معرفی و راه اندازی رید رله با آردوینو

پیش از معرفی رید رله یا پاسخ به این که “رید رله چیست؟” و کاربرد آن در الکترونیک به چه‌صورتی است، بیایید با این پرسش صحبت خود را آغاز کنیم، که آیا تا به حال دقت کرده‌اید که با باز و بسته کردن برخی از تلفن‌همراه‌های تاشو یا درب لپ‌تاپ‌، این دستگاه‌ها روشن و خاموش می‌شوند؟

اما این روشن یا خاموش شدن چطور اتفاق می‌افتد؟ اگر فکر می‌کنید یک نوع کلید به لولای لپ‌تاپ یا تلفن‌همراه متصل ‌است که این حرکت باز‌ و بسته‌شدن را تشخیص‌ می‌دهد، کاملا حق با شماست!

تولیدکنندگان لوازم الکترونیکی دراین مدل دستگاه‌های تاشو از نوعی سنسور حساس به نام رید رله مغناطیسی شیشه ای یا رید سوئیچ (Reed Switch) استفاده‌ می‌کنند، به طوری که این سنسورها با قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی ( مانند نزدیک شدن به یک آهنربا) جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند و با خارج شدن از این میدان، جریان را قطع می‌کنند.

از رید رله می‌توان در پروژه‌های مختلف، مثلاً برای باز و بسته کردن درب‌ها به‌عنوان یک سنسور مجاورتی یا داخل دستگاه‌های بادسنج (برای سنجش سرعت باد) و … استفاده کرد. پس بیایید نگاه دقیق‌تری به رید رله های مغناطیسی داشته باشیم و با نحوه عملکرد آن‌ها بیشتر آشنا شویم.

رید رله نخستین‌بار توسط چه کسی اختراع شد؟

رید رله نخستین بار توسط والتر بی الوود در اواسط دهه‌ی 1930 اختراع شد و همچون بسیاری از اختراعات بزرگ دیگر، در آزمایشگاه‌‌های بل شکل گرفت. درخواست ثبت اختراع او در 27 ژوئن 1940 ثبت شد و در 2 دسامبر 1941 امتیاز این اختراع رسماً به او اعطا شد.

رید رله چیست؟

رید رله ها، نوعی کلید‌ الکترومکانیکی هستند که توسط انرژی مغناطیسی فعال شده و جریان برق را از خود عبور می‌دهند. از جمله مزایای استفاده از این سوئیچ رله همانطور که در ادامه نیز خواهیم دید؛ ساختار ساده، قیمت ارزان، دوام بالا، عملکرد بدون نیاز به تماس فیزیکی و مورد اطمینان برای استفاده در محیط‌های حساس و قابل اشتعال است.

ساختار رید سوئیچ ها

یک سوئیچ رید رله معمولی شامل یک جفت بازو یا کنتاکت فلزی انعطاف‌پذیراست، که از ماده‌ی فرومغناطیس ساخته‌ شده‌اند.(ماده‌ی فرومغناطیس با قرار‌گرفتن در میدان‌مغناطیسی به‌سرعت خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند و با دور شدن از آن به راحتی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهد)

معمولاً سطح کنتاکت‌های فلزی رید رله‌ها را با فلزات سختی مانند: رودیوم، روتنیوم، پالادیوم یا ایریدیوم می‌پوشانند. این کار باعث شده تا رید رله ها عمر طولانی‌تری داشته‌باشند و با میلیون‌ها بار قطع و وصل شدن آسیبی نبینند.

این کنتاکت‌های فلزی درون یک محفظه‌ی شیشه‌ ای قرارگرفته‌اند تا از هرگونه گرد ‌وغبار و آلودگی درامان باشند. این محفظه‌ی شیشه ای از ارتباط مستقیم کنتاکت‌ها با محیط اطراف جلوگیری می‌کند.

همانطور که ما در ابتدای بخش معرفی رید رله، به مزیت قابلیت اطمینان بالای این سوئیچ‌ رله ها اشاره کردیم. متوجه شدید، درواقع این ویژگی ساختاری است باعث شده رید سوئیچ ها برای استفاده در محیط‌های قابل اشتعال که ایجاد یک جرقه کوچک ناشی از کلیدهای معمولی نیز جبران‌ناپذیر است، مناسب باشند. (درون محفظه‌ی شیشه‌ ای رید رله‌ ها با یک گاز‌ بی‌اثر، مانند نیتروژن، یا خلأ پر می‌شود تا از اکسیدشدن کنتاکت‌ها جلوگیری کند.)

به طور معمول کنتاکت‌های فلزی رید رله ها از آلیاژ نیکل و آهن ساخته می‌شوند. این ترکیب دارای خاصیت نفوذپذیری‌ مغناطیسی بالایی است و با قرار گرفتن در میدان مغناطیسی، به راحتی این خاصیت مغناطیسی را دریافت می‌کند. اما کنتاکت‌ها نمی‌توانند آن را برای مدت زیادی حفظ کند و با عدم حضور در یک میدان مغناطیسی، خاصیت ربایش خود را از دست می‌دهند.

همان‌‌طور که دانستید، رید رله ها نوعی سوئیچ الکترومکانیکی هستند و مانند یک کلید عمل می‌کنند و مدتی طول می‌کشد تا نسبت به تغییرات در یک میدان‌ مغناطیسی پاسخ‌ بدهند. به عبارت دیگر سرعت کلیدزنی آن‌ها در مقایسه با دیگر سوئیچ‌ های الکترونیکی کمتر است. (معمولاً وصل شدن کنتاکت ها 0.6 میلی ثانیه و جدا شدن آن‌ها 0.2 میلی ثانیه طول می‌کشد).

ساختار کنتاکت‌های رید رله به گونه‌ای است که با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی، به جای یک کنتاکت، هر دو کنتاکت آن حرکت‌ کرده و یکدیگر را جذب می‌کنند. طی این فرآیند، یک ناحیه‌ی تماس مسطح و موازی بین کنتاکت‌ها شکل می‌گیرد که به افزایش طول‌عمر و قابلیت اطمینان رید رله کمک شایانی می‌کند.

لازم به ذکر است که سنسور رید رله فقط حضور میدان مغناطیسی را تشخیص می‌دهد و قابلیت اندازه‌گیری میدان مغناطیسی را ندارد. چنان‌چه در پروژه‌ی خود به اندازه‌گیری میدان مغناطیسی نیاز دارید می‌توانید از یک سنسور آنالوگ اثرهال مثل سنسور مغناطیس UGN3144 استفاده نمایید.

نحوه‌ی عملکرد رید رله چگونه است؟

برای درک نحوه‌ی عملکرد رید رله‌ های مغناطیسی شیشه ای، ابتدا می‌بایست توجه داشته باشید که آن‌ها بخشی از یک مدارمغناطیسی و همینطور یک مدارالکتریکی هستند. بنابراین زمانی که یک آهنربا را به یک رید رله نزدیک می‌کنید، کل رید رله بخشی از مدار‌مغناطیسی خواهد شد و خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند. (خطوط نقطه چین در تصویر زیر بخشی از میدان مغناطیسی را نشان می‌دهند.)

در این حالت، دو کنتاکت رید رله به قطب‌های مغناطیسی ناهمنام تبدیل می‌شوند، به همین‌خاطر یکدیگر را جذب و به هم متصل می‌شوند. (بنابراین جریان الکتریسیته از آن عبور خواهد‌کرد)

اصلاً اهمیتی ندارد یک آهنربا را از چه جهتی به رید رله نزدیک کنید. به این دلیل که در هر حالت، کنتاکت‌ها به قطب‌های ناهمنام تبدیل می‌شوند و یکدیگر را جذب می‌کنند.
وقتی آهنربا را از رید رله دور کنید، خاصیت مغناطیسی رید سوئیچ ازدست می‌رود. با این حرکت، کنتاکت‌های آن از یکدیگر جداشده و به موقعیت اصلی خود بازمی‌گردند.

درواقع رید رله، مانند یک کلید Normally Open می‌باشد. یعنی تا زمانی که رید رله هنوز توسط میدان مغناطیسی تحریک نشده، کنتاکت‌ها اتصالی به یکدیگر ندارند. در این حالت مانند یک کلید باز عمل می‌کند و جریان الکتریسیته را هدایت نمی‌کند. اما هنگامی که یک آهنربا به اندازه‌ی کافی به رید رله نزدیک شود، کنتاکت‌ها به یکدیگر متصل می‌شوند و مانند یک کلید بسته عمل می‌کند. این اتصال باعث می‌شود جریان الکتریسیته از آن‌ بازوها عبور و مدار را فعال ‌کند.
در تصاویر فوق، حرکت کنتاکت‌ها تا حدود زیادی به صورت اغراق‌آمیز نمایش داده‌شده‌است! زیرا در یک رید رله واقعی، کنتاکت‌ها تنها چند میکرون از هم فاصله دارند. (چیزی حدود 10 برابر نازک تر از موی انسان) بنابراین حرکت کنتاکت‌ها با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست. در تصویر میکروسکوپی زیر، نمایی از اتصال کنتاکت‌ها به یکدیگر نشان ‌داده شده‌است.

چطور یک رید رله را با آردوینو راه اندازی کنیم؟

پس از معرفی کامل رید رله ها نوبت به یادگیری نحوه عملکرد و راه اندازی این سوئیچ مغناطیسی با آردوینو است و تجهیزاتی که برای انجام این راه اندازی نیاز داریم شامل موارد زیر می‌باشد:

• رید رله
• برد آردوینو
• مینی برد بورد 170 سوراخ
• دو عدد سیم جامپر نری/ نری 20 سانتی متری
• کابل USB نری به USB نری (نوع A به B) 30 سانتی متری

برای شروع هردو پایه‌ی رید رله را خم‌ کنید، طوری‌که به  صورت عمود با بدنه‌ی شیشه ای رید رله قرار‌گیرند. سپس مطابق شکل زیر، آن را داخل یک بردبورد قراردهید و با استفاده از دو سیم جامپر، یکی از سرهای رید رله را به زمین و سر دیگر آن را به پایه‌ی D2 در آردوینو متصل نمایید.

کد آردوینو

در ادامه یک برنامه‌ی بسیار ساده و کوتاه براساس مداری که بسته‌ایم نوشته‌ شده‌ است. در این برنامه، هنگامی که یک آهنربا به اندازه‌ی کافی به رید رله نزدیک ‌شود، LED متصل به پایه‌ی شماره 13 در آردوینو روشن شده و زمانی‌که آهنربا از رید رله دور شود، LED خاموش می‌شود.

const int REED_PIN = 2;	// Pin connected to reed switch
const int LED_PIN = 13;	// LED pin

void setup() {
	Serial.begin(9600);
	pinMode(REED_PIN, INPUT_PULLUP);	// Enable internal pull-up for the reed switch
	pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

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

پس از آن که یک رید رله مغناطیسی شیشه ای را به ماژول آردوینو خود متصل کردید، برنامه‌ی بالا را بر روی آردوینو آپلود کنید و با استفاده از یک آهنربا، تست مدار را آغاز کنید. برای این‌کار ابتدا مانیتور سریال IDE آردوینو را باز و بادریت را بر روی 9600 تنظیم کنید. سپس آهنربای خود را به رید رله نزدیک کنید. هنگامی‌که آهنربا به فاصله‌ی یک سانتی‌متری از بدنه رید رله برسد، کنتاکت‌های آن به هم متصل و به عبارتی کلید بسته می‌شود و زمانی‌که فاصله‌ی رید رله و آهنربا بیش از این مقدار باشد، رید رله باز و به اصطلاح کلید باز می‌شود. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، عبارت Switch Open به معنای باز بودن کلید و Close Switch نشان دهنده‌ی بسته بودن کلید می‌باشد.

const int REED_PIN = 2;
const int LED_PIN = 13;

void setup() {
	Serial.begin(9600);
	pinMode(REED_PIN, INPUT_PULLUP);
	pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
	int proximity = digitalRead(REED_PIN);

	if (proximity == LOW) {
		Serial.println("Switch closed");
		digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
	}
	else {
		Serial.println("Switch opened");
		digitalWrite(LED_PIN, LOW);
	}
}