bekötési ábrákon látható bekötési módon.

Arduino programkód – Alap fényintenzitás mérés

Miután az áramkört összeállítottuk, próbáljuk ki az alábbi programot, amely kiolvassa az analóg értékeket és kiírja őket a soros monitorra.

int sensorPin = A1;         // fotoellenállás az A1 pinre kötve
int sensorValue = 0;        // Az érzékelt fényintenzitás értéke

void setup() {
  Serial.begin(9600);       // Soros kommunikáció elindítása
}

void loop() {
  sensorValue = analogRead(sensorPin);  // Az analóg bemenet értékének kiolvasása
  float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0); // Átalakítás feszültség értékké
  Serial.print("Feszültség: ");
  Serial.println(voltage);  // Az érték kiírása
  delay(500);               // 500 ms várakozás a következő mérésig
}

int sensorPin = A1; // fotoellenállás az A1 pinre kötve

int sensorValue = 0; // Az érzékelt fényintenzitás értéke

void setup() {

Serial.begin(9600); // Soros kommunikáció elindítása

}

void loop() {

sensorValue = analogRead(sensorPin); // Az analóg bemenet értékének kiolvasása

float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0); // Átalakítás feszültség értékké

Serial.print("Feszültség: ");

Serial.println(voltage); // Az érték kiírása

delay(500); // 500 ms várakozás a következő mérésig

}

Kódmagyarázat:

Az analogRead(sensorPin)függvény kiolvassa az A0 lábra érkező feszültséget.
A 0-1023 közötti mért értéket átalakítjuk 0-5V közötti tartományba.
A Serial.println() kiírja az eredményt a soros monitorra.
A delay(500) várakozás beállításával másodpercenként 2 mérést végzünk.

A kimeneti eredmény - a mért érték. — A kimeneti eredmény – a mért érték a Soros monitoron.

Adatok megjelenítése az Arduino Serial Plotter segítségével

Az újabb Arduino verziókban található Serial Plotter lehetővé teszi az adatok valós idejű grafikus megjelenítését. (Segítség a beállításhoz és a működéshez: →Soros plotter (diagram) az Arduino 1.x alatt) Az alábbi kódot használhatod az adatok vizuális elemzésére.

int sensorPin = A1;             // fotoellenállás csatlakozási pontja
int sensorValue = 0;            // Az érzékelt érték

void setup() {
  Serial.begin(9600);           // Soros kommunikáció indítása
}

void loop() {
  sensorValue = analogRead(sensorPin);  // Érték olvasása az A0 pinről
  Serial.print("Fényintenzitás: ");
  Serial.println(sensorValue);  // Kiíratás a Serial Plotterre
  delay(100);                   // Gyorsabb adatfrissítés a grafikonhoz
}

int sensorPin = A1; // fotoellenállás csatlakozási pontja

int sensorValue = 0; // Az érzékelt érték

void setup() {

Serial.begin(9600); // Soros kommunikáció indítása

}

void loop() {

sensorValue = analogRead(sensorPin); // Érték olvasása az A0 pinről

Serial.print("Fényintenzitás: ");

Serial.println(sensorValue); // Kiíratás a Serial Plotterre

delay(100); // Gyorsabb adatfrissítés a grafikonhoz

}

Megjelenítés lépései az Arduino Serial Plotteren:

Töltsd fel a fenti kódot az Arduinóra.
Nyisd meg az Eszközök > Soros plotter menüpontot az Arduino keretrendszerben.
Figyeld a grafikonon az értékek változását a fényviszonyok hatására.

Arduino soros monitor grafikonja, amely a fényintenzitás változását ábrázolja az idő függvényében. A piros vonal a mért adatokat mutatja, a függőleges tengely a fényintenzitás értékeit (0–1000 tartományban), a vízszintes tengely pedig az időt jelöli.

Zárszó és további lépések

Ezzel a projekttel könnyedén mérheted a környezeti fényviszonyokat és alkalmazhatod azokat számtalan célra, például automatikusan vezérelheted a világítást egy relével. Ha szeretnéd tovább bővíteni a rendszert, próbálkozz LCD kijelző vagy hangjelzés hozzáadásával! Vagy akár automatikus fényerő-szabályozást is építhetsz.

Források