رید سوئیچ‌ و استفاده از آن در مدارات الکترونیکی + اتصال به آردوینو

رید سوئیچ‌ ها یا رید رله‌ها نوعی سوئیچ‌ الکتریکی هستند که برای کارکرد نیازی به اتصال به مولد ولتاژ یا جریان ندارند و با نیروی مغناطیسی کار می‌کنند. همین مسئله گاهی اوقات باعث شگفتی افراد می‌شود و ممکن است تصور کنند که چه رله‌ی عجیب و غریبی که بدون اتصال به برق کار می‌کند! اما ما از این به بعد می‌دانیم که هیچ نیروی ماورایی ای در کار نیست؛ بلکه پای نیروی مغناطیسی در میان است. زمانی که بدنه سوئیچ‌ در معرض یک میدان مغناطیسی قرار بگیرد ( مثلا میدان ناشی از یک مگنت و یا میدان تولیدی توسط سیمی که حامل یک جریان قوی باشد.) دو زبانه‌ی آهنی موجود درون رله تحت تاثیر این میدان از خود خاصیت مغناطیسی نشان داده و یک‌دیگر را می‌ربایند. این ربایش باعث اتصال آن‌ها به یکدیگر شده و مدار بسته می‌شود. به این ترتیب جریان اجازه و امکان عبور پیدا خواهد کرد. در غیاب میدان مغناطیسی زبانه‌ها از هم جدا می‌شوند و مدار باز می‌شود. به این ترتیب ما یک رله‌ی درست و حسابی داریم!

از رید سوئیچ ها استفاده‌های فراوان و خلاقانه‌ای می‌شود. یکی از متداول ‌ترین کاربردهای آن‌ها در پروژه‌هایی است که به کنترل از راه دور – اصطلاحا کنترل بدون تماس – نیاز دارند. به عنوان مثال کنترل درب‌های ریموت‌دار چیزی نیست به جز یک رید سوئیچ‌ و یک جفت آهنربا که درون یک محفظه شیک قرار داده می‌شود! با قطع و وصل شدن رله‌ تحت تاثیر میدان مغناطیسی ناشی از آهنربا‌ها، می‌توان در را باز و بسته نمود. یا مثلا بادسنجی که درون دستگاه‌های هوامتر قرار دارد، شامل تعدادی رید سوئیچ‌ است که باز و بسته شدن آن‌ها سرعت وزش باد را مشخص می‌کند.

 

ابزارهای مورد نیاز

اما ما در این آموزش به دنبال چه هستیم؟ هدف ما این است که اولا قدری با مبانی اولیه رید سوئیچ‌ ها آشنا شویم و سپس یاد بگیریم که چگونه می‌توان آن‌ها را در مدارها به کار بست. این چگونگی را با بستن یک مدار ساده به طور عملی به شما نشان خواهیم داد.  پس به غیر از خود سوییچ، به چند وسیله‌ی دیگر هم نیاز خواهیم داشت.

• آهنربا : گفتیم که رید سوییچ ها تحت تاثیر نیروی مغناطیسی کار می‌کنند. این آهنرباها را برای تامین آن نیرو نیاز داریم.
• برد آردوینو UNO – R3 : ما از پین دیجیتال این برد استفاده می‌کنیم که وضعیت سوییچ را در هر لحظه برای ما بخواند. – البته لازم به ذکر است که هر برد آردوینو دیگری هم که این قابلیت را برای ما فراهم کند قابل استفاده است.
• برد بورد و سیم برد بوردی(جامپر وایر):همان‌طور که در تصویر قبلی مشخص است، رید سوییچ پایه‌هایی انعطاف پذیر دارد که به همین واسطه قابل نصب بر روی برد بورد است. با استفاده از جامپر وایر و برد بورد، می‌خواهیم رید سوئیچمان را به برد آردوینو متصل کنیم.

مروری بر رید سوئیچ ها

رید سوئیچ هادراشکال و سایزهای مختلفی وجود دارند. اما تمام این انواع در چند ویژگی با هم اشتراک دارند؛ تمام آن‌ها به صورت SMD هستند، بدنه عایق‌بندی شده دارند و … دقت کنید که برای انتخاب نوعی که برای هر پروژه مناسب است فاکتورهای مختلفی را باید در نظر بگیرید. مثلا نوعی ازرید سوییچ ها که بدنه شیشه‌ای دارند، برای پروژه‌ای که در آن از آهنربا های بزرگ و متحرک  استفاده می‌شود وممکن است آهنربا دائما با بدنه سوئیچ‌ برخورد کنند، مناسب نیستند و احتمال شکستن آن‌ها بالاست؛ در عوض بهتر است از نوع محفظه‌دار آن‌ها استفاده کنید.

و یا مثلا برای برخی از پروژه‌ها لازم است ولتاژ و جریان قابل تحمل برای رید سوئیچ‌ را حتما در نظر بگیرید. معمولا رید سوئیچ‌ ها طوری طراحی می‌شوند که توان تحمل قدرت‌های بالا را ندارند مگر انواع خاصی از آن‌ها که کمیاب و البته گران قیمت هستند. پس اگر پروژه شما نیازمند ولتاژ و جریان بالاست، این نکته را در انتخاب سوئیچ‌ مناسب مد نظر داشته باشید. سوییچی که ما در این آموزش از آن استفاده می‌کنیم از نوع بدنه شیشه‌ای ست که جریان و توان قابل تحمل آن به ترتیب 1.2 A و 10W است.

نرمال باز یا نرمال بسته ؟ ( NC/ NO؟ )

تمام رید سوئیچ‌ ها در این ویژگی مشترک هستند که دارای دو پایه برای نصب در مدار می‌باشند. اما سوال این‌جاست که این ترمینال ها به صورت پیش‌فرض باز هستند یا بسته؟ یعنی ابتدائا، پس از نصب در مدار و بدون اعمال محرک خارجی، جریان را عبور می‌دهند یا خیر؟ پاسخ این پرسش را حتما و حتما باید در دیتا شیت هر نوعی از این سوئیچ‌ ها پیدا کنید. سوییچ مورد استفاده ما در این آموزش از نوع نرمال باز است. به این معنا که تا زمانی که درمعرض میدان مغناطیسی قرار نگرفته باشد، کنتاکت بین زبانه‌های آن باز است و جریانی را عبور نمی‌دهد. به محض این‌که آهنربا ها به اندازه کافی به سوئیچ‌ نزدیک شوند تحت تاثیر میدان آن‌ها سوییچ بسته شده و جریان در مدار جاری می‌شود.

نحوه عملکرد رید سوئیچ‌

دقیقا مانند آهنرباها که دو قطب دارند، زبانه‌های داخل سوئیچ‌ نیز دارای پلاریته هستند. شیوه قرار گرفتن، فاصله و جهت قرارگرفتن آهنربا ها درتعیین اتصال یا عدم اتصال زبانه‌ها تاثیرگذار هستند. مثلا تصویر زیر را که از این منبع گرفته شده است را ببینید؛ تلاش شده است که تاثیر نحوه قرار گرفتن آهنربا ها را تا حد امکان نشان دهد.

نمودار سمت چپ ناحیه‌ای را نشان می‌دهد که انتظار می‌رود اگر سوئیچ‌ در آن قرار گیرد اتصال آن بسته می‌شود. این حالتی است که آهنربا ها به صورت موازی با سوییچ نگه داشته شده باشند. همان طور که می‌بینید این ناحیه یک ناحیه سهمی مانند است. نمودار سمت راست همین ناحیه را برای حالتی نشان می‌دهد که آهنربا ها عمود بر سوئیچ‌ قرار گرفته باشند. در این حالت همانطور که در تصویر پیداست یک ناحیه مرده (dead zone) در مرکز وجود دارد که اگر سوییچ در این ناحیه باشد متصل نخواهد شد حتی اگر آهنربا ها بدنه آن را لمس کنند.

بنابراین بسیار مهم است که پلاریته و نحوه قرار گرفتن آهنربا ها چگونه باشد. اگر احیانا احساس می‌کنید که سوئیچ‌ شما چندان حساس نیست و کند عمل می‌کند، شاید بد نباشد که مکان و نحوه قرارگیری آهنربا ها را تغییر دهید. و یا از صحت عملکرد آن‌ها و میدان تولیدی توسط آن‌ها قبل از قرار گرفتن در مجاورت سوئیچ‌ اطمینان حاصل کنید.

مدار تمرینی!

این مدار یکی از ساده‌ترین مدارهایی است که در عمرتان بتوانید ببندید! پس اصلا نگران نباشید.

ابتدا پایه‌های سوئیچ‌ را در جهت عمود بر آن خم کنید طوری که در نهایت یک فرم U شکل داشته باشید.

هشدار! بدنه رید سوئیچ‌ شیشه‌ای بسیار حساس و شکننده است! مراقب باشید زمانی که دارید پایه‌ها را خم می‌کنید فشار بیش از حدی به بدنه آن وارد نکنید والا مجبور خواهید شد یک سوئیچ‌ جدید تهیه کنید!

حالا سوئیچ‌ را روی برد بورد نصب کنید و برد آردوینو را هم کنار برد بورد قرار دهید. به کمک سیم‌های جامپر یک پایه‌ی سوئیچ‌ را به GND و پایه دیگر را به پین D2 متصل کنید. مانند تصویر زیر؛

تمام شد! این همه کاری بود که قرار بود انجام دهید! در واقع ما در این مدار از پول آپ رجیستر داخلی برد آردوینو استفاده می‌کنیم که سوییچ بایاس شود. با بسته شدن سوییچ پین 2 مستقیما به زمین وصل شده و ولتاژ زمین را می‌خواند.

کد مورد نیاز برای اتصال رید سوئیچ‌ به آردوینو

در اینجا یک نمونه از کدهایی که می‌تواند در این مدار مورد استفاده قرار گیرد را آورده‌ایم. کافی ست آن را در IDE بورد آردوینو خود کپی و اجرا کنید.

نکته! کد با این پیش‌فرض نوشته شده است که شما از آخرین ورژن IDE استفاده می‌کنید. اگر اولین باری ست که با آردوینو کار می‌کنید، حتما آموزش مربوط به نحوه نصب IDE را بخوانید. و اگر کتاب‌خانه های لازم را نصب ندارید، به این آموزش سری بزنید.

 

/******************************************************************************
Reed Switch Example 
Melec.ir
Development environment specifics:
Arduino 1.6.7
******************************************************************************/
const int REED_PIN = 2; // Pin connected to reed switch
const int LED_PIN = 13; // LED pin - active-high

void setup() 
{
Serial.begin(9600);
// Since the other end of the reed switch is connected to ground, we need
// to pull-up the reed switch pin internally.
pinMode(REED_PIN, INPUT_PULLUP);
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop() 
{
int proximity = digitalRead(REED_PIN); // Read the state of the switch
if (proximity == LOW) // If the pin reads low, the switch is closed.
{
Serial.println("Switch closed");
digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // Turn the LED on
}
else
{
digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Turn the LED off
}
}

 

البته این کد با فرض وجود LED در پین 13 آردوینو نوشته شده است که معمولا همین طور است و 99% برد های آردوینو در این پین دارای LED هستند. اما اگر چنانچه شما جزء آن 1 % هستید! لازم است که تنظیمات ترمینال سریال را قدری تغییر دهید که به شیوه دیگری از صحت عملکرد سوئیچ‌ مطلع شوید.

خب حالا که مدار آماده است و کد را هم کپی کرده اید، کافی ست آهنرباهایتان را بردارید و با لحاظ نکات گفته شده (شیوه قرارگرفتن و فاصله) آن‌ها را به سوئیچ‌ نزدیک کنید. فاصله مناسب برای این سوئیچ‌ تقریبا حدود 1 سانتی متری آن است اما محض سرگرمی شما می‌توانید با حرکت دادن آهنربا ها ناحیه‌ای اتصال را پیدا کنید وببینید که از چه فاصله‌ای دورتر اتصال سوئیچ‌ باز می‌شود.

همان‌طور که در ابتدای این مطلب هم گفتیم استفاده از رید سوئیچ هایکی از بهترین شگردها برای مداراتی است که به کنترل بدون تماس نیاز دارند. مثلا می‌توان با کمک آن‌ها و یک برد آردوینو باز و بسته شدن‌های یک در به صورت هشدارهایی بر روی موبایل دریافت کرد. و یا باز و بسته شدن در یک جعبه موسیقی را و غیره. همچنین پروژه های جالب آردوینو را در ببینید و اگر نیاز به آشنایی بیشتر با الکترونیک داشتین توصیه میکنیم مقالات مفاهیم پایه الکترونیک را به زبان ساده مطالعه کنید.

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.