เมื่อพูดถึงไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller), ระบบสมองกลฝังตัว (Embedded System), หรือ ระบบอินเทอร์เน็ตในทุกสิ่ง (Internet of Things – IoT) เซ็นเซอร์มีบทบาทสำคัญในการตรวจจับปริมาณ, ข้อมูลทางกายภาพ เช่น อุณหภูมิ ความร้อน แสง สี แรงดัน การเคลื่อนที่ แล้วเปลี่ยนแปลงสิ่งที่ตรวจจับได้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้า เพื่อทำไปอ่าน วัด ประมวลผล หรือส่งสัญญาณต่อไปยังระบบหรืออุปกรณ์อื่นๆ เพื่อแสดงเป็นผลลัพธ์ที่ต้องการ หรือ ใช้งานต่อ
เซ็นเซอร์สามารถแบ่งออกเป้น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ เซ็นเซอร์แบบอนาล็อก และ เซ็นเซอร์แบบดิจิทัล ซึ่งการเลือกใช้เซ็นเซอร์ชนิดต่างๆให้เหมาะสมกับการใช้งานก็เป็นสิ่งสำคัญ ดังนั้นการทำความเข้าใจข้อแตกต่างระหว่างเซ็นเซอร์ทั้ง 2 ประเภทนี้จึงมีประโยชน์เป็นอย่างยิ่ง
เซ็นเซอร์แบบอนาล็อก (Analog Sensors)
เซ็นเซอร์แบบอนาล็อกจะให้สัญญาณเอาท์พุตเป็นสัญญาณที่มีความต่อเนื่อง (เป็นได้ทั้งแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้า) ซึ่งจะมีแปรผันตามสัญญาณหรือปริมาณทางกายภาพที่วัดเข้าไปได้ เช่น อุณหภูมิ ความเข้มแสง ความดัง แรงกด เป็นต้น
คุณสมบัติของเซ็นเซอร์แบบอนาล็อก
- สัญญาณแบบต่อเนื่อง: ค่าสัญญาณที่อ่านได้จากเซ็นเซอร์จะมีความต่อเนื่อง
- สัญญาณมีค่าตั้งแต่ 0 จนถึง VCC (แรงดันไฟฟ้าในระบบ)
- ความละเอียด: ขึ้นอยู่กับคุณภาพของเซ็นเซอร์และตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ของตัวไมโครคอนโทรลเลอร์
- ไวต่อสัญญาณรบกวน: มีแนวโน้มที่จะได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนได้ง่าย
ตัวอย่างเซ็นเซอร์แบบอนาล็อค
- โพเทนชิโอมิเตอร์ (Potentiometer): ให้แรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงตามคำแหน่งการหมุนของตัวหมุน
- LDR (Light Dependent Resistor): เซ็นเซอร์วัดความสว่างแสง เปลี่ยนค่าความต้านทานตามความเข้มแสง ซึ่งสามารถแปลงเป็นค่าแรงดันไฟฟ้าได้
- FRS-402: เซ็นเซอร์วัดแรงกด ซึ่งแปลงค่าแรงกดให้กลายเป็นแรงดันไฟฟ้าได้
- LM35: เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ ที่ให้ค่าแรงดันไฟฟ้าแปรผันตามค่าอุณหภูมิ
การเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรเลอร์
การใช้งานเซ็นเซอร์แบบอนาล็อกกับไมโครคอนโทรลเลอร์ สัญญาณอนาล็อกต้องถูกแปลงเป็นดิจิทัลโดยตัวแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ของตัวไมโครคอนโทรลเลอร์ หลังจากนั้นไมโครคอนโทรลเลอร์ก็จะสามารถนำข้อมูลดังกล่าวไปใช้งานต่อได้ ยกตัวอย่างเช่น บอร์ด Arduino มี ADC ที่มีความละเอียดขนาด 10 บิต ซึ่งสามารถแปลงแรงดันไฟฟ้าอนาล็อก (0 – VCC) เป็นค่าดิจิทัลในช่วง 0 ถึง 1023
เซ็นเซอร์แบบดิจิทัล (Digital Sensors)
เซ็นเซอร์แบบดิจิทัลจะให้สัญญาณเอาท์พุตเป็นสัญญาณดิจิทัล (สัญญาณไบนารี่ 0, 1) เพื่อแสดงค่าสัญญาณหรือปริมาณทางกายภาพที่วัดเข้ามา โดยส่วนใหญ่จะมีวงจรแปลงสัญญาณอนาล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) อยู่ในตัว เพื่อให้ข้อมูลในรูปแบบดิจิทัล
คุณสมบัติของเซ็นเซอร์แบบดิจิทัล
- สัญญาณไม่ต่อเนื่อง: ค่าสัญญาณที่อ่านได้จะอยู่ในรูปแบบไบนารี่ (LOW / HIGH)
- การประมวลผลในตัว: มีคุณสมบัติ calibration, การชดเชย, ADC และการประมวลผลสัญญาณในตัว
- ทนต่อสัญญาณรบกวน: มีความไวต่อสัญญาณรบกวนน้อยกว่า
- ความซับซ้อนสูงกว่า: อาจจะต้องใช้ไลบรารี่หรือโปรโตคอลเฉพาะตัวในการสื่อสาร
ตัวอย่างเซ็นเซอร์แบบอนาล็อค
- HC-SR02: เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก ที่ให้ค่าระยะทางในรูปแบบของพัลส์ดิจิทัล
- GY-521 MPU6050: เป็นโมดูลวัดความเร่ง วัดได้ 3 แกน x,y,z โดยเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่าน โปรโตคอลแบบ I2C
- DHT11/22: เซ็นเซอร์วัดอุณหภมูิและความชื้น และให้ข้อมูลผ่านขาแบบดิจิทัล
การเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรเลอร์
เซ็นเซอร์แบบดิจิทัลมีการสื่อสารโดยใช้โปรโตคอลเฉพาะ เช่น
- I2C / TWI: สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ได้หลายตัว
- SPI: นิยมใช้งานกับระบบที่ต้องการส่งข้อมูลแบบความเร็วสูง
- Digital Pin / GPIO