Este post es parte de la serie “Circuitos de entrada/salida para microcontroladores y sistemas digitales”. En esta entrada hablaremos un poco sobre la detección de obstáculos y presencia utilizando un sensor infrarrojo, del tipo usado en sistemas de control remoto de televisiones. El sensor que utilizaremos es un PNA4602 de Panasonic (o en su defecto un TSOP4038 de Vishay), que algún tiempo atrás se utilizó mucho para esta aplicación sobre todo en robots, pero que hoy en día es algo difícil de conseguir, ya que esta descontinuado. La realidad es que estos sensores no están diseñados para aplicarse en la detección de objetos, pero su precio y disponibilidad los hacen una excelente opción para esta tarea.

Las aplicaciones de este circuito se extienden desde la siempre novedosa area de la robótica hasta cosas más cotidianas como los grifos y lavabos automáticos, despachadores automáticos, exposiciones interactivas en museos, alarmas, decoración interactiva y un gran abanico de posibilidades.

 

Funcionamiento del detector

En esta entrada nos referiremos a como detectar obstaculos con el sensor infrarojo y un arduino, agregando cierto grado de inteligencia con el microcontrolador. Sin embargo, es posible sustituir el Arduino por cualquier otro circuito digital, ya que la mayor parte de la detección es realizada por medio del sensor IR.

Estructura interna del TSOP4038. El integrado contiene la electrónica para separar una señal infrarroja modulada a 38 Khz y presentar un pulso alto cuando detecta dicha señal.

El detector de obstáculos se basa en el principio de reflexión de la luz infrarroja emitida por nuestro circuito. Para diferencias la luz emitida por otras fuentes de la que esta emitiendo nuestro robot, prototipo, proyecto, etc. Utilizaremos una frecuencia característica que le permitirá al receptor diferenciar entre la señal de interés y las otras fuentes de radiación infrarroja.

  • El primer paso que debemos lograr es emitir una secuencia de pulsos a través de nuestro emisor de infrarrojo LED. Si queremos tener el microcontrolador libre para otras tareas, es recomendable que utilizemos un timer (temporizador) del microcontrolador para generar los pulsos. En el caso del PNA4602 la frecuencia de detección de portadora es de 38 Khz, es decir que el circuito será sensible solamente a luz que “parpadea” a 38 Khz.
  • En segundo lugar, el sensor PNA4602 cambiará de estado su pin de salida cuando detecte luz infrarroja modulada a la frecuencia de interés. Debemos monitorear el PIN de salida del PNA4602 para saber cuando ha habido una reflexión de la luz infrarroja sobre alguna superficie.
  • El arduino o cualquier otro microcontrolador, puede desempeñar varias tareas para aumentar la fiabilidad de la detección. Por ejemplo, nosotros hemos realizado software que monitorea el estado del pin de salida del microcontrolador y detecta el estado en el que se encuentra la mayoría del tiempo.
Circuito para la detección de obstaculos y presencia basado en un microcontrolador y sensor infrarrojo.

Circuito para la detección de obstaculos y presencia basado en un microcontrolador y sensor infrarrojo.

Abundaremos más en este último punto, ya que es el que hace interesante realizar esta tarea con un microcontrolador. Cuando la luz infrarroja es suficiente, el receptor PNA4602 mantendrá un estado alto sólido, sin embargo, a medida que el objeto detectado se aleja, el pin de salida del receptor IR puede variar entre los estados 1 y 0 de manera indefinida. Para construir una solución más robusta, hemos implementado un algoritmo que toma muestras del estado del pin de salida y verifica cual es el estado lógico mayoritario en dichas muestras. En la siguiente imágen podemos observar la salida del sensor cuando recién comienza a detectar un objeto que refleja la luz infrarroja.

Estructura física del y uso del detector

Un aspecto interesante al utilizar el PNA4602 o el TSOP4038 como detectores de presencia y proximidad por reflexión es que el emisor de luz infrarroja debe aislarse perfectamente del receptor, de manera que la luz que emite el LED solo pueda ser percibida por el receptor cuando situamos un elemento reflectivo en el camino de la luz. Sin embargo, hay que recordar que agunos plásticos oscuros que son opacos para la luz visible pueden no serlo para la luz infrarroja, por lo que en caso de observar falsas detecciones en nuestro circuito siempre hay que considerar la posibilidad de que alguna parte de la luz emitida por el led este siendo captada directamente por el sensor debido a que exista una falla de aislamiento.

Para la estructura del sensor, preferimos utilizar partes de metal, aunque en la fase de pruebas podemos utilizar cinta de aislar. Podemos ayudarnos de una camara digital o celular que nos permitirán ver la luz infrarroja y las posibles fallas que podamos tener debido a la luz que es captada directamente por el sensor. En cuanto al uso de esta configuración en luz del sol, hemos notado que su sensibilidad disminuye notablemente, como el sol es una fuente de radiación infrarroja bastante considerable, las afectaciones al circuito pueden variar en gran medida, haciendolo incluso totalmente inviable.

 Sustituyendo el Sensor PNA4602 por el TSOP4038

Como llevamos mencionando desde el principio de este artículo, el sensor PNA4602 ya esta descontinuado, sin embargo, existen gran variedad de sensores infrarrojos. Otro de los que hemos probado es el TSOP4038, que da buenos resultados y es también un poco más sensible que el PNA4602. Además de terner otras ventajas sobre el PNA4602, como un margen de alimentación más amplio. Estos sensores pueden ser reemplazados por cualquier otro sensor que tenga la capacidad de detectar la frecuencia de portadora de manera constante (hay modelos que solamente pueden detectar pulsos).

Otras sugerencias.

  • Si tenemos problemas en la detección o se quiere experimentar, podemos siempre variar la resistencia limitadora de corriente del led Infrarrojo, respetando siempre los valores máximos de corriente para este ultimo y el pin del microcontrolador.
  • Las distancias que hemos logrado para detectar objetos con el TSOP4038 son del orden de 30 a 50 cm dependiendo de las características del objeto a a detectar con 5 mA en el led emisor de infrarrojo.

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