Датчики внешней освещенности и датчики приближения используются во многих современных электронных устройствах. В обзоре рассмотрены типы датчиков, их принцип работы и особенности.
Типы
Датчики внешней освещенности используются для регулировки яркости освещения, либо в качестве детекторов близко расположенных объектов. Сфера применения: автомобильные, промышленные и бытовые электронные устройства. Например, функция регулирования яркости часто используется в задней подсветке ЖК-дисплеев. Одним из ее назначений является обеспечение постоянного уровня контраста независимо от места работы (в помещении или на улице). Это удобно для пользователя и позволяет экономить заряд аккумулятора электронного устройства. В автомобиле за счет регулирования света достигается постоянный уровень освещенности панели приборов независимо от внешних условий (дневной свет, сумерки, движение в тоннеле).
Датчики внешней освещенности различаются по размеру, стоимости, типу выходного сигнала (аналоговый или цифровой, линейный или нет), уровню потребления, чувствительности и спектру выходного сигнала.
На сегодняшний день лучшие показатели таковы: чувствительность 0,015 лк, динамический диапазон 64 000 лк, потребление 65 мкА.
Цифровые датчики имеют более высокое быстродействие и гибкость. Их рекомендуется применять в автомобиле, т.к. интерфейс I2C обеспечивает минимальный шум, возможность объединять датчики в сеть и менять их конфигурацию.
Критерии выбора
Во-первых, необходимо определить требуемые спектральные характеристики. Так, солнечный свет имеет широкий спектр, и примерно половина составляющих находится в ИК-диапазоне. Лампы накаливания и галогенные лампы также обеспечивают высокий уровень ИК-излучения. Лампы дневного света и яркие светодиоды белого света имеют другой, более холодный спектр.
Спектральные характеристики света имеют большое значение, особенно если требуется согласовать спектр выходного сигнала электронного устройства со спектром восприятия глаза (см. рис. 1). Оптические датчики на основе КМОП реагируют больше на ИК-излучение (пиковая чувствительность на 880 нм), хотя имеют широкий спектр длин волн. Если не применять методы коррекции, то глаз будет воспринимать свет с короткими длинами волн ярче, чем он есть на самом деле.
Фотодиоды p-i-n (активные и пассивные) имеют широкий спектр выходного сигнала (от УФ до ИК), поэтому они подходят для большинства систем. Для приложений, в которых используется только видимый диапазон, необходимы специализированные датчики.
Рис. 1. Спектральные характеристики некоторых источников света
Датчики приближения
Принцип работы датчика приближения следующий. Инфракрасный светодиод испускает фотоны, которые отскакивают от препятствия и регистрируются датчиком. Расстояние до объекта пропорционально обнаруженному датчиком отраженному свету (см. рис. 2). Эти данные преобразуются в цифровую форму и передаются в микроконтроллер для дальнейшей обработки.
Датчики приближения могут реагировать на появление какого-либо объекта, его приближение или удаление. Например, в сотовых телефонах дисплей отключается, когда пользователь подносит аппарат к уху.
Рис. 2. Принцип работы датчика приближения
Инновации
Самые современные датчики имеют расширенный функционал. Например, подавление ИК-составляющей в спектре внешнего освещения во время измерения расстояния, что позволяет работать в условиях прямого солнечного света. Или подстройка под различные диапазоны чувствительности ко внешнему освещению (от 0,015 лк до 64000 лк).
Функция прерывания служит в качестве сигнальной или для мониторинга, например, для регистрации слишком яркого или слишком темного освещения (пользователь может сам установить пороговые значения).
Среди новых приложений можно отметить «кнопку прикосновения» в оптическом датчике осязания. Она заменяет 8 емкостных кнопок. Она может быть использована для прокрутки вверх-вниз, затемнения или управления громкостью.
В цифровом датчике приближения имеется оптическая система, содержащая источник ИК-сигнала и массив фотодиодов, аналоговая схема формирования сигнала, АЦП (см. рис. 3). Зарегистрированный оптический сигнал преобразуется в цифровые данные и обрабатывается в МК.
ИК-светодиод – важная часть оптической системы. Необходимо правильно выбрать его пиковую длину волны, интенсивность излучения, угол обзора, потребление, размер и другие параметры. Характеристики работы всего датчика в целом во многом определяются расположением ИК-светодиода, поэтому к этому вопросу необходимо отнестись внимательно.
Рис. 3. Структурная схема датчика приближения