Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại là gì?

Hiện nay, cảm biến hồng ngoại được ứng dụng nhiều trong công việc cũng như trong đời sống. Đặc biệt là ở trong công nghệ đèn chiếu sáng thông minh. Vậy cảm biến hồng ngoại là gì? Nguyên lý hoạt động của chúng như thế nào? Theo dõi bài viết dưới đây để tìm hiểu về cảm biến hồng ngoại là gì nhé!

Cảm biến hồng ngoại là gì?

Cảm biến hồng ngoại tên Tiếng anh là Passive Infrared, hay còn được gọi là IR Sensor. Là một thiết bị điện tử có khả năng đo và phát hiện được bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh. Vì bước sóng của IR Sensor dài hơn ánh sáng khả kiến. Nên cảm biến hồng ngoại phát ra các tia vô hình đối với mắt người. Bất cứ thứ gì phát ra nhiệt đều sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại.

Hồng ngoại hay còn được gọi là tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn so với ánh sáng. Và nó sẽ ngắn hơn tia bức xạ Vi ba. Hồng ngoại tức là ngoài bức sóng màu đỏ. Trong ánh sáng thường thì màu đỏ là màu có bước sóng dài nhất. Thông thường đối với những vật thể có nhiệt độ > 35°C sẽ phát ra bước sóng hồng ngoại. Bức xạ hồng ngoại đã vô tình được phát hiện vào năm 1800 bởi một nhà thiên văn học có tên là William Herschel. Trong khi đo nhiệt độ của từng màu ánh sáng (được cách nhau bởi một lăng kính) thì ông thấy rằng nhiệt độ vượt ra ngoài ánh sáng đỏ là cao nhất.

Phân loại cảm biến hồng ngoại

Có hai loại cảm biến hồng ngoại hiện nay là cảm biến dạng chủ động và thụ động. Cảm biến hồng ngoại sẽ hoạt động bằng cách phát ra và phát hiện ra bức xạ hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại chủ động thường có cấu tạo gồm 2 phần là: diode phát sáng (LED) và máy thu. Khi một vật thể đến gần cảm biến thì ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật thể. Sau đó chúng sẽ được người nhận phát hiện.

Cảm biến hồng ngoại dạng thụ động là chỉ nhận các tia hồng ngoại phát ra từ các vật thể khác như người, động vật hoặc một nguồn nhiệt bất kỳ. Chứ tự bản thân nó không phát ra tia hồng ngoại nào cả. Bộ phận cảm biến sẽ phân tích để xách định điều kiện báo động sau khi nhận biết được nguồn nhiệt. Chính vì thế người ta gọi đó là thụ động. Chúng chỉ phát hiện được chứ không phải là nguồn phát ra tia hồng ngoại.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại hoạt động bằng cách sử dụng một cảm biến ánh sáng cụ thể nào đó để phát hiện ra bước sóng ánh sáng chọn trong phổ hồng ngoại (IR). Bằng cách sử dụng đèn LED để tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm. Thì bạn có thể được xem cường độ của ánh sáng nhận được. Khi một vật ở gần cảm biến, ánh sáng từ đèn LED sẽ bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng. Điều này dẫn đến một bước nhảy khá lớn về cường độ.

Sơ đồ mạch thiết kế cảm biến hồng ngoại

Do cảm biến hồng ngoại sử dụng cảm biến ánh sáng. Chính vì thế sơ đồ rất giống với cảm biến ánh sáng. Sự khác biệt duy nhất giữa chúng là việc bổ sung đèn LED hồng ngoại và đầu dò hồng ngoại yêu cầu kết nối với 5V và nối với đất. Nạn có thể tham khảo mạch thiết kế của cảm biến hồng ngoại ở dưới đây:

Cách thiết lập cảm biến hồng ngoại

Thiết lập Breadboard

Để thiết lập hoạt động của một cảm biến hồng ngoại thì các bạn cần chuẩn bị những thứ sau:

• Máy dò hồng ngoại 2x.
• 2x đèn LED hồng ngoại ở trong vỏ.
• Điện trở 2x 2kΩ (đỏ-đen-đỏ).
• Điện trở 2x 220Ω (đỏ-đỏ-nâu).
• Dây nhảy màu đỏ 2x.
• Dây nhảy màu đen 2x.
• Dây nhảy tín hiệu 2x (có thể lựa chọn bất kỳ màu nào).

Trước tiên, cần đảm bảo rằng các đèn LED hồng ngoại nằm trong vỏ của chúng:

• Chèn IR LED vào phần vỏ lớn hơn so với dây dẫn dính ra.
• Nhấn mạnh đèn LED vào vỏ.
• Đặt phần vỏ nhỏ hơn lên trên đèn LED.

Đặt đèn LED hồng ngoại

Tiếp theo là bạn đặt đèn LED IR vào bảng mạch. Trong quá trình đó bạn nên lưu ý về chân của thiết bị như sau:

• Cực dương là cực có chân dài hơn và cạnh tròn.
• Cực âm cực âm là cực có chân ngắn hơn và cạnh phẳng.
• Tuyệt đối bạn không được đấu dây sai chân của LED vì như vậy sẽ làm hỏng linh kiện.

Đặt máy dò hồng ngoại

Phần giữa của bộ thu phải được nằm trên cùng một bus với cực âm của đèn LED.

Đặt điện trở

Bạn cần nhớ rằng đèn LED IR vẫn là một dạng của đèn LED. Và chúng sẽ cần một điện trở để hạn chế dòng điện chạy qua. Điều này đặc biệt quan trọng đối với đèn LED hồng ngoại mà bạn cần ghi nhớ. Bởi vì các bước sóng ánh sáng mà chúng phát ra không thể nhìn thấy bằng mắt người được. Chúng ta không thể nào hoặc rất khó để có thể xác định được nó có làm việc hay là không.

Đi dây điện

Điều cuối cùng bạn cần làm là nối các đèn LED IR, điện trở và bộ thu IR vào Arduino. Cụ thể cách nối như sau:

• Đầu tiênsẽ kết nối các ngạnh + 5v của các máy thu IR (ngạnh phải nếu đối diện với máy thu) bằng các dây màu đỏ. Chúng nên được nối trực tiếp lên cổng +5 volt trên Arduino mà không cần có điện trở nối tiếp.
• Tiếp theo, kết nối các ngạnh mặt đất của các máy thu hồng ngoại (ngạnh giữa), trên cùng một bus với cực âm của đèn LED IR, với cổng GND của Arduino bằng dây màu đen.
• Các ngạnh thứ ba, hoặc các ngạnh tín hiệu của máy thu IR (ngạnh trái nếu đối diện với máy thu) nên được kết nối qua các điện trở có đơn vị là 220 ohm với các chân 7 và 8 của Arduino (đầu thu phải ở trên chân 7 và đầu thu bên trái trên chân 8) bằng cách sử dụng dây có màu xám.
• Cuối cùng là cực dương của đèn LED IR ‘ s nên được chạy qua các điện trở 2k riêng biệt vào với cổng 9 bằng cách sử dụng các dây có màu vàng. Kiểm tra bảng mạch ảo để đảm bảo rằng mỗi dây được nối chính xác.

Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại

Ngày nay cảm biến hồng ngoại được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng của cảm biến hồng ngoại mà chúng tôi muốn chia sẻ tới bạn đọc:

• Giúp bật tắt đèn tự động: Với chức năng bật đèn tự động hiện đại thì khi có người bước vào, cảm biến hồng ngoại sẽ tự động sáng đèn lên. Và khi người đó di chuyển đến đâu thì đèn sẽ sáng theo đến đó.
• Giúp chống trộm: Có thể nói so với các thiết bị chống trộm khác thì việc sử dụng thiết bị cảm biến hồng ngoại là một giải pháp giúp chống trộm tốt nhất, bảo vệ được an toàn cho gia đình. Bởi khi vào ban đêm, nếu có trộm bước vào nhà hay đi qua sân vườn hay ban công của nhà bạn, khi đó mắt cảm ứng mà trộm không thể xác định được vị trí lắp đặt của cảm biến thì thiết bị hú còi. Ngay lúc đó thì chủ nhà sẽ biết có trộm để đề phòng và có biện pháp xử lý nhanh chóng, kịp thời.
• Giúp mở cửa tự động: Hiện nay có rất nhiều thiết bị cảm biến hồng ngoại được lắp đặt kèm theo chế độ mở cửa tự động. Điều đó giúp cho người dùng có thể thuận lợi và linh hoạt hơn khi sử dụng và lắp đặt các thiết bị.

Các ưu điểm, nhược điểm khi sử dụng cảm biến hồng ngoại

Ưu điểm

Nếu bạn muốn dùng loại đèn có độ nhạy cao, có khả năng phát hiện ra chuyển động nhỏ xuyên qua tường mỏng, gỗ, nhựa… thì có thể chọn loại đèn dùng công nghệ cảm biến radar. Với công nghệ này thì ưu điểm của nó là đèn có góc quét rộng, 360⁰, không có điểm chết và cảm ứng với khoảng cách là 6 – 8m. Đèn áp dụng công nghệ radar sẽ không phụ thuộc nhiều vào cảm biến vào nhiệt độ môi trường.

Đối với công nghệ cảm biến hồng ngoại thì có ưu điểm là đèn có khả năng phân biệt được cả chuyển động của người và của cả đồ vật. Bạn hoàn toàn có thể điều chỉnh được góc cảm ứng theo ý muốn của mình một cách dễ dàng. Ngoài ra còn có thể sử dụng vách ngăn để tránh vùng không muốn cảm ứng.

Nhược điểm

Độ nhạy cao của cảm biến radar đôi khi cũng là nhược điểm lớn của công nghệ này. Bởi chúng dễ bị nhầm lẫn khi phát hiện vật chuyển động. Đèn dùng công nghệ cảm biến hồng ngoại có nhược điểm lớn là góc quét nhỏ, có điểm chết và không thể cảm biến xuyên vật cản. Chính vì công nghệ này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ để cảm biến nên tại môi trường có nhiệt độ cao thì đèn sẽ càng kém nhạy. Phạm vi đèn cảm biến được chỉ trong khoảng từ 2 – 3m.

Những lưu ý khi lắp đặt và sử dụng cảm biến hồng ngoại

Những vấn đề cần tránh khi lắp đặt cảm biến hồng ngoại

• Không hướng mắt sensor về phía với giàn nóng máy lạnh. Vì giàn nóng máy lạnh trong khi hoạt động thường có nhiệt độ cao. Tia bức xạ hồng ngoại của nó phát ra sẽ gây nhiễu cảm biến, điều đó sẽ khiến cho nó hoạt động không chính xác.
• Không hướng mắt sensor về phía cửa sổ có rèm che để tránh được báo động giả.
• Không lắp đặt cảm biến PIR ở  trong nhà ra ngoài trời. Bởi cảm biến PIR loại trong nhà không có tính năng chịu mưa nắng. Nếu để chúng ngoài trời dù không trực tiếp gặp mưa nắng thì nó cũng dễ bị hỏng dần chất liệu vỏ, lăng kính fresnel. Điều đó khiến cho chức năng hoạt động kém dần đi.
• Không hướng trực tiếp mắt sensor về nơi có nhiều nắng mặt trời.
• Không nên đặt sensor ở gần dây điện nguồn. Bởi cảm biến PIR là một thiết bị điện tử. Nó hoạt động ở điện áp thấp nên hạn chế việc đặt gần điện nguồn cao áp.
• Không nên hướng mắt sensor ra phía cổng sát với đường đi. Điều đó giúp tránh báo động giả không đáng có do người khác đi bộ hoặc có thể chạy bộ ngang qua cổng. Sensor có thể nhầm lẫn với việc đột nhập.
• Không nên lắp sensor trên tường bị rung để giúp cho sensor hoạt động ổn định hơn.

Một số lưu ý khác bạn cần biết

Hầu hết nhà sản xuất nào cũng đều có hướng dẫn cách dẫn lắp đặt cảm biến hồng ngoại cũng như những ghi chú về các vị trí lắp cảm biến cần tránh. Nếu không để ý kỹ, người lắp đặt sẽ dễ dàng phạm phải. Kết quả là cảm biến có khi hoạt động không đúng chức năng. Đôi khi lại báo động giả. Chúng ta cần lưu ý một số vấn đề sau:

• Đặt đầu báo ở nơi kẻ đột nhập phải đi qua. Hoặc có thể tại nơi tạo ra một cái bẫy với kẻ gian.
• Đặt đầu báo với độ cao đúng và chính xác như tài liệu kỹ thuật chỉ dẫn.
• Tính toán vùng cảm nhận của đầu báo sao cho phù hợp và chính xác với vùng cần cảm nhận theo yêu cầu.
• Tránh những vùng khuất hay điểm mù tại nơi lắp đặt. Vì điều đó khiến đầu báo không thể phát hiện được chuyển động.
• Kiểm tra lại khả năng cảm nhận của đầu báo sau khi lắp đặt.
• Tránh các nguồn phát nhiệt, dễ gây ra báo động giả ví dụ như: Gần cửa, điều hòa, lỗ thoát khí, bếp lửa hoặc có thể là ánh sáng mặt trời.

Trên đây là toàn bộ thông tin về cảm biến hồng ngoại là gì mà thietbikythuat muốn chia sẻ tới bạn đọc. Hy vọng qua những chia sẻ trên giúp bạn hiểu hơn về cảm biến hồng ngoại là gì? Cũng như nắm được những lưu ý khi lắp đặt và sử dụng cảm biến hồng ngoại.