Zaloguj się
Wszystkie
8 lipca 2025
35
Czujniki dymu to urządzenia elektroniczne, które wykrywają obecność cząstek dymu w powietrzu. Obok czujników jakości powietrza (VOC), które także są w stanie reagować na dym, na rynku są dostępne również specjalizowane moduły przeznaczone do tego celu.
Czujnik pyłu GP2Y1010AU0F
Czujnik zanieczyszczeń powietrza GP2Y1010AU0F firmy Sharp [1] wykrywa cząsteczki o średnicy powyżej 0,8 μm. Składa się z diody emitującej podczerwień (IRED) i fototranzystora, który wykrywa światło odbite od pyłu. Moduł szczególnie skutecznie wykrywa bardzo drobne cząstki, takie jak dym papierosowy. Czujnik charakteryzuje się relatywnie niskim poborem prądu, a napięcie na jego wyjściu jest liniowo skorelowane z wykrytym poziomem zanieczyszczeń. GP2Y1010AU0F znajduje zastosowanie w takich obszarach, jak systemy klimatyzacji oraz domowe stacje monitorujące jakość powietrza.
Parametry czujnika GP2Y1010AU0F [3]:
- wyjście analogowe o napięciu proporcjonalnym do zmierzonej gęstości pyłu,
- rozmiar wykrywanego pyłu: >0,8 μm,
- czułość: 0,5±0,15 V/(100 μg/m³),
- zakres pomiaru: 500 μg/m³,
- napięcie wyjściowe bez pyłu (Voc): 0/0,9/1,5 (min./typ./maks.),
- zakres napięcia wyjściowego (RL=4,7 kΩ): 3,4 V (min.),
- temperatura pracy: od –10 do 65°C,
- gotowość po włączeniu zasilania: <1 s,
- czas impulsu pomiarowego (diody LED) Pw: 0,32±0,02 ms,
- odstęp powtarzania impulsu T: 10±1 ms,
- prąd kluczowania diody LED: 10/20 mA (typ./maks.),
- pomiar po włączeniu diody LED Tp: 0,28 ms,
- napięcie zasilania: 5±0,5 V,
- pobór prądu: 11/20 mA (typ./maks.),
- czas życia: 5 lat (przy 50% spadku sygnału wyjściowego).
Światło z emitera (diody elektroluminescencyjnej) jest skupiane przez soczewkę i ograniczane za pomocą szczeliny. Układ soczewki i szczeliny jest także umieszczony przed detektorem światła (fotodiodą), aby odciąć światło zakłócające i wykryć skutecznie tylko odbicie światła od kurzu. Obszar, w którym te dwie osie optyczne się przecinają, jest obszarem detekcji czujnika. Napięcie wyjściowe – przy braku kurzu – jest określone w specyfikacji jako Voc. Dzieje się tak, ponieważ światło emitowane przez diodę LED odbija się od obudowy urządzenia, a część z niego dociera do detektora. Gdy we wnętrzu czujnika znajduje się kurz i/lub dym papierosowy, to detektor wykrywa światło odbite od cząstek. Prąd, proporcjonalny do ilości światła wykrytego przez detektor, jest wzmacniany i urządzenie generuje analogowy sygnał napięciowy na wyjściu impulsowym.
Potencjometr Rs do regulacji czułości jest ustawiany zgodnie ze specyfikacją przed firmę Sharp. Dlatego nie należy zmieniać jego ustawienia, ponieważ może ono być niezgodne ze specyfikacją.
Do wejścia zasilania V-LED należy dołączyć rezystor R1=150 Ω i za nim kondensator C1=220 μF. Są one wymagane do sterowania impulsowego diody LED. W sprzedaży dostępny jest adapter z tymi elementami i potrzebnymi złączami [4].
Czujnik wymaga impulsowego sterowania diodą LED. W dokumentacji do kluczowania zalecany jest tranzystor MOS [2]. Impulsy sterowania Pw = 0,32 s są powtarzane co T=10 ms. Pomiar napięcia wyjściowego powinien być wykonywany w czasie 0,28 ms po włączeniu diody LED.
Dostępny jest także moduł firmy Waveshare [5] z czujnikiem GP2Y1010AU0F oraz z wszystkimi potrzebnymi elementami zewnętrznymi. Do kluczowania zastosowano tranzystor NPN (100 MHz). Do zasilania czujnika wybrano przetwornicę podwyższającą DC/DC.
Czujnik GP2Y1010AU0F, przeznaczony jest do kontrolowania czystości powietrza i odznacza się bardzo dobrymi własnościami pod względem dokładności pomiaru, to w mocno zapylonym środowisku powstaje ryzyko zafałszowania pomiaru wskutek przylegania kurzu do powierzchni detekcyjnej czujnika. Jeśli na powierzchni pojawi się nadmiar kurzu, wówczas czujnik należy wyczyścić sprężonym powietrzem. Ponadto należy zadbać, aby czujnik nie został zabrudzony substancjami o lepkiej i oleistej konsystencji [1].
Odpowiedź czujnika może zostać zakłócona, gdy światło zewnętrzne przedostanie się przez otwór na kurz po stronie z napisami (tworzywowa część obudowy). Aby uniknąć wpływu światła zewnętrznego, trzeba umieścić tę stronę czujnika skierowaną do wnętrza urządzenia. Aby uniknąć wpływu przywierania kurzu do wnętrza modułu, należy zamontować czujnik w urządzeniu tak, aby wyjście złącza na czujniku było skierowane w dół. Instalacja filtra o grubych oczkach przed otworem na kurz jest skuteczna w wychwytywaniu dużych fragmentów kurzu.
Napięcie wyjściowe Vo czujnika jest sumą napięcia wyjściowego przy braku pyłu (Voc) i przyrostu napięcia proporcjonalnego do gęstości pyłu (ΔV).
Do prób został zastosowany czujnik GP2Y1010AU0F z dołączonym rezystorem 150 Ω i kondensatorem 220 μF. Do kluczowania wybrano tranzystor NMOS typu NDS355AN (1,7 A, 10 ns).
Trudnym problemem jest zrealizowanie stabilnego i czystego zasilania 5 V dla czujnika. Szczególnie jeśli jest dołączany do systemu 3,3 V z zasilaniem akumulatorowym. Wtedy do uzyskania napięcia 5 V z zasilania 3,5…4,2 V trzeba zastosować przetwornicę podwyższającą. Niestety zakłócenia szpilkowe napięcia wyjściowego, spowodowane przełączaniem wewnętrznym przetwornicy, mogą być bardzo trudne do usunięcia. Zastosowanie tanich, popularnych płytek przetwornic (chińskich) daje typowo duże zakłócenia wyjściowe (nawet 0,5...1,5 V) oraz duże, wsteczne zakłócenia, wnoszone do źródła zasilania. Dodatkowym istotnym problemem jest często bardzo duży prąd rozruchowy (po włączeniu zasilania), nawet powyżej 1 A (bez obciążenia).
Zastosowanie droższych płytek dobrych producentów poprawia sytuację. Jednak dalej trzeba usuwać szpilki. Rozwiązaniem jest zastosowanie na wyjściu układu LDO o dużym współczynniku tłumienia PSRR w szerokim paśmie. Do badań został zastosowany układ LT3045 firmy Analog Devices (PSRR 76 dB przy 1 MHz). Dodatkowo na wyjściu umieszczono filtr zasilania BNX029-01 firmy Murata (tłumienie min. 35 dB w paśmie od 15 kHz do 1 GHz).
Do prób wybrano płytkę z przetwornicą MP3424A firmy Monolithic Power Systems (580 kHz, 3,1 A) z dołączoną na wyjściu płytką LT3045 (LDO 5 V) i następnie z filtrem BNX029. Tor jest zasilany z zasilacza laboratoryjnego (3,7 V, 473 mA). Takie same rezultaty zostały uzyskane przy zasilaniu z jednego ogniwa LiPo (3,7 V). Kanał 1 to wyjście MP3424 (5,63 V), kanał 2 – wyjście BNX029 (4,97 V, obciążenie ok. 320 mA), kanał 3 – wyjście analogowe czujnika. Zakłócenia szpilkowe zniknęły i pozostał szum biały (łatwy do odfiltrowania z zastosowaniem uśredniania). Pomiary zostały wykonane oscyloskopem DSO-X 3024A o paśmie 350 MHz, współpracującym z sondami 700 MHz [9].
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
