ИК-барьер: датчик пересечения луча

Счётчик посетителей на входе в мою мастерскую прожил на PIR-датчике четыре дня. Потом он начал считать куртку на вешалке, собаку соседа и мою же руку, которой я здоровался с другом через порог. За выходные счётчик наскрёб восемнадцать человек при двух реально вошедших. Я убрал PIR и собрал то, что стоит в турникетах и на входах магазинов: передатчик и приёмник друг напротив друга, между ними невидимый луч. Пересёк — единица. Не пересёк — ноль. Никаких догадок о том, что происходит в комнате, только факт пересечения линии.

Но у луча тоже свой характер. Через неделю счётчик сошёл с ума в десять тридцать утра: солнце переехало на юго-восточное окно, ударило прямо в приёмник, и он начал прибавлять посетителей по три-четыре в минуту. Для фоторезистора не было разницы между светом ИК-диода и светом солнца — та же освещённость, те же единицы на входе. Тема урока — барьер, которому такое не страшно: с порогом, подобранным замером, с гистерезисом и с пониманием, почему полдень для него особое время суток.

Разберём две схемы барьера — прямой и отражённый, соберём счётчик с защитой от повторных срабатываний на millis, которым мы уже приручали маячок в уроке про millis вместо delay, и в симуляторе покрутим порог потенциометром ровно так же, как я крутил подстроечником на реальной макетке. Охранная версия с зуммером выйдет из той же схемы заменой одной ветки.

Прямой барьер — классика. ИК-светодиод светит постоянно, напротив него на другом краю прохода стоит фототранзистор или фоторезистор: луч долетает — приёмник видит свет, человек прошёл — свет оборвался. С тёмной трубкой-экраном на приёмнике у меня пара жила на полутора метрах, без экрана — метр, и то если диод питается через резистор 150 Ом. Ярче не стоит: в непрерывном режиме ИК-диод греется заметно сильнее, чем в пульте, где он мигает пачками по миллисекунде. Аргумент в пользу самодельной пары — цена: диод, транзистор и два резистора стоят копейки, сломать их я не умею, а замена — дело минуты.

Отражённый барьер — тот же диод и приёмник, но рядом, смотрят в одну сторону: луч отражается от руки, корпуса, человека и возвращается. Дальность честная — 5-30 сантиметров, зато не нужен второй конец прохода. Так устроены датчики линии для роботов на паре TCRT5000 и краны в общественных туалетах. Готовые модули тоже годятся: щелевой фотопрерыватель KY-010 — деталька с зазором в пару сантиметров, идеальная для бумажки в принтере или створки шкафа; модули на компараторе LM393 с фоторезистором дают готовый цифровой выход и подстроечник под порог. Подстроечник заменяет всю калибровку из скетча: покрутил — и порог стоит. Правда, гистерезиса внутри модуля нет, и дребезг на границе остаётся вашим личным делом — тот же одиночный порог, только завёрнутый в компаратор.

Оговорка, на которой я сам спотыкался: барьер — это не пульт. Пульт шлёт модулированный сигнал на несущей 38 кГц — мы разобрали, как устроен инфракрасный сигнал; барьеру модуляция не обязательна, приёмник здесь простой — фототранзистор или фоторезистор, которым всё равно, мигает свет или горит. А вот приёмник пульта VS1838B для барьера с непрерывным лучом не годится: он заточен под пачки несущей и отфильтрует постоянное свечение как фон. Деталь под задачу — половина успеха; три ноги приёмника и подтяжку мы разбирали в уроке про VS1838B.

Главное слово в скетче — гистерезис. Аналоговый вход в момент пересечения не прыгает с 850 на 420: свет отражается от руки, значения ходят туда-сюда на десятки единиц, и один жёсткий порог превратил бы одно пересечение в серию из пяти-шести. Два порога лечат это бесплатно: помечаем «перекрыто» ниже 580, а «свободен» — только выше 700. Между ними скетч ничего не решает, он помнит, каким было предыдущее состояние, — первый шаг к автоматам, на которых построен, например, светофор с режимами.

Второе — дискретизация. Опрашивать вход можно на каждом проходе loop, но решение о пересечении стоит принимать не чаще, чем раз в 20-30 миллисекунд. Числа с условием: рука, движущаяся со скоростью полметра в секунду, висит в зоне луча шириной сантиметр те же 20 миллисекунд — опрос реже рискует пропустить короткое движение, чаще просто тратит внимание скетча. Таймер на millis стоит две строки и не съедает остальную логику.

Порог подбирается замером, а не на глаз. Мой протокол калибровки: днём при свободном луче фоторезистор показывал 850-900, при перекрытом — 420-450; порог взял посередине, 640, а зазор задал в 60 — десятая часть размаха. Меньше десяти процентов размаха не беру: у медленно плывущего света — облако за окном, включённая лампа — значения дрейфуют, и узкий зазор снова выдаёт серию срабатываний там, где человек прошёл один. Порог пересчитываю дважды в год: зимой яркая лампа на столе, летом солнце ниже — и середина между светло и тень уезжает на десятки единиц.

Один барьер считает события. Чтобы различить вход и выход, ставят два барьера со сдвигом 15-20 сантиметров поперёк прохода: какой пересечён первым — туда и шли. Логика — два счётчика и сравнение порядка срабатываний, весь строительный набор у нас уже есть. Так устроены двухнаправленные счётчики посетителей, только вместо самодельных пар в них стоят сдвоенные модули в одном корпусе.

Высота установки — отдельная наука. Шлейф на высоте груди пересекают и взрослые, и дети, и собака — один проход даёт одно пересечение. Рука, помахавшая в луче туда-обратно, даст два события: для охраны это нормально, а счётчику оно врёт вдвое. Мой опыт: у двери шириной до метра счётчик жил честно, на широком проеме мастерской пришлось ставить лучи в шахматном порядке, иначе двое заходили плечом к плечу и считались как один.

Охранная версия проще счётчика: пересечение луча — событие тревожное, и скетч вместо прибавления единицы включает зуммер и реле. Реле берёт на себя лампу или камеру: модуль с оптопарой съедает с пина пару миллиампер и коммутирует свои 220 вольт — мы проходили подключение реле к нагрузке. Схема та же, меняется одна ветка, и барьер из счётчика превращается в первую линию шлейфа. В симуляторе ниже сирена повешена на зуммер, и работает она ровно так же, как на реальной макетке.

Барьер — самый честный датчик из всех, что я ставил: он не догадывается, он констатирует. Соберите пару на подоконнике и снимите таблицу значений для утра, вечера и включённой люстры — те же замеры пригодятся и для фотореле, и для ночника с автозапуском. Дальше по разделу — внутренняя кухня приёма: что происходит в прерывании, пока пульт шлёт кадр, и почему один скетч теряет команды, а второй нет. А счётчик со временем захочет помнить своё число после выключения питания — это пара строк в энергонезависимую память, мы делали счётчик включений ровно по такой схеме: та же переменная, та же забота о том, чтобы писать редко и по делу.