บทที่ 2
เอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้อง
ในการจัดทำโครงการเรื่อง เครื่องตรวจจับและแจ้งเตือนแก๊สไวไฟรั่วไหล คณะผู้จัดทำได้ศึกษาเอกสารและงานวิจัยที่เกี่ยวข้องแนะนำเสนอตามลำดับต่อไปนี้
๒.๑ เซ็นเซอร์ (Sensor)
๒.๒ ต้วต้านทาน (Resistor)
๒.๓ LCD Display
๒.๔ ไมโครคอนโทรลเลอร์
๒.๕ บอร์ด Arduino
รายละเอียดดังนี้
๒.๑ เซ็นเซอร์ (Sensor)
ภาพประกอบที่ ๑ เซ็นเซอร์ (sensor)
ตัวรับรู้ หรือ เซ็นเซอร์ (อังกฤษ: sensor) เป็นวัตถุชนิดหนึ่งที่มีหน้าที่ตรวจจับเหตุการณ์หรือการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมของตัวมันเอง จากนั้นมันก็จะให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันออกมา ตัวรับรู้เป็นตัวแปรสัญญาณ (อังกฤษ: transducer) ชนิดหนึ่ง มันสามารถให้สัญญาณออกมาได้หลากหลายชนิด แต่โดยทั่วไปจะใช้สัญญาณไฟฟ้าหรือสัญญาณแสง ยกตัวอย่างเช่นคู่ควบความร้อน (อังกฤษ: thermocouple) จะแปลงค่าอุณหภูมิ(สิ่งแวดล้อม)ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน ในทำนองที่คล้ายกัน เทอร์มอมิเตอร์แบบปรอทในหลอดแก้วจะเปลี่ยนอุณหภูมิที่วัดได้ให้อยู่ในรูปการขยายตัวหรือการหดตัวของของเหลว ซึ่งสามารถอ่านได้บนหลอดแก้วที่ผ่านการสอบเทียบแล้ว ตัวรับรู้ทุกชนิดจะต้องผ่านการสอบเทียบ (อังกฤษ: calibrate) โดยเทียบกับค่ามาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับ
ตัวรับรู้ถูกใช้ในอุปกรณ์ประจำวัน เช่นปุ่มกดลิฟต์แบบไวต่อการสัมผัส(เซ็นเซอร์สัมผัส) และโคมไฟที่สลัวหรือสว่างขึ้นโดยการสัมผัสที่ฐาน นอกจากนี้ยังมีการใช้งานเซ็นเซอร์นับไม่ถ้วนที่คนส่วนใหญ่ไม่ได้รับรู้ ด้วยความก้าวหน้าทางเครื่องกลจุลภาคและแพลตฟอร์มไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ง่ายต่อการใช้งาน การใช้งานของตัวรับรู้ได้ขยายออกไปไกลเกินกว่าการวัดในสาขาอุณหภูมิ, ความดันหรือการไหลแบบเดิมส่วนมาก ยกตัวอย่างเช่น MARG (Magnetic, Angular Rate, and Gravity) sensors ยิ่งไปกว่านั้น ตัวรับรู้แบบแอนะล็อคเช่นโปเทนฉิโอมิเตอร์และตัวต้านทานที่ไวต่อแรงยังคงถูกใช้อยู่อย่างกว้างขวาง การใช้งานจะรวมถึงการผลิตและเครื่องจักร, เครื่องบินและยานอวกาศ, รถยนต์, เครื่องไฟฟ้า, การแพทย์, และหุ่นยนต์ มันยังรวมถึงในชีวิตประจำวัน
ความไวของตัวรับรู้หมายถึงว่าสัญญาณส่งออกของตัวรับรู้จะเปลี่ยนแปลงมากแค่ไหนเมื่อปริมาณของสัญญาณที่ป้อนเข้าเพื่อทำการวัดมีการเปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่นถ้าปรอทในเทอร์มอมิเตอร์เครื่องไหวไป 1 ซม. เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 องศาเซลเซียส ดังนั้นความไวจะมีค่าเป็น 1 เซนติเมตร/°C (สมมติว่าสโลป Dy/Dx มีลักษณะเป็นเชิงเส้น) ตัวรับรู้บางตัวยังอาจมีผลกระทบกับสิ่งที่มันวัด; เช่นเทอร์มอมิเตอร์ที่อุณหภูมิห้องถูกใส่ลงในถ้วยร้อนที่ใส่ของเหลว ความเย็นของเทอร์มอมิเตอร์จะทำให้ของเหลวเย็นลงในขณะที่ของเหลวทำให้เทอร์มอมิเตอร์ร้อนขึ้น ตัวรับรู้จำเป็นจะต้องมีการออกแบบเพื่อให้มีผลขนาดเล็กกับสิ่งที่ถูกวัด; การทำให้ตัวรับรู้มีขนาดเล็กลงมักจะปรับปรุงให้ดีขึ้นในเรื่องนี้และอาจทำให้เกิดข้อได้เปรียบอื่น ๆ [อ้างจำเป็น] ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีจะช่วยให้มีการสร้างตัวรับรู้อื่น ๆ มากขึ้นอีกมากมายในขนาดจุลภาคเช่นไมโครเซนเซอร์โดยใช้เทคโนโลยี MEMS (Microelectromechanical systems) ในหลายกรณีส่วนใหญ่ ไมโครเซนเซอร์จะมีความเร็วและความไวที่สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับกรรมวิธีแบบมหภาค
๒.๑.๒ การจำแนกประเภทของข้อผิดพลาดในการวัด
ตัวรับรู้ที่ดีต้องทำตามกฎต่อไปนี้
- มีความไวต่อคุณสมบัติที่จะวัด
- มีความไวต่อคุณสมบัติอื่นใด ๆที่อาจจะพบได้ในการประยุกต์ใช้ของมัน
- ไม่มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติที่จะวัด
ตัวรับรู้ในอุดมคติจะถูกออกแบบมาให้เป็นแบบเชิงเส้นหรือเป็นเส้นตรงกับบางฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายของการวัดซึ่งปกติเป็นค่าลอการิทึม เอาต์พุตของตัวรับรู้ดังกล่าวเป็นสัญญาณแอนะล็อคและเป็นสัดส่วนโดยตรงกับค่าหรือฟังก์ชันที่เรียบง่ายของคุณสมบัติที่ถูกวัด จากนั้น ความไวจะถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนระหว่างสัญญาณเอาต์พุตกับคุณสมบัติที่ถูกวัด ตัวอย่างเช่น ถ้าเซ็นเซอร์ตัวหนึ่งใช้วัดอุณหภูมิและมีเอาต์พุตเป็นแรงดันค่าหนึ่ง ความไวจะเป็นค่าคงที่มีหน่วยเป็นโวลต์/เคลวิน [V/K]; เซ็นเซอร์นี้ทำงานเป็นเชิงเส้นเพราะอัตราส่วนเป็นค่าคงที่ที่ทุกจุดของการวัด
สำหรับสัญญาณเซ็นเซอร์ที่เป็นแอนะล๊อคที่จะต้องถูกประมวล หรือถูกใช้ในอุปกรณ์ดิจิทัล มันจะต้องถูกแปลงให้เป็นสัญญาณดิจิทัลโดยใช้ตัวแปลงแอนะล๊อคเป็นดิจิตอล (อังกฤษ: analog-to-digital converter หรือ ADC)
๒.๑.๒ การเบี่ยงเบนของตัวรับรู้
ถ้าเซ็นเซอร์ไม่เป็นอุดมคติ การเบี่ยงเบนหลายประเภทสามารถถูกสังเกตได้ดังนี้:
- ความไวอาจแตกต่างในทางปฏิบัติจากค่าที่ระบุไว้ สิ่งนี้เรียกว่าข้อผิดพลาดของความไว
- เนื่องจากช่วงของสัญญาณเอาต์พุตจะถูกจำกัดเสมอ ดังนั้นในที่สุดสัญญาณเอาต์พุตก็จะตกลงถึงขั้นต่ำสุดหรือขึ้นสูงถึงขั้นสูงสุดเมื่อคุณสมบัติที่จะทำการวัดมีค่าเกินขีดจำกัด ช่วงเต็มสเกลจะกำหนดค่าสูงสุดและต่ำสุดของคุณสมบัติที่จะทำการวัด [citation needed]
- ถ้าสัญญาณเอาต์พุตไม่เป็นศูนย์เมื่อคุณสมบัติที่ถูกวัดเป็นศูนย์ ตัวรับรู้จะมีการชดเชยหรือไบอัส สิ่งนี้ถูกกำหนดว่าเป็นเอาต์พุตของตัวรับรู้ที่อินพุตเป็นศูนย์
- ถ้าความไวไม่คงที่ตลอดช่วงการทำงานของตัวรับรู้ สิ่งนี้เรียกว่าการไม่เป็นเชิงเส้น ปกติสิ่งนี้มักจะถูกกำหนดโดยปริมาณเอาต์พุตที่แตกต่างจากพฤติกรรมในอุดมคติตลอดช่วงที่เต็มสเกลของตัวรับรู้ มักจะหมายถึงเป็นร้อยละของจำนวนเต็มสเกล
- ถ้าค่าความเบี่ยงเบนเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของคุณสมบัติที่ถูกวัดตลอดช่วงเวลา มันจะมีข้อผิดพลาดแบบไดนามิก บ่อยครั้งที่พฤติกรรมนี้จะถูกอธิบายด้วยการพล็อตกร๊าฟที่เป็นลางแสดงให้เห็นข้อผิดพลาดที่มีความไวกับเฟสชิฟที่เป็นฟังชั่นของความถี่ของสัญญาณอินพุตที่เป็นระยะ ๆ
- ถ้าสัญญาณเอาต์พุตเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆเป็นอิสระจากคุณสมบัติที่ถูกวัด สิ่งนี้ถูกกำหนดให้เป็น 'ดริฟท์' (drift) ดริฟท์ระยะยาวมักจะบ่งบอกถึงการเสื่อมสมรรถภาพอย่างช้า ๆ ของคุณสมบัติของตัวรับรู้ตลอดช่วงเวลาอันยาวนาน
- เสียงรบกวนเป็นการเบี่ยงเบนแบบสุ่มของสัญญาณที่แปรตามเวลา
- hysteresis เป็นข้อผิดพลาดอันหนึ่งที่เกิดขึ้นโดยเมื่อคุณสมบัติที่ถูกวัดเปลี่ยนทิศทางเป็นตรงกันข้าม แต่มีความล่าช้าของเวลาที่แน่นอนบางอย่างสำหรับตัวรับรู้ที่จะตอบสนอง เป็นการสร้างข้อผิดพลาดในการชดเชยที่แตกต่างกันในทิศทางหนึ่งมากกว่าอีกทิศทางหนึ่ง
- ถ้าตัวรับรู้มีสัญญาณเอาต์พุตเป็นดิจิทัล เอาต์พุตจะเป็นค่าประมาณที่สำคัญของคุณสมบัติที่ถูกวัด ข้อผิดพลาดโดยประมาณจะถูกเรียกว่า ข้อผิดพลาดจากการแปลงเป็นค่าดิจิทัล (อังกฤษ: digitization error)
- ถ้าสัญญาณถูกตรวจสอบแบบดิจิทัล ข้อจำกัดของความถี่ที่ใช้เพื่อสุ่มตัวอย่างยังสามารถทำให้เกิดข้อผิดพลาดแบบไดนามิกด้วยเช่นกัน หรือถ้าเสียงรบกวนที่มีการแปรเปลี่ยนหรือมีการเพิ่มเข้ามาทำการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะที่ความถี่ที่ใกล้อัตราการสุ่มตัวอย่างหลายกลุ่มอาจก่อให้เกิดข้อผิดพลาดได้
- ตัวรับรู้อาจไวต่อคุณสมบัติอื่นบ้างไม่มากก็น้อยนอกเหนือจากคุณสมบัติที่กำลังถูกวัด ตัวอย่างเช่น ตัวรับรู้ส่วนใหญ่จะได้รับอิทธิพลจากอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมของพวกมัน
การเบี่ยงเบนทั้งหลายเหล่านี้สามารถแยกประเภทได้ว่าเป็นข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบหรือข้อผิดพลาดจากการสุ่ม ข้อผิดพลาดอย่างเป็นระบบบางครั้งอาจจะได้รับการชดเชยด้วยวิธีการบางอย่างของการสอบเทียบ เสียงรบกวนเป็นข้อผิดพลาดแบบสุ่มที่สามารถทำให้ลดลงได้โดยการประมวลผลสัญญาณ เช่นการกรอง ปกติจะอยู่ที่ค่าใช้จ่ายของพฤฒิกรรมแบบไดนามิกของตัวรับรู้
๒.๑.๒.๑ ความละเอียด
ความละเอียดของตัวรับรู้คือการเปลี่ยนแปลงที่เล็กที่สุดที่มันจะสามารถตรวจพบได้ในปริมาณที่มันกำลังวัด เช่นในจอแสดงผลแบบดิจิทัล ดิจิตหลักที่สำคัญน้อยที่สุดจะกระพริบ เป็นการแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของขนาดนั้นเท่านั้นที่จะถูกปรับละเอียด ความละเอียดจะเกี่ยวข้องกับความแม่นยำที่จะทำการวัด ตัวอย่างเช่นหัววัดอุโมงค์การสแกน (ปลายแหลมใกล้พื้นผิวใช้รวบรวมกระแสอุโมงค์อิเล็กตรอน) สามารถสร้างความละเอียดในการวัดอะตอมและโมเลกุล
๒.๑.๓ เซ็นเซอร์ในธรรมชาติ
ข้อมูลเพิ่มเติม: การรับรู้
อวัยวะของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดมีเซ็นเซอร์ทางชีวภาพที่มีหน้าที่คล้ายกับอุปกรณ์เชิงกลที่ได้อธิบายไว้ เหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นเซลล์พิเศษมีความไวต่อ
- แสง, การเคลื่อนไหว, อุณหภูมิ, สนามแม่เหล็ก, แรงโน้มถ่วง, ความชื้น, การสั่นสะเทือน, แรงดัน, สนามไฟฟ้า, เสียงและลักษณะทางกายภาพอื่น ๆของสภาพแวดล้อมภายนอก
- ลักษณะทางกายภาพของสภาพแวดล้อมภายในเช่นแรงยืด, การเคลื่อนไหวของอวัยวะ และตำแหน่งของอวัยวะที่ยื่นออกมาจากร่างกาย (การรับรู้การเคลื่อนไหวของอวัยวะ)
- โมเลกุลสิ่งแวดล้อมรวมทั้ง สารพิษ, สารอาหาร, และ ฟีโรโมน
- การประมาณค่าของการปฏิสัมพันธ์สารชีวโมเลกุลและบางพารามิเตอร์จลนศาสตร์
- สภาพแวดล้อมการเผาผลาญภายในเช่น ระดับน้ำตาล, ระดับออกซิเจน หรือ osmolality
- โมเลกุลสัญญาณภายในเช่น ฮอร์โมน, สารสื่อประสาท และ cytokines
- ความแตกต่างระหว่างโปรตีนของอวัยวะตัวเองและของสภาพแวดล้อมหรือสิ่งมีชีวิตต่างด้าว
๒.๑.๔ เซ็นเซอร์เคมี
เซ็นเซอร์เคมีเป็นอุปกรณ์การวิเคราะห์ตัวเองที่สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของ สภาพแวดล้อมที่เป็นของเหลวหรือก๊าซ ข้อมูลถูกจัดให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณ ทางกายภาพที่สามารถวัดได้ที่มีสหสัมพันธ์กับความเข้มข้นของสารเคมีชนิดหนึ่ง (เรียกว่าเป็นตัว วิเคราะห์) สองขั้นตอนหลักมีส่วนร่วมในการทำงานของเซ็นเซอร์ทางเคมีคือ การรับรู้ และการถ่ายเทกระแส ในขั้นตอนการรับรู้ โมเลกุลตัววิเคราะห์เลือกปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลหรือไซต์ของตัวรับที่รวมอยู่ในโครงสร้างขององค์ประกอบการรับรู้ของเซ็นเซอร์ ดังนั้นพารามิเตอร์คุณลักษณะทางกายภาพจะแปรเปลี่ยนและการแปรเลี่ยนนี้จะถูกรายงานโดยใช้วิธีการถ่ายเทกระแสแบบบูรณาการที่สร้างสัญญาณเอาต์พุต เซ็นเซอร์เคมีที่มีพื้นฐานจากวัสดุการรับรู้ของธรรมชาติทางชีวภาพเรียกว่าไบโอเซนเซอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อวัสดุสังเคราะห์ biomimetic กำลังจะแทนที่ บางส่วนของวัสดุ biomaterials เพื่อการรับรู้ ความแตกต่างที่คมชัดระหว่างไบโอเซนเซอร์และเซ็นเซอร์เคมีมาตรฐานคือ superfluous วัสดุ biomimetic ทั่วไปที่ถูกใช้ในการพัฒนาเซ็นเซอร์ เป็นโพลีเมอ และ aptamers ที่ถูกพิมพ์แบบโมเลกุล
๒.๑.๕ ไบโอเซ็นเซอร์
ใน biomedicine และเทคโนโลยีชีวภาพ เซ็นเซอร์ที่ตรวจพบตัววิเคราะห์, ต้องขอบคุณองค์ประกอบทางชีวภาพ เช่น เซลล์, โปรตีน, กรดนิวคลีอิค หรือ โพลีเมอ biomimetic, จะถูกเรียกว่า ไบโอเซนเซอร์ ในขณะที่เซ็นเซอร์ที่ไม่ใช่ชีวภาพ, แม้ว่าจะเป็นอินทรีย์(= เคมีคาร์บอน) สำหรับตัววิเคราะห์ทางชีวภาพจะถูกเรียกว่านาโนเซ็นเซอร์ (เช่น microcantilevers) คำศัพท์นี้ใช้สำหรับทั้งงานในหลอดทดลองและในสัตว์ทดลอง การห่อหุ้มขององค์ประกอบทางชีวภาพใน ไบโอเซนเซอร์นำเสนอปัญหาที่แตกต่างกันเล็กน้อยจากพวกที่อยู่ในเซ็นเซอร์สามัญ มันก็สามารถทำได้ทั้งโดยวิธีการของอุปสรรค semipermeable เช่นเยื่อฟอกไตหรือไฮโดรเจลหรือพอลิเมอแมทริกซ์ 3 มิติ ซึ่งเป็นทั้งกายภาพจำกัดแมคโครโมเลกุลที่มีความไวหรือทางเคมีจำกัดแมคโครโมเลกุลโดยการผูกมัดมันเข้ากับนั่งร้าน
๒.๑.๖ เซ็นเซอร์แก๊ส
เซนเซอร์ (Sensor)Gas Detector โดยทั่วไป ก็จะมีอยู่ 4 ประเภทหลัก ๆ ก็คือ
- Catalytic Sensor มีหลักการทำงานคือ เมื่อมีก๊าซผ่านเข้ามายังตัวเซ็นเซอร์ ก็จะส่งผลให้ค่าความต้านทานลัพธ์ในวงจรบริดจ์เกิดการไม่สมดุล และส่งสัญญาณเอาต์พุตออกมา ซึ่งเป็นค่าที่แปรผันแบบเป็นสัดส่วนกับค่าความหนาแน่นของก๊าซ เซ็นเซอร์ชนิดนี้มีข้อดี คือ ราคาไม่แพง มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน ง่ายต่อการออกแบบในการใช้งาน รวมถึงมีความทนทานสูงอีกด้วย ส่วนข้อเสีย คือ อาจมีผลกระทบที่เป็นพิษได้จากสารเร่งปฏิกิริยาที่ฉาบเคลือบที่ขดลวดไฟฟ้า เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซติดไฟได้ (Combustible Gases)
- Electrochemical Sensor มีหลักการทำงานคือ โครงสร้างที่อยู่ภายในอันประกอบไปด้วยสารอิเล็กโตรไลต์ จะทำปฏิกิริยากับก๊าซที่ผ่านเข้ามายังตัวเซนเซอร์ แต่ก็มีข้อจำกัดตรงที่ตรวจจับก๊าซได้เป็นบางชนิด เช่น คลอรีน คาร์บอนมอนอกไซด์ ไฮโดรเจนซัลไฟด์ และไฮโดรเจน เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซพิษที่ไม่ติดไฟ
- Infrared Sensor มีหลักการทำงานคือ ใช้อุปกรณ์ประเภทแสงทำหน้าที่ตรวจจับก๊าซ เซ็นเซอร์ชนิดนี้มีข้อดี คือ ไม่เกิดผลกระทบที่เป็นพิษจากสารเร่งปฏิกิริยาภายในตัวเซนเซอร์ ส่วนข้อเสีย คือ ลำแสงที่ใช้ในการตรวจจับก๊าซอาจถูกเบี่ยงเบนโดยสิ่งกีดขวางอื่น ๆ ได้ เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซติดไฟได้ (Combustible Gases)
- Solid State Sensor มีหลักการทำงานคือ เมื่อมีก๊าซผ่านเข้ามายังตัวเซนเซอร์ ก็จะมีโครงสร้างภายในที่ประกอบไปด้วยสารกึ่งตัวนำ คือ ดีบุกออกไซด์ (Tin Oxide) ซึ่งจะมีคุณสมบัติเฉพาะตัว ก็จะทำการตอบสนองต่อก๊าซที่ผ่านเข้ามา โดยเกิดการเปลี่ยนค่าความต้านทาน ข้อดีคือ สามารถตรวจจับก๊าซได้หลายชนิดในย่าน ppm อีกทั้งราคาไม่แพง มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน รวมถึงมีความทนทานสูงอีกด้วย แต่ก็มีข้อเสีย คือ อาจมีความจำเป็นต้องปรับตั้งเครื่องบ่อย เนื่องจากอาจเกิดความผิดพลาดในการอ่านค่าได้เมื่อเซนเซอร์ตอบสนองกับก๊าซที่ปะปนอยู่ในธรรมชาติ เซนเซอร์ประเภทนี้เหมาะกับการตรวจจับก๊าซพิษที่ไม่ติดไฟ
๒.๑.๖.๑ เกณฑ์การเลือกใช้เซ็นเซอร์
อุปกรณ์เซ็นเซอร์ที่แนะนำจะขึ้นอยู่กับรายละเอียดดังนี้
- ระยะตรวจจับที่ต้องการ
- เป้าหมายในการตรวจจับ
- รูปแบบของหน้าสัมผัสของเซ็นเซอร์ แบบหัวเรียบ หรือแบบหัวยื่น
- รูปร่างของเซ็นเซอร์ / รูปแบบการติดตั้ง
- เซ็นเซอร์ตรวจจับแก๊สแบบอื่น ๆ
- สภาพแวดล้อมที่ติดตั้งเซ็นเซอร์
- การป้องกันทางกลศาสตร์
- ข้อกำหนด และความต้องการทางด้านไฟฟ้า (AC/DC, 3สาย/2สาย)
๒.๑.๗ ระยะในการตรวจจับ
โดยระยะในการตรวจจับจะขึ้นอยู่กับตัวแปรดังนี้
๒.๑.๗.๑ ขนาดของขดลวดเซ็นเซอร์
- ขนาดของตัวเซ็นเซอร์
- ยิ่งคุณภาพของเซ็นเซอร์สูง ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์จะได้มาตรฐานมากขึ้น
๒.๑.๘ ระยะตรวจจับ
ระยะตรวจจับ คือ ระยะที่วัตถุเป้าหมายเข้ามาใกล้หน้าสัมผัสของเซ็นเซอร์ โดยทำให้เกิดการเปลี่ยนในค่าของสัญญาณที่ส่งออกไป
๒.๒ ตัวต้านทาน (Resistor)
ภาพประกอบที่ ๒ ตัวต้านทาน (resistor)
ตัวต้านทาน หรือ รีซิสเตอร์ (อังกฤษ: resistor) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติในการต้านการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้า ทำด้วยลวดต้านทานหรือถ่านคาร์บอน เป็นต้น นั่นคือ ถ้าอุปกรณ์นั้นมีความต้านทานมาก กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจะน้อยลง เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดพาสซีฟสองขั้ว ที่สร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าคร่อมขั้วทั้งสอง (V) โดยมีสัดส่วนมากน้อยตามปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน (I) อัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ และปริมาณกระแสไฟฟ้า ก็คือ ค่าความต้านทานทางไฟฟ้า หรือค่าความต้านทานของตัวนำมีหน่วยเป็นโอห์ม ( สัญลักษณ์ : Ω ) เขียนเป็นสมการตามกฏของโอห์ม ดังนี้
ค่าความต้านทานนี้ถูกกำหนดว่าเป็นค่าคงที่สำหรับตัวต้านทานธรรมดาทั่วไปที่ทำงานภายในค่ากำลังงานที่กำหนดของตัวมันเอง
ตัวต้านทานทำหน้าที่ลดการไหลของกระแสและในเวลาเดียวกันก็ทำหน้าที่ลดระดับแรงดันไฟฟ้าภายในวงจรทั่วไป Resistors อาจเป็นแบบค่าความต้านทานคงที่ หรือค่าความต้านทานแปรได้ เช่นที่พบใน ตัวต้านทานแปรตามอุณหภูมิ(อังกฤษ: thermistor), ตัวต้านทานแปรตามแรงดัน(อังกฤษ: varistor), ตัวหรี่ไฟ(อังกฤษ: trimmer), ตัวต้านทานแปรตามแสง(อังกฤษ: photo resistor) และตัวต้านทานปรับด้วยมือ(อังกฤษ: potentiometer)
ตัวต้านทานเป็นชิ้นส่วนธรรมดาของเครือข่ายไฟฟ้าและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และเป็นที่แพร่หลาย ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวต้านทานในทางปฏิบัติจะประกอบด้วยสารประกอบและฟิล์มต่างๆ เช่นเดียวกับ สายไฟต้านทาน (สายไฟที่ทำจากโลหะผสมความต้านทานสูง เช่น นิกเกิล-โครเมี่ยม) Resistors ยังถูกนำไปใช้ในวงจรรวม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์แอนะล็อก และยังสามารถรวมเข้ากับวงจรไฮบริดและวงจรพิมพ์ ฟังก์ชันทางไฟฟ้าของตัวต้านทานจะถูกกำหนดโดยค่าความต้านทานของมัน ตัวต้านทานเชิงพาณิชย์ทั่วไปถูกผลิตในลำดับที่มากกว่าเก้าขั้นของขนาด เมื่อทำการระบุว่าตัวต้านทานจะถูกใช้ในการออกแบบทางอิเล็กทรอนิกส์ ความแม่นยำที่จำเป็นของความต้านทานอาจต้องให้ความสนใจในการสร้างความอดทนของตัวต้านทานตามการใช้งานเฉพาะของมัน นอกจากนี้ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานยังอาจจะมีความกังวลในการใช้งานบางอย่างที่ต้องการความแม่นยำ ตัวต้านทานในทางปฏิบัติยังถูกระบุถึงว่ามีระดับพลังงานสูงสุดซึ่งจะต้องเกินกว่าการกระจายความร้อนของตัวต้านทานที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในวงจรเฉพาะ สิ่งนี้เป็นความกังวลหลักในการใช้งานกับอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ตัวต้านทานที่มีอัตรากำลังที่สูงกว่าก็จะมีขนาดที่ใหญ่กว่าและอาจต้องใช้ heat sink ในวงจรไฟฟ้าแรงดันสูง บางครั้งก็ต้องให้ความสนใจกับอัตราแรงดันการทำงานสูงสุดของตัวต้านทาน ถ้าไม่ได้พิจารณาถึงแรงดันไฟฟ้าในการทำงานขั้นต่ำสุดสำหรับตัวต้านทาน ความล้มเหลวอาจก่อให้เกิดการเผาไหม้ของตัวต้านทาน เมื่อกระแสไหลผ่านตัวมัน
ตัวต้านทานในทางปฏิบัติมีค่าการเหนี่ยวนำต่ออนุกรมและค่าการเก็บประจุขนาดเล็กขนานอยู่กับมัน ข้อกำหนดเหล่านี้จะมีความสำคัญในการใช้งานความถี่สูง ในตัวขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำหรือพรีแอมป์ ลักษณะการรบกวนของตัวต้านทานอาจเป็นประเด็น การเหนี่ยวนำที่ไม่ต้องการ, เสียงรบกวนมากเกินไปและค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ เหล่านี้จะขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้ ในการผลิตตัวต้านทาน ปกติพวกมันจะไม่ได้ถูกระบุไว้เป็นรายต้วของตัวต้านทานที่ถูกผลิตโดยใช้เทคโนโลยีอย่างใดอย่างหนึ่ง ตระกูลของ ตัวต้านทานเดี่ยวก็มีคุณลักษณะตาม form factor ของมัน นั่นคือ ขนาดของอุปกรณ์และตำแหน่งของขา (หรือขั้วไฟฟ้า) ซึ่งมีความเกี่ยวข้องในการผลิตจริงของวงจรที่นำมันไปใช้
ชนิดของตัวต้านทาน ตัวต้านทานที่ผลิตออกมาในปัจจุบันมีมากมายหลายชนิด ในกรณีที่แบ่งโดยยึดเอาค่าความ ต้านทานเป็นหลักจะแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิดคือ
1. ตัวต้านทานแบบค่าคงที่ (Fixed Resistor)
ตัวต้านทานแบบค่าคงที่ (Fixed Resistor) ตัวต้านทานชนิดค่าคงที่มีหลายประเภท ในหนังสือเล่มนี้จะขอกล่าวประเภทที่มีความนิยม ในการนำมาประกอบใช้ในวงจร ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไป ดังนี้
1. ตัวต้านทานชนิดคาร์บอนผสม (Carbon Composition)
2. ตัวต้านทานแบบฟิล์มโลหะ ( Metal Film)
3. ตัวต้านทานแบบฟิล์มคาร์บอน ( Carbon Film)
4. ตัวต้านทานแบบไวร์วาวด์ (Wire Wound)
5. ตัวต้านทานแบบแผ่นฟิล์มหนา ( Thick Film Network)
6. ตัวต้านทานแบบแผ่นฟิล์มบาง ( Thin Film Network)
2. ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ (Adjustable Resistor)
ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ โครงสร้างของตัวต้านทานแบบนี้มีลักษณะคล้ายกับแบบไวร์วาวด์ แต่โดยส่วนใหญ่บริเวณลวดตัวนำ จะไม่เคลือบด้วยสารเซรามิคและมีช่องว่างทำให้มองเห็นเส้นลวดตัวนำ เพื่อทำการลัดเข็มขัดค่อมตัวต้านทาน โดยจะมีขาปรับให้สัมผัสเข้ากับจุดใดจุดหนึ่ง บนเส้นลวดของความต้านทาน ตัวต้านทานแบบนี้ส่วนใหญ่มีค่าความต้านทานต่ำ แต่อัตราทนกำลังวัตต์สูง การปรับค่าความต้านทานค่าใดค่าหนึ่ง สามารถกระทำได้ในช่วงของความต้านทานตัวนั้น ๆ เหมาะกับงาน ที่ต้องการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเสมอ ๆ
3. ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ (Variable Resistor)
ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ ตัวต้านทานแบบเปลี่ยนค่าได้ (Variable Resistor) โครงสร้างภายในทำมาจากคาร์บอน เซรามิค หรือพลาสติกตัวนำ ใช้ในงานที่ต้องการเปลี่ยนค่าความต้านทานบ่อย ๆ เช่นในเครื่องรับวิทยุ, โทรทัศน์ เพื่อปรับลดหรือเพิ่มเสียง, ปรับลดหรือเพิ่มแสงในวงจรหรี่ไฟ มีอยู่หลายแบบขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งาน เช่นโพเทนชิโอมิเตอร์ (Potentiometer) หรือพอต (Pot)สำหรับชนิด ที่มีแกนเลื่อนค่าความต้านทาน หรือแบบที่มีแกนหมุนเปลี่ยนค่าความต้านทานคือโวลลุ่ม (Volume) เพิ่มหรือลดเสียงมีหลายแบบให้เลือกคือ 1 ชั้น, 2 ชั้น และ 3 ชั้น เป็นต้น ส่วนอีกแบบหนึ่งเป็นแบบที่ไม่มีแกนปรับโดยทั่วไปจะเรียกว่า โวลลุ่มเกือกม้า หรือทิมพอต (Trimpot)
หน่วย
โอห์ม (สัญลักษณ์: Ω) เป็นหน่วย SI ของความต้านทานไฟฟ้า ถูกตั้งชื่อตาม จอร์จ ไซมอนโอห์ม หนึ่งโอห์มเทียบเท่ากับหนึ่งโวลต์ต่อหนึ่งแอมแปร์ เนื่องจากตัวต้านทานถูกระบุค่าและถูกผลิตในจำนวนที่เยอะมาก หน่วยที่หาได้เป็นมิลลิโอห์ม(1 mΩ = 0.001 Ω), กิโลโอห์ม (1 kΩ = 1,000 Ω) และ เมกโอห์ม (1 MΩ = 1,000,000 Ω) ยังมีในการใช้งานทั่วไป
ค่าตรงข้ามความต้านทานเรียกว่าค่า conductance ต้วย่อ G = 1/R และมีหน่วยวัดเป็น siemens (หน่วย SI) บางครั้งเรียกว่า mho ดังนั้นซีเมนส์เป็นส่วนกลับของโอห์ม: Ω-1 แม้ว่าแนวคิดของ conductance มักจะถูกใช้ในการวิเคราะห์วงจร ตัวต้านทานในทางปฏิบัติจะถูกระบุไว้เสมอในแง่ของความต้านทาน (โอห์ม) มากกว่าค่า conductance
ภาพประกอบที่ ๓ LCD
LCD หรือ จอภาพผลึกเหลว (อังกฤษ: liquid crystal display: LCD) เป็นอุปกรณ์จอภาพแบบแบน บาง สร้างขึ้นจากพิกเซลสี หรือพิกเซลโมโนโครมจำนวนมาก ที่เรียงอยู่ด้านหน้าของแหล่งกำเนิดแสง หรือตัวสะท้อนแสง นับเป็นจอภาพที่ได้รับความนิยมมากขึ้นในปัจจุบัน เพราะใช้กำลังไฟฟ้าน้อยมาก ด้วยเหตุนี้ จึงเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีแหล่งจ่ายไฟเป็นแบตเตอรี่
แต่ละพิกเซลของจอผลึกเหลวนั้นประกอบด้วยชั้นโมเลกุลผลึกเหลวที่แขวนลอยอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้าโปร่งแสงสองขั้ว ที่ทำด้วยวัสดุอินเดียมทินออกไซด์ (Indium tin oxide) และตัวกรอง หรือฟิลเตอร์แบบโพลาไรซ์สองตัว แกนโพลาไรซ์ของฟิลเตอร์นั้นจะตั้งฉากกัน เมื่อไม่มีผลึกเหลวอยู่ระหว่างกลาง แสงที่ผ่านทะลุตัวกรองตัวหนึ่งก็จะถูกกั้นด้วยตัวกรองอีกตัวหนึ่ง
ก่อนที่มีการจ่ายประจุไฟฟ้าเข้าไป โมเลกุลผลึกเหลวจะอยู่ในสภาวะไม่เป็นระบบ (chaotic state) ประจุบนโมเลกุลเหล่านี้ทำให้โมเลกุลทั้งหลายปรับเรียงตัวตามร่องขนาดเล็กจิ๋วบนขั้วอิเล็กโตรด ร่องบนขั้วทั้งสองวางตั้งฉากกัน ทำให้โมเลกุลเหล่านี้เรียงตัวในลักษณะโครงสร้างแบบเกลียว หรือไขว้ (ผลึก) แสงที่ผ่านทะลุตัวกรองตัวหนึ่ง จะถูกหมุนปรับทิศทางเมื่อมันผ่านทะลุผลึกเหลว ทำให้มันผ่านทะลุตัวกรองโพลาไรซ์ตัวที่สองได้ แสงครึ่งหนึ่งถูกดูดกลืนโดยตัวกรองโพลาไรซ์ตัวแรก แต่อีกครึ่งหนึ่งผ่านทะลุตัวกรองอีกตัว
เมื่อประจุไฟฟ้าถูกจ่ายไฟยังขั้วไฟฟ้า โมเลกุลของผลึกเหลวก็ถูกถึงขนานกับสนามไฟฟ้า ทำให้ลดการหมุนของแสงที่ผ่านเข้าไป หากผลึกเหลวถูกหมุนปรับทิศทางโดยสมบูรณ์ แสงที่ผ่านทะลุก็จะถูกปรับโพลาไรซ์ให้ตั้งฉากกับตัวกรองตัวที่สอง ทำให้เกิดการปิดกั้นแสงโดยสมบูรณ์ พิกเซลนั้นก็จะมืด จากการควบคุมการหมุนของผลึกเหลวในแต่ละพิกเซล ทำให้แสงผ่านทะลุได้ในปริมาณต่างๆ กัน ทำให้พิกเซลมีความสว่างแตกต่างกันไป
โดยปกติการปรับฟิลเตอร์โพลาไรซ์เพื่อพิกเซลโปร่งแสง เมื่อพักตัว และทึบแสงเมื่ออยู่ในสนามไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม บางครั้งก็เกิดผลตรงกันข้าม สำหรับเอฟเฟกต์แบบพิเศษ
๒.๓.๑ ชนิดของจอภาพ
- TN+Film (Twisted Nematic) เป็นเทคโนโลยีของจอผลึกเหลว ที่นิยมใช้อย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำ และการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งในปัจจุบัน พัฒนาจนสามารถทำให้มีความเร็วของการตอบสนองด้วยความเร็วสูงเพียงพอที่จะทำให้เงาบนภาพเคลื่อนไหวลดลงได้มาก ทำให้จอแบบ TN+Film มีจุดเด่นด้านการตอบสนองได้อย่างรวดเร็ว (จอTN+Film จะใช้การวัดการตอบสนอง เป็นแบบ grey to grey ซึ่งจะแตกต่างจากค่า ISO ที่วัดแบบ black to white) แต่จุดเสียของจอแบบ TN+Film นั่นคือมีรัศมีการมองเห็นที่แคบ โดยเฉพาะแนวตั้ง และส่วนใหญ่จะไม่สามารถแสดงสีได้ครบ 16.7ล้านสี (24-bit truecolor)
- IPS (In-Plane Switching) คิดค้นโดยบริษัท Hitachi ในปี พ.ศ. 2539 ซึ่งมีคุณสมบัติเด่นกว่า TN+Film ทั้งด้านรัศมีการมองเห็น และการแสดงสีที่ 8-bit แต่การปรับปรุงดังกล่าว ทำให้เกิดการตอบสนองที่ชักช้า ถึง 50ms และยังแพงมากอีกด้วย
จากนั้นในปี พ.ศ. 2541 Hitachi ได้นำระบบ S-IPS (Super-IPS) ออกมาแทนที่ระบบ IPS เดิม ซึ่งได้มีการปรับปรุงประสิทธิภาพในด้านการตอบสนองที่ดีขึ้น และสีสันที่ใกล้เคียงจอภาพแบบ CRT พบได้ในโทรทัศน์ระบบจอผลึกเหลว
- MVA เป็นการรวมข้อดีระหว่าง TN+Film กับ IPS เข้าด้วยกันทำให้มี Response Time ที่ต่ำ และ View Angle ที่กว้างเป็นพิเศษ แต่มีราคาแพงมาก
- PVA เป็นการพัฒนาจากแบบ MVA ให้มีราคาถูกลงซึ่งทำให้มีค่า Contrast Ratio ที่สูงมาก และมี Response Time ที่ต่ำ ใช้ในจอภาพแบบผลึกเหลวระดับสูง
๒.๔ ไมโครคอนโทรลเลอร์
เป็นอุปกรณ์ไอซี (IC: Integrated Circuit) ที่สามารถโปรแกรมการทำงานได้ซับซ้อน สามารถรับข้อมูลในรูปสัญญาณดิจิตอลเข้าไปทำการประมวลผลแล้วส่งผลลัพธ์ข้อมูลดิจิตอลออกมาเพื่อนำไปใช้งานตามที่ต้องการได้
ไมโครคอนโทรลเลอร์ภายในชิพจะมีหน่วยความจำ, Port อยู่ในชิพเพียงตัวเดียวซึ่งอาจจะเรียกได้ว่าเป็นคอมพิวเตอร์ชิพเดี่ยว ไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นไมโครโพรเซสเซอร์ชนิดหนึ่ง เช่นเดียวกับหน่วยประมวลผลกลาง (CPU: Central Processing Unit) ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์ แต่ได้รับการพัฒนาแยกออกมาภายหลังเพื่อนำไปใช้ในวงจรทางด้านงานควบคุม คือ แทนที่ในการใช้งานจะต้องต่อวงจรภายนอกต่างๆ เพิ่มเติมเช่นเดียวกับไมโครโปรเซสเซอร์ ก็จะทำการรวมวงจรที่จำเป็น เช่น หน่วยความจำ, ส่วนอินพุท/เอาท์พุท บางส่วนเข้าไปในตัว ไอซีเดียวกัน และเพิ่มวงจรบางอย่างเข้าไปด้วยเพื่อให้มีความสามารถเหมาะสมกับการใช้ในงานควบคุม เช่น วงจรตั้งเวลา, วงจรการสื่อสารอนุกรม วงจรแปลงสัญญาณอนาล็อคเป็นดิจิตอล เป็นต้น สรุปคือ Microcontroller = Microprocessor + Memory + I/O
๒.๕ บอร์ด Arduino
ภาพประกอบที่ ๔ บอร์ดไมโครคอลโทรลเลอร์ Arduino
เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์ตระกูล AVR ที่มีการพัฒนาแบบ Open Source คือมีการเปิดเผยข้อมูลทั้งด้าน Hardware และ Software ตัว บอร์ด Arduino ถูกออกแบบมาให้ใช้งานได้ง่าย ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับผู้เริ่มต้นศึกษา ทั้งนี้ผู้ใช้งานยังสามารถดัดแปลง เพิ่มเติม พัฒนาต่อยอดทั้งตัวบอร์ด หรือโปรแกรมต่อได้อีกด้วย
ความง่ายของบอร์ด Arduino ในการต่ออุปกรณ์เสริมต่างๆ คือผู้ใช้งานสามารถต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์จากภายนอกแล้วเชื่อมต่อเข้ามาที่ขา I/O ของบอร์ด (ดูตัวอย่างรูปที่ 1) หรือเพื่อความสะดวกสามารถเลือกต่อกับบอร์ดเสริม (Arduino Shield) ประเภทต่างๆ (ดูตัวอย่างรูปที่ 2) เช่น Arduino XBee Shield, Arduino Music Shield, Arduino Relay Shield, Arduino Wireless Shield, Arduino GPRS Shield เป็นต้น มาเสียบกับบอร์ดบนบอร์ด Arduino แล้วเขียนโปรแกรมพัฒนาต่อได้เลย
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น