บทที่ 1 บทนํา

ความเปนมาของปญหาและแนวทางการแกปญหา หากเราลองมองดูการใชชีวิตประจําวันของเราสิ่งหลักๆ ก็ตองเกี่ยวของกับการใชแสงสวาง ไมวาจะเปนการเรียนในหองเรียนก็ตองใชแสงไป หองนํ้า หองทํางาน หรือแมแตตามทองถนนหนทาง หลายคนคงเคยมีปญหากับการลืมปดไฟในหอง ทําใหสิ้นเปลืองคาไฟฟา และยังสงผลใหเครื่องใชไฟฟา และยังสงผลใหเคร่ืองใชไฟฟา อายุการใชงานคงสั้นลง โดยท่ียังไมไดประโยชนเต็มท่ีเลย นอกจากน้ียังมีปญหา ในความไมสะดวกอีกอยางหนึ่ง คือการเขาหองนํ้า ตามปรกติแลวเกือบทุกคร้ังเราตองเปดไฟ เพราะเปนหองท่ีมืด ครั้นเมื่อทําภารกิจเสร็จแลวปดไฟท้ังๆ ที่มือยังเปยก จึงมีโอกาสเสี่ยงที่จะถูกไฟดูดได อีกอยางหน่ึง ถาเขาหองนํ้าตอนกลางคืน ตอนท่ีเราออกจากหองนํ้าแลวลืมปดไฟ ทําใหมืดจึงลําบากในการมองหาทางเดินเพราะตามธรรมชาติแลว ตาของมนุษย ไมสามารถปรับสภาพการมองเห็นไดเร็วพอ ตอนแรกเราจะมองเห็นทางเดินไดพอลางๆ เมื่อเปดไฟตาก็ปรับสภาพรับแสงสวางได แตพอปดไฟตาก็จะไมสามารถรับสภาพความมืดได ทําใหมองไมคอยเห็นทางเดิน ปญหาหาเหลานี้เปนเรื่องท่ีกวนใจมนุษยเราเสมอมา จึงคิดสรางสิ่งประดิษฐท่ีสามารถทํางานไดอัตโนมัติ เม่ือเราเดินผานก็สั่งงานใหเครื่องใชไฟฟาทํางาน พอเดินออกมาจากหอง เครื่องก็รับรูแตยังไมสั่งใหปดเคร่ืองใชไฟฟาในทันที แตจะหนวงเวลาตอไประยะหน่ึง จึงชวยแกปญหาท่ีผานมาได ในกรณีหลดไฟในหองนํ้าก็จะสวางคางอยูพักหน่ึงทําใหเราสามารถมองเห็นทางเดินได เวลาตอมาผมเขามาในหองอีก โดยท่ีหลอดไฟไมทันดับหรือยังไมหมดเวลาที่หนวงไว มันก็จะสั่งงานใหสวางคางตอไปไดทําใหสะดวกมากทีเดียว นอกจากน้ียังควบคุมการหนวงเวลาปดได 2 ชุด ในกรณีที่ตองการใหปดเครื่องใชไฟฟาไมพรอมกัน เชนตอนอากาศรอน กําหนดใหเปดหลอดไฟกอน แลวตามดวยพัดลม จึงทําใหหองเย็นสบายเสมอ

วัตถุประสงค 1. เพ่ือศึกษาการใช sensor อินฟาเรดในการตรวจจับวัตถุ 2. เพ่ือศึกษาการใชงาน ดัดแปลงวงจรอิเล็กทรอนิกสเขาถึงการใชงานในชีวิตประจําวัน

เพ่ือศึกษาการใช sensor ในการควบคุมการเปดปดวงจรอเิลก็ทรอนิกส ประโยชนท่ีคาดวาจะไดรับ

1. มีความรูความชํานาญในการใชงาน sensor มาประยุกตใชกับงานตางๆ 2. มีความรูในการประยุกตวงจรอิเล็กทรอนิกสเพ่ือควบคุมเครื่องใชไฟฟาภายในบาน 3. ไดรับความสะดวกในการใชชีวิตประจําวัน

ขอบเขตของโครงงาน สวิตซ ปด-เปด อัตโนมัติ ตรวจสอบโดยแสงอินฟาเรด ทํางานโดยการใชแสงอินฟาเรด ซึ่งใชการตรวจจับวัตถุตัดแสง มีผลใหวงจรทํางานโดยชุดหนวงเวลา และ ชุดควบคุมอุปกรณไฟฟาทํางาน ซึ่งก็คือหลอดไฟในหองนํ้า วงรจะทํางานอีกคร้ังเมื่อมีวัตถุตัดแสงอีกครั้ง โดยจะหนวงเวลาใหหลอดไฟทํางานไปอีกระยะหนึ่ง ถาหากยังไมมีวัตถุมาตัดแสงอีก หลอดไฟก็จะดับ น่ันคือใชไมตองกดสวิตซไฟ เพียงแตเดินผานเทานั้น วงจรก็จะควบคุมหลอดไฟ ใหอัตโนมัติ

บทที่ 2

การคนพบรังสีอินฟราเรด

ในป ค.ศ. ๑๘๐๐ ขณะท่ี เฮอเชล กําลังติดตามศกึษาดวงอาทิตยอยู ในกลองดูดาว ตองมีการใชเลนสกรองแสง ซึ่งทําเปนสีตางๆ เฮอเชล ตองการทราบวา ในเลนสแตละสี จะเปลีย่นคาแสดงความรอนของดวงอาทิตยหรือไม ทานจึงประดิษฐอุปกรณการทดลองอยางงายๆ เพ่ือหาคําตอบ ซึ่งนับเปนวิธีทดลองท่ีหลักแหลมเปนอยางมากทานใชปริซึมแยกแสง แลวใหแสงตางๆมาตกท่ีเทอรโมมิเตอร ซึ่งทาสีดําทีก่ะเปาะ เพ่ือใหดูดความรอนดียิ่งข้ึน ความท่ีเปนนักวิทยาศาสตรท่ีละเอียดถี่ถวนเปนวิสัยประจําตัว ทานก็ต้ังเทอรโมมเิตอรตัวหน่ึงนอกเหนือจากแสงสีตางๆน้ัน เพ่ือเปนตัวควบคุมการทดลอง ปรากฏวา แสงสีตาง มีอณุหภูมิสูงกวาแสงสขีาว และอุณหภูมสิูงข้ึนจาก สีมวง ไปหาสแีดง เฮอเชล จึงเกิดความอยากรูข้ึนมา แลววัดแถบเหนือแสงสแีดงข้ึนไปที่ไมปรากฏมีสีอะไร ดูเหมือนแสงอาทิตยธรรมดาเทาน้ันเอง แต เฮอเชล ก็ประหลาดใจเปนอยางยิ่ง เม่ือปรากฏวา เทอรโมมิเตอร ตัวที่อยูนอกเหนือจากแสงสแีดงน้ัน กลับวัดไดอณุหภูมสิูงกวาทุกตัวเฮอเชล จึงทําการทดลองตอไป ก็พบวา สวนของแสงท่ีมองไมเห็นแตรอนกวาสแีดงน้ี มีคุณสมบัติทางกายภาพเชนเดียวกับคลื่นแสงทีม่องเห็นไดทุกประการ เชน การหักเห ดูดซับ สองผานหรอืไมผานตัวกลาง ฯลฯ ในตอนแรก ทานเรียกแสงน้ีวา calorific rays ซึ่งกเ็ชนเดิมท่ีการตั้งชือ่ของทานไมคอยจะเปนที่ถูกใจใครเทาไรนัก รังสีท่ีถกูคนพบใหมน้ี กถ็ูกเปลี่ยนชือ่ไปเปน รังสอีินฟราเรด ท่ีเรารูจักกันมาทุกวันน้ี

infrared ray เปนแสงท่ีมีความยาวคลืน่ท่ีตํ่ากวาแสงขาว ( Visible Light )ซึ่งเปนแสงท่ีมนุษยสามารถมองเห็นได แสงอนิฟราเรดถกูคนพบโดย Sir Frederic William Herschel ( 1738-1822)Gเมื่อป ค.ศ.1800โดยขณะทําการทดลองเร่ือง แถบสีตางๆใน Spectrum แสงแดดวาแตละแถบสีมีคุณสมบัติอยางไร การทดลองโดยใชเทอรโมมิเตอรวัดอณุหภูมิของแตละลําแสง โดยเร่ิมวัดจากแสงสีมวงไปเร่ือยๆ คร้ันพอเลื่อนเทอรโมมิตอรมาจนถึงแถบสแีดง ปรากฏวาเทอรโมมเิตอรวัดอุณหภูมิไดสูงข้ึนทันที หลังจากไดวัดความรอนในแถบสแีดงแลวเขาบังเอิญทําเทอรโมมเิตอรเขยิบออกไปจากแสงสแีดงเลก็นอย ทําใหอณุหภูมิสูงกวาเดิม ซึ่งทําใหเขาคิดวาตองมีแสงอกีชนิดหน่ึงท่ีมองไมเห็น และลําแสงน้ีก็ทําใหเกิดความรอนได ซึง่การท่ีจะทําใหเกดิความรอนไดเม่ือไปสองกระทบกับวัตถุ และปริมาณความรอนจะมากหรอืนอยขึ้นอยูกับคุณลักษณะของสารนั้นๆ

บทท่ี 3 วิธีการดําเนินงาน

ลําดบัขั้นการคนหาวงจร 1.ภาครับ ชุดโครงงานนี้ สวนท่ีมีความสําคญั คือ ชุดรับแสงอินฟาเรด เพราะยังไมทราบวาจะใชตัวอะไรมารับแสงอินฟาเรดได สวนตัวสงแสงคาดวาจะใชรีโมทได จากเครือ่งรับโทรทัศนระบบรีโมทคอนโทรล ไดไดความคิดท่ีจะศึกษาดูวาใชตัวอะไรเปนตัวรับแสงน้ี จึงไดแกะดูภายในเครือ่งเปนกลองโลหะเล็กๆ สงสัยวาเปนตัวรับแสงแนเพราะวางอยูดานหนาเคร่ือง มีวัตถคุลายเลนสติดอยูดวย ผมจึงแกะออกมาใสวงจรแลวมีขาใชงานท้ังหมด 3 ขามฃ คือ 1.ไฟลี้ยงขนาด 5 V เอามเิตอรมาวัดไฟท่ีขาออกไดปกติ 5v พอกดรีโมทแลววัดได 4v และเข็มมิเตอณสั่นเล็กนอย แสดงวามีไฟกระแสสลับออกมาดวย ผมจึงไปคนหาวงจรท่ีสามารถเพ่ิมแรงดนัใหสูงจ้ึนไดประมาณ 9-12 v และแปลงใหเปนไฟกระแสตรงดวย ทดลองทําไปเรือ่ยจนไดเปนวงจรดังรูป

รูปที่ 1 วงจรภาครับอินฟราเรด

หลักการทํางาน จากรูปท่ี 1 เปนตัวรับแสงอนิฟาเรดใชไฟเลีย้ง 5v จึงตองใช ZD1 และ R1 ทําหนาท่ีลดไฟ

เปน +5v คงท่ีและ C1-C3 ทําหนาท่ีชวยลดสัญญาณรบกวนหรือไฟกระเพ่ือม เม่ือกดสวิตซรีโมทก็จะมีสัญญาณพัลลออกมาท่ี out ของ IC1 แตมีระดับแรงดันไมสูงเพียงพอและเปนไฟกระแสสลับ จึงตองมี C4,D1,D2,C5 จัดเปนวงจรทวีแรงดันสองเทาและเปลีย่นเปนไฟกระแสตรง จากนั้นไฟทไดกผ็าน R2 เขาท่ีขา B ของ Q1 ขยายกระแสใหสูงขึ้น สามารถขับหลอด LED1 ใหสวางได และกนํ็าเอาไฟท่ีครอมขา C ของ Q1 ไปใชขับภาคตอไป เหตุที่ตอแบบน้ีเพ่ือกําหนดให LED1 ก็ดันและไฟท่ีขาออกก็จะมีคาระดับสูง เน่ืองจาก Q1 ไมนํากระแสน่ันเอง

ภาคสง ตอไปกเ็ปนวงจรภาคสง ซึ่งเดิมทีคิดวาจะใชเปนรีโมทเปนตัวสง แ ตเทาท่ีลองใชดูมีปญหา คือ เม่ือมีวัตถผุานแสงกไ็มมีผลใดๆ คดิวาความแรงของแสงมีมากจึงใชไมได ดวยหตผุลน้ีจึงตองเรามหาวงจรสงแสงอินฟาเรด LED1 ก็ดับ แมวาวัตถุนัน้จะเร็วเพียงใดก็ตาม ในขณะเดียวกนัท่ีขาออกก็มีระดับสูงพอกอนสงไปยังภาคหารสองตอไป หลักการทํางาน ดังรูปที่ 2 วงจรนสงแสงอินฟราเรดท่ีใช IC2 ทําหนาทีผ่ลติความถี่รูปสีเ่หลี่ยม หรือวงจรอะเสตเบิลมัลติไวเบรเตอร มีคาความถี่ประมาณ 600 Hz ซี่งมีคาใกลเคียงความาพ่ีของรีโมทท่ัวไปคาความถี่ท่ีไดขึน้อยูกับคา R4,R5,C6 หาจากสูตร คือ F = 1.44/((R4+2R5)C8) และชวงเวลาท่ี LED2 ติดประมาณ 0.7 mS ตอไซเคิล มาจากสูตร T2 = RC สวน C6,C7,C9 ทําหนาท่ี ตัวชวยใหวงจรมีเสถยีรภาพมากขึ้น

รูปท่ี 2 วงจรภาคสง

ภาคหาร 2 ในภาคน้ีเปนระบบการทํางานของวงจรดิจิตอลท่ีมีหลกัการงายๆ คือ ในครั้งแรกมีสัญญาณเขาระดับสูงหรือเทียบเปนลอจิก High ทางขาออกของวงจรมีลอจิกทันทีและคางไวจนกวามีสัญญาณเขามาอีกครั้ง ระดับลอกจิกก็จะลดลงเปนระดับเดิมในตอนแรกคือระดับคา หรอื ลอจิก LOW คงมีคําถามวามันจะหารสองอยางไร หรือ ต้ังชื่อใหมันเทๆ ท่ีวาหารสอง เขานับเอาสัญญาณเขาท้ังสองระดับ ทั้งชวงไฟสูง และไมมีไห อานแลวยังวว ดูรูปแสดงผังการทํางานดังรูปท่ี 3 จากแนวความคิดน้ีจึงไดวงจรท่ีทํางานตามแบบไดดังรูปท่ี 4 วงจรน้ีทําหนาที่เปน ไอซีหารสอง จากท่ีทดลองวจจรน้ีทํางานไดดี เม่ือเดินผานหลอด LED3 ก็จะติด เม่ือเดินกลับมาอีกคร้ังหลอด LED3 ก็จะดับ แสดงวาใชไดคร้ัง

รูปท่ี 3 ภาพแสดงการทํางาน สัญญาณเขาและออกของภาคหาร 2

รูปท่ี 4 วงจรภาคหาร 2

หลักการทํางาน ในรูปท่ี 3 ภาคหารสองท่ีประกอบดวยวงจรภายในอีก 2 สวน คือ 1.สวนโมโนสเตเบิลมัลติไวเบเตอร เม่ือสัญญาณลอจิก 1 เขามาทางขา 11 ก็จะทําใหขา 13 เกดิเปนสัญญาณลอจิก 1 มีชวงระยะเวลาหนึ่ง แลวกก็ลับเปนลอจิก 0 อกีคร้ังหน่ึง หรอืเทียบไดกับวา เม่ือมกีารกระตุนครั้งหน่ึงก็จะใหสัญญาณออกไปลูกหน่ึง มีชวงเวลา 0.7 วินาที โดยมี R9,C13 เปนตัวกําหนดคาเวลาน้ีซึ่งไดจากคํานวนสตูร คอื T = 0.7 RC วงจรน้ีมีไวเพ่ือแกปยหาในกรณีท่ีเดินผานแสงแลว แตมือของเราดันแกวงผานอีก ทําใหเครือ่งเขาใจผิดวาเปนการเดนิออกจึงสั่งใหปดเคร่ืองใชไฟฟาได เมือ่ใสวงจรน้ีเครือ่งจะรับรูเพียงตอนรางกายผานแสงครั้งแรกเทาน้ัน สวนการผานแสงท่ีต่าํกวา 0.7 วินาที เครือ่งก็จะไมทํางานแตอยางใด 2. สวน D ฟลิปฟลอบ ในท่ีน้ีจัดตอเปนวงจรหารสอง เม่ือมีลอจิก 1 มากระตุนท่ีขา 3 ครั้งหนึ่งก็จะมีระดับลอจิกเปลี่ยนสําหรับ C10,R8 ตอไวเปนการรเีซ็ดวงจรในตอนทีเ่ปดเครือ่งในครั้งแรก ใหขาออกเปนลอจิก 0 เสมอ สวนอุปกรณอื่นๆ คือ C11,C12,D3,R7 ทําหนาท่ีชวยใหวงจรมีเสถียรภาพข้ึน

รูปท่ี 5 วงจรหนวงเวลาอยางงายๆ

ภาคหนวงเวลาปด จากหลักการของวงจรหนวงเวลาอยางงายๆ ดังรูปท่ี 5 เมือ่เรากดสวิตซ ก็จะมีไฟอกท่ีเอาตพุต ตอมาเม่ือปลอยสวิตซแรงดันไฟฟาท่ีเอาตพุตก็ยังคงมีอยูชวงระยะเวลาหน่ึง เน่ืองจากมตัีวเก็บประจุ C1 เปนตัวคอยเก็บไฟไวในตอนท่ีเรากดสวิตซและปลอยออกมาในตอนท่ีเราปลอยสวิตซ สําหรับเวลาชา-เร็วในการเก็บไฟไวน้ันข้ึนอยูกับคา Ct และ Rt หากมีคามากก็จะนานในทางกลับกันคนอยก็จะเร็ว ซึ่งพอสรุปไดเปนสูตรคือ T = 0.7CtRt นอกจากน้ียังข้ึนอยูคาความตานทานของโหลดท่ีนํามาตอยงัเอาตพุตดวย ดวยหลักพ้ืนฐานน้ี จึงไดดัดแปลงวงจรดังรูปท่ี 6 จะเห็นไดวาใช IC4 ทําหนาที่เหมือนสวิตซอเิลก็ทรอนิกส และยังใช IC5 ตอเปนวงจรกันชน ในขา 6,13 ของ IC4 เปนขาควบคุมแทนการกดสวิตซื เม้ือมรีะดับลอจิก 1 ทําใหไฟไหลผานแยกเปน 2 ทาง มายัง IC4a และ IC4d เกิดเปนสัญญาณท่ีดีทําใหเกิดลอจิกเปน 1 ท่ีขาออก 41 และขาออก 2 จึงเปนผลให LED4,LED5 ติดสวางบงบอกการทํางานเครือ่งใชไฟฟาท้ัง 2 ชุดได แตเม่ือระดับสัญญาณท่ีขาเขาม่ีลอจิกเปน 0 สวิตซอเิลก็ทรอนิกสท่ีจะไมตอไฟก็ไมใหไหลผาน IC4 ไดอกี แตเอาตพุตก็ยังคงม่ีไฟอยูระยะหน่ึง หลอดไฟ LED4,LED5 ก็ยังคงตดิสวางเพราะไฟท่ีเก็บประจุไวใน C16,C17 ก็ยังคงมีอยูตามหลกัการวงจรที่แลว สําหรับ IC5 เปนไอซแีนนดเกตท่ีตอเปนวงจรบัฟเฟอรทําหนาท่ีเหมือนกันชน แทนท่ีตอกับขาออกโดยตรง จึงมผีลใหชวงเวลามีไฟนานข้ึน เพราะท่ีขาอนิพุตของไอซีน้ีมีคาความตานทานมาก จึงไมมีผลกดคาความจุของตัวเก็บประจุ เวลาจึงมีคาปกติไมนอยเกินไป สําหรับการหนวงเวลาท่ีขาออก 1 ประมาณ 1.30 วินาท และขาออกประมาณ 2.40 นาที

รูปที่ 6 ภาคหนวงเวลาปด

ภาคจายไฟ วงจรท้ังหมดท่ีไดทดลองผานมาผมใชไฟเลี้ยงขนาด 9v จากแบตเตอรี่ ซึ่งไมคอยสะดวกนักหากสรางใชงานจริง จึงสรางเปนวงจรจายไฟ โดยนําไฟบาน 220v น้ีแปลงใหเปนไฟ 9v ใชไดผลดเีชนเดียวกับไฟจากแบตเตอรี่ ดังรุปที่ 8 ดูวงจรแอลวก็เปนวงจรงายๆ คงเคยใชกันมาแลว มีหลักการงายๆ ใชหมอแปลง T1 ลดไฟลดเหลือ 9v แลวแปลงใหเปนไฟกระแสตรง โดยมี D4,D5,C18,C19 จัดเปนวงจรเรียงกระแสแบบเต็มคลืน่ ไดเปนแรงดันไฟตรงประมาณ 12v จากนั้นกผ็าน C6,ZD1,D1,R21,C20,C21,C22 จัดเปนวงจรรักษาระดับแรงดันคงท่ี 9v ซึ่งไดไฟตรงท่ึมีความบริสุทธข้ึน พรอมท่ีจะจายไฟสูภาคตางๆ ท่ีผทานมา และม่ี LED6 เปนตัวแสดงผลการทํางานของวงจร

รูปท่ี 8 วงจรภาคจายไฟ

ลายวงจรท่ีใชทําสวิตซ ปด-เปด อัตโนมัติ ตรวจสอบโดยแสงอินฟราเรด

รูปท่ี 9 การวางตําแหนงอุปกรณ และลายพร้ินตของภาครับ

รูปที่ 10 การวางตําแหนงอุปกรณ และลายพร้ินตของภาคสง

.

รูปท่ี 11 การวางตําแหนงอุปกรณ และลายพร้ินตของภาคหนวงเวลาปด

รูปท่ี 11 การวางตําแหนงของอุปกรณ และลายพร้ินตภาคหาร 2