MAX44009 Ambient Ligiht Sensor Module#

▷ Maxim MAX44009 #

ไอซี MAX44009 (Datasheet) ผลิตโดยบริษัท Maxim Integrated เป็นเซนเซอร์แสงที่ทำงานและให้เอาต์พุตแบบดิจิทัล (Digital Ambient Light Sensor) และสามารถวัดความเข้มแสงที่มองเห็นด้วยตาเปล่าได้ในสภาวะแวดล้อมโดยรอบ

คุณสมบัติของ MAX44009

  • ทำงานได้โดยใช้พลังงานต่ำ (โดยทั่วไปแล้ว ปริมาณกระแสไฟฟ้าอยู่ในระดับต่ำกว่า 1μA)
  • สามารถวัดค่าความเข้มแสงได้ในช่วง 0.045 Lux ถึง 188,000 Lux สำหรับความยาวคลื่นของแสงในช่วง 400nm ~ 700nm
  • ใช้แรงดันไฟเลี้ยง (VCC) ในช่วง 1.7V ~ 3.6V
  • ทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิ -40 ~ +85 °C
  • สื่อสารข้อมูลด้วยบัส I2C ความเร็วได้ถึง 400kHz
  • มีขา A0 (Address Select) จำนวนหนึ่งขา (อินพุต)
  • มีขา /INT (Active-Low) สำหรับการตั้งค่า Threadhold และเอาไว้เปรียบเทียบกับค่าที่วัดได้ สามารถเปิดการสร้างสัญญาณอินเทอร์รัพท์เป็นเอาต์พุตได้โดยอัตโนมัติ ตามเงื่อนไขการเปรียบเทียบค่า Threadhold

ภายใน MAX44009 มีวงจรที่ประกอบด้วยโฟโต้ไดโอด (Photodiode) และมีวงจรสำหรับการชดเชยหรือตัดส่วนที่เกิดจากอินฟราเรดออกไป (IR compensation / IR rejection)

เมื่อได้รับแสง จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลที่ตัวโฟโต้ไดโอด และนำไปผ่านวงจรแปลงกระแสให้เป็นแรงดันไฟฟ้า (OpAmp-based Current-to-Voltage Converter) แล้วแปลงสัญญาณแอนะล็อกให้เป็นข้อมูลดิจิทัล สำหรับการประมวลผลและสื่อสารข้อมูลผ่านบัส I2C ในลำดับถัดไป

รูป: Block Diagram ของไอซี MAX44009

การทำงานของ MAX44009 มีให้เลือกหลายโหมด ซึ่งขึ้นอยู่กับการตั้งค่าบิต Bit 7 CONTINUOUS และ Bit 6 MANUALในรีจิสเตอร์ Configuration Register (Address 0x02)

  • Default Mode: เป็นโหมดการวัดค่าที่เกิดขึ้นซ้ำทุก ๆ 800 มิลวินาที
  • Automatic Mode: เป็นโหมดการวัดค่าที่มีระยะเวลาในการวัดถูกเลือกโดยอัตโนมัติ (Integration time: TIM) อยู่ในช่วง 100 มิลลิวินาที ถึง 800 มิลลิวินาที ซึ่งขึ้นอยู่กับปริมาณแสงที่ได้รับในขณะทำการวัด
  • Manual Mode: เป็นโหมดที่มีการเลือกระยะเวลาในการวัดได้ ตั้งแต่ 6.25 มิลลิวินาที ถึง 50 มิลลิวินาที
  • Continuous Mode: เป็นโหมดการวัดต่อเนื่องซ้ำไปเรื่อย ๆ และเลือกระยะเวลาในการวัดได้
Bit 7 CONTINUOUS Bit 6 MANUAL Description
0 0 Default, integration time 800 msec
0 1 Manual (one-shot), integration time selected by TIM[2:0] bits
1 0 Continuous, automatic integration time: 100 .. 800 msec
1 1 Continuous, manual integration time selected by TIM[2:0] bits

รูป: รายการรีจิสเตอร์ที่มีอยู่ภายใน MAX44009 สำหรับการอ่านหรือเขียนข้อมูลไบต์ด้วยบัส I2C

รูป: การเลือกค่าบิตสำหรับ Integration Time (TIM)

รูป: การเขียนหรืออ่านหนึ่งไบต์ลงในรีจิสเตอร์ (Write or Read Register) ภายใน MAX44009

การเขียนค่าลงในรีจิสเตอร์ขนาดหนึ่งไบต์ มีลำดับดังนี้

  • ไมโครคอนโทรลเลอร์เริ่มต้นด้วยการส่งสัญญาณเริ่มต้น (Start Signal: S)
  • ส่งไบต์แอดเดรสของอุปกรณ์ + บิตสำหรับการเขียน (R/W Bit: 0) แล้วตรวจสอบบิต Acknowledge: A
  • ส่งไบต์ข้อมูลที่ระบุแอดเดรสของรีจิสเตอร์ (Register Address) แล้วตรวจสอบบิต ACK จากอุปกรณ์
  • ส่งไบต์ข้อมูล (Data Byte) ที่ต้องการเขียนลงในรีจิสเตอร์ดังกล่าว แล้วตรวจสอบบิต ACK จากอุปกรณ์
  • จบท้ายด้วยการส่งสัญญาณจบ (Stop Signal: P)

การอ่านค่าลงในรีจิสเตอร์ขนาดหนึ่งไบต์

  • เริ่มต้นด้วยการส่งสัญญาณเริ่มต้น (Start Signal: S)
  • ส่งไบต์แอดเดรสของอุปกรณ์ + บิตสำหรับการอ่าน (R/W Bit: 1) แล้วตรวจสอบบิต Acknowledge: A จากอุปกรณ์
  • ส่งไบต์ข้อมูลที่ระบุแอดเดรสของรีจิสเตอร์ (Register Address) แล้วตรวจสอบบิต ACK จากอุปกรณ์
  • ส่งสัญญาณเริ่มต้นอีกครั้ง (Repeated Start: R) ข้อมูลที่ต้องการเขียนลงในรีจิสเตอร์ แล้วตรวจสอบบิต ACK จากอุปกรณ์
  • อ่านข้อมูลหนึ่งไบต์ จากอุปกรณ์ แล้วส่ง No Ack (/A) ไปยังอุปกรณ์
  • จบท้ายด้วยการส่งสัญญาณจบ (Stop Signal: P)

รูป: การอ่านข้อมูลไบต์จากรีจิสเตอร์ที่มีแอดเดรสต่างกัน (Register Address 1, 2) ตามลำดับ

▷ GY-49 Module#

เนื่องจากไอซี MAX44009 มีขนาดเล็ก จึงนิยมใช้โมดูล Breakout เช่น โมดูล GY-49

โมดูล GY-49 มี 4 ขา ได้แก่

Pin Description
VCC Voltage Supply (+3.3V ~ +5V)
GND Ground
SCL I2C Clock
SDA I2C Data

ไอซี MAX44009 มีขา A0 (Address Select) ให้กำหนดค่าแอดเดรสของอุปกรณ์ได้เป็น 0x4A และ 0x4B) แต่โมดูล GY-49 ไม่มีขาสำหรับ ADDR แต่จะมี Solder Jumper สำหรับบัดกรี เพื่อกำหนดค่าบิต (และมีค่า Default เป็น 0x4A)

รูป: โมดูล GY-49 จากมุมมองด้านที่มีไอซี 662K (3.3V LDO Voltage Regulator) และด้านที่รับแสงซึ่งมีไอซี MAX44009 และมีการบัดกรีตรงตำแหน่ง Solder Jumper เอาไว้

รูป: ผังวงจรของโมดูล GY-49 (Source: wiki.sunfounder.cc)

จากตัวอย่างผังวงจรจะเห็นได้ว่า โมดูล GY-49 มีไอซี MAX44009 และมีวงจร แปลงแรงดันไฟเลี้ยง (LDO Voltage Regulator เช่น ใช้ไอซี 622K) แปลงจากไฟเลี้ยง +5V ให้เป็น +3.3V และมีวงจรที่ทำหน้าที่แปลงระดับแรงดันลอจิก (Logic Level Shifter) โดยใช้ทรานซิสเตอร์แบบ MOSFET (ใช้ไอซีเบอร์ K27 / 702 / 2N7002KDW: Dual N-Channel MOSFET, SOT3-6-3)

ตัวอย่างไลบรารีสำหรับการเขียนโค้ดด้วย Arduino และ MicroPython และมีการแชร์ไว้ใน Github ได้แก่

▷ ตัวอย่างการเขียนโค้ด Arduino#

โค้ด Arduino Sketch สาธิตการอ่านค่าจากโมดูล GY-49 โดยการเชื่อมต่อระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino Uno / Nano หรือ ESP32 ด้วยบัส I2C ความเร็ว 400kHz ถ้าใช้บอร์ด Arduino Nano ให้ใช้ขา A4 และ A5 สำหรับสัญญาณ SDA และ SCL ตามลำดับ แต่ถ้าเป็นบอร์ด ESP32 สามารถเลือกใช้ขาได้ตามความเหมาะสม 

//-------------------------------------------------------------------
// Author: RSP @ KMUTNB
// Date: 2022-08-23
// Target: Arduino ESP32 or Uno/Nano
//-------------------------------------------------------------------
#include <Wire.h>

// Select I2C Pins for ESP32
#define I2C_SDA_PIN  (33)
#define I2C_SCL_PIN  (32)
// Note: For arduino Uno or Nano, use A4 and A5 pins for SDA and SCL.

// Set the I2C address for the MAX44009 device
#define MAX44009_ADDR  (0x4a) // 0x4a or 0x4b

void setup() {
  Serial.begin( 115200 );
#if defined(ESP32)
  // set I2C Pins for ESP32
  Serial.println( "Set I2C pins for ESP32" );
  Wire.begin( I2C_SDA_PIN, I2C_SCL_PIN );
#else
  Wire.begin();
#endif
  Wire.setClock( 400000 ); // set I2C speed to 400kHz
  Wire.beginTransmission( MAX44009_ADDR );
  if ( Wire.endTransmission() > 0 ) {
    Serial.println( "MAX44009 not found! [error]" );
  } else {
    Serial.println( "MAX44009 found! [ok]" );    
  }
}

void loop() {
  float lux = -1.0;
  if ( MAX44009_read( MAX44009_ADDR, &lux ) ) {
#if defined(ESP32)
     Serial.printf( "Light: %.1f lx\n", lux );
#else
     Serial.print( "Light: " );
     Serial.print( lux, 1 ); // only 1 digit after the decimal point
     Serial.println( " lx" ); 
#endif
  } else {
     Serial.println( "Sensor reading error!" );
  }
}

bool MAX44009_read( uint8_t addr, float *lux ) {
  uint8_t buf[2];
  *lux = 0.0;
  Wire.beginTransmission( addr );
  Wire.write( 0x02 ); // select the configuration register
  Wire.write( 0x44 );   // use manual mode, TIM[2:0]=0b100 (50 msec) or
  //Wire.write( 0x80 ); // use automatic mode
  if ( Wire.endTransmission() > 0 ) {
    Serial.println( "No sensor response!" );
    return false;
  }
  delay(800); // wait for 800 msec
  uint8_t reg_addr[] = {0x03,0x04};
  for ( int i=0; i < 2; i++ ) {
    Wire.beginTransmission( addr );
    Wire.write( reg_addr[i] ); // specify the register address 
    Wire.endTransmission( false ); // no stop, followed by repeated start
    Wire.requestFrom( addr, 1 );
    if ( Wire.available() == 1 ) {
      buf[i] = Wire.read(); // data from the selected register 
    } else {
      return false;
    }
  }
  Wire.endTransmission();
  // Convert the data to lux
  int exponent =  (buf[0] & 0xf0) >> 4; // 4-bit exponent (E)
  int mantissa = ((buf[0] & 0x0f) << 4) | (buf[1] & 0x0f); // 8-bit mantissa (M)
  *lux = (1UL << exponent) * mantissa * 0.045;
  return true;
}

อีกตัวอย่างหนึ่งเป็นการสาธิตการใช้ไลบรารี Arduino MAX4409

โค้ดตัวอย่างการใช้ไลบรารี https://github.com/RobTillaart/Max44009/

#include <Wire.h>
#include "Max44009.h" // https://github.com/RobTillaart/Max44009/

Max44009 light( 0x4A );

void setup()  {
  Serial.begin( 115200 );
  Wire.begin();
  Wire.setClock( 400000 ); 
  delay(100);  
  light.setAutomaticMode(); // use automatic mode
}

void loop() {
  float lux = light.getLux();
  if ( light.getError() ) {
    Serial.println( "Sensor reading failed! [error]" );
  }
  else {
    Serial.print( "Light: " );
    Serial.print( lux, 1 );
    Serial.println( " lx" );
  }
  delay(1000);
}

รูป: การต่อวงจรทดลองโดยใช้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino Nano (5V)

รูป: การต่อวงจรทดลองโดยใช้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ ESP32 (3.3V)

 

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้นำเสนอการใช้งานโมดูลที่มีไอซี MAX44009 ซึ่งเป็นเซนเซอร์แบบดิจิทัลสำหรับการวัดความเข้มแสงในสภาวะแวดล้อมโดยรอบ โดยนำมาทดลองใช้งานร่วมกับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ ESP32 และ Arduino Nano และเขียนโปรแกรมด้วย Arduino IDE

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2022-08-23 | Last Updated: 2022-08-24