Тема сегодняшнего урока — датчик движения на основе пироэлектрического эффекта (PIR, passive infrared motion sensor). Такие датчики часто используются в охранных системах и в быту для обнаружения движения в помещении. Например, на принципе детектирования движения основано автоматическое включение света в подъезде или в ванной. Пироэлектрические датчики достаточно простого устроены, недороги и неприхотливы в установке и обслуживании.
Кстати сказать, существуют и другие способы детектирования движения. Сегодня всё чаще используют системы компьютерного зрения для распознавания объектов и траектории их перемещения. В тех же охранных системах применяются лазерные детекторы, которые дают тревожный сигнал при пересечении луча. Также используются тепловизионные датчики, способные определить движение только живых существ.
Датчик движения и освещения Подключаем датчик движения к фонарю
Принцип действия пироэлектрических датчиков движения
Пироэлектрики — это диэлектрики, которые создают электрическое поле при изменении их температуры. На основе пироэлектриков делают датчики измерения температуры, например, LHI778 или IRA-E700. Каждый такой датчик содержит два чувствительных элемента размером 1×2 мм, подключенных с противоположной полярностью. И как мы увидим далее, наличие именно двух элементов поможет нам детектировать движение.
Вот так выглядит датчик IRA-E700 компании Murata.
На этом уроке мы будем работать с датчиком движения HC-SR501, в котором установлен один такой пироэлектрический датчик. Сверху пироэлектрик окружен полусферой, разбитой на несколько сегментов. Каждый сегмент этой сферы представляет собой линзу, которая фокусирует тепловое излучение на разные участки ПИР-датчика. Часто в качестве линзы используют линзу Френеля.
Принцип работы датчик движения следующий. Предположим, что датчик установлен в пустой комнате. Каждый чувствительный элемент получает постоянную дозу излучения, а значит и напряжение на них имеет постоянное значение (левый рисунок).
Как только в комнату заходит человек, он попадает сначала в зону обзора первого элемента, что приводит к появлению положительного электрического импульса на нем (центральный рисунок).
Человек движется, и его тепловое излучение через линзы попадает уже на второй PIR-элемент, который генерирует отрицательный импульс. Электронная схема датчика движения регистрирует эти разнонаправленные импульсы и делает выводы о том, что в поле зрения датчика попал человек. На выходе датчика генерируется положительный импульс (правый рисунок).
НЕ ОЖИДАЛ такого от ДАТЧИКА ДВИЖЕНИЯ
Настройка HC-SR501
На этом уроке мы будем использовать модуль HC-SR501. Этот модуль очень распространен и применяется во множестве DIY проектов в силу своей дешевизны.
У датчика имеется два переменных резистора и перемычка для настройки режима. Один из потенциометров регулирует чувствительность прибора. Чем она больше, тем дальше «видит» датчик. Также чувствительность влияет на размер детектируемого объекта. К примеру, можно исключить из срабатывания собаку или кошку.
Второй потенциометр регулирует время срабатывания T. Если датчик обнаружил движение, он генерирует на выходе положительный импульс длиной T.
Наконец, третий элемент управления — перемычка, которая переключает режим датчика. В положении L датчик ведет отсчет Т от самого первого срабатывания. Допустим, мы хотим управлять светом в ванной комнате. Зайдя в комнату, человек вызовет срабатывание датчика, и свет включится ровно на время Т. По окончании периода, сигнал на выходе вернется в исходное состояние, и датчик будет дать следующего срабатывания.
В положении H датчик начинает отсчет времени T каждый раз после обнаружения движения. Другими словами, любое шевеление человека вызовет обнуление таймера отсчета Т. По-умолчанию, перемычка находится в состоянии H.
Подключение HC-SR501 к Ардуино Уно
Для соединения с микроконтроллером или напрямую с реле у HC-SR501 имеется три вывода. Подключаем их к Ардуино по следующей схеме:
| HC-SR501 | GND | VCC | OUT |
| Ардуино Уно | GND | +5V | 2 |
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Программа
Как уже было сказано, цифровой выход датчика HC-SR501 генерирует высокий уровень сигнала при срабатывании. Напишем простую программу, которая будет отправлять в последовательный порт «1» если датчик увидел движение, и «0» в противном случае.
const int movPin = 2 void setup() < Serial.begin(9600); pinMode(movPin, INPUT); >void loop()
Загружаем программу на Ардуино и проверяем работу датчика. Можно покрутить настройки датчика и посмотреть как это отразится на его работе.
Управление светом при помощи датчика движения
Следующий шаг — система автоматического включения света. Для того, чтобы управлять освещением в помещении, нам потребуется добавить в цепь реле.
Будем использовать модуль реле с защитой на основе опторазвязки, о котором мы уже писали в одном и уроков ( урок про реле ).
Внимание! Данная схема зажигает лампу от сети 220 Вольт. Рекомендуется семь раз проверить все соединения, прежде чем соединять схему с бытовой электросетью.
Принципиальная схема
Внешний вид макета
Программа
Теперь напишем программу, которая будет при срабатывании датчика включать реле, а следовательно и освещение в комнате.
const int movPin = 2; const int relPin = 3; void setup() < Serial.begin(9600); pinMode(movPin, INPUT); pinMode(relPin, OUTPUT); >void loop()
Загружаем программу на Ардуино, аккуратно подключаем схему к бытовой сети и проверяем работу датчика.
Заключение
Датчики движения окружают нас повсюду. Благодаря охранным системам, их можно встретить практически в каждом помещении. Как мы выяснили, они очень просты в использовании и могут быть легко интегрированы в любой проект на Ардуино или Raspberry Pi.
Вот несколько ситуаций и мест, где может пригодиться датчик движения:
- автоматическое включение света в подъезде дома, в ванной комнате и туалете, перед входной дверью в помещение;
- сигнализация в помещении и во дворе;
- автоматическое открывание дверей;
- автоматическое включение охранной видеокамеры.
Как уже говорилось в самом начале, существуют и другие способы детектирования движения. О них мы поговорим на следующих уроках!
Источник: robotclass.ru
Как работает PIR датчик HC-SR501, и его взаимодействие с Arduino
Для большинства наших проектов на Arduino, которые должны определять, когда человек покинул или вошел в зону, или приблизился, PIR датчики HC-SR501 являются отличным выбором. Они имеют низкое энергопотребление и низкую стоимость, довольно прочные, имеют широкий диапазон линз, с ними легко взаимодействовать, и они безумно популярны среди любителей.
PIR датчик HC-SR501 имеет три вывода: питание VCC, выход и земля (показано на рисунке ниже). Он имеет встроенный стабилизатор напряжения, поэтому он может питаться от любого постоянного напряжения от 4,5 до 12 вольт, обычно используется 5В. Кроме этого, у него есть несколько настроек. Давайте проверим их.
На плате есть два потенциометра для настройки пары параметров:
- Чувствительность – устанавливает максимальное расстояние, на котором может быть обнаружено движение. Оно варьируется от 3 до 7 метров. На реальное расстояние, которое вы получите, может влиять планировка вашего помещения.
- Время – устанавливает время, в течение которого выходной сигнал останется на высоком логическом уровне после обнаружения. Минимум – 3 секунды, максимум – 300 секунд или 5 минут.
Наконец, на плате есть перемычка (на некоторых моделях перемычка не впаяна). У нее есть два варианта настройки:
- H – это удержание / повтор / повторный запуск. В этом положении HC-SR501 будет продолжать выдавать высокий логический уровень, пока он продолжает обнаруживать движение.
- L – это прерывающийся или неповторяющийся / без повторного запуска. В этом положении выходной сигнал останется на высоком логическом уровне в течение времени, установленного регулировкой потенциометра TIME.
VCC – вывод питания для PIR датчика HC-SR501, к которому мы подключаем вывод 5V на Arduino.
Выходной контакт – логический выход с TTL уровнем 3,3 В. Низкий логический уровень означает, что движение не обнаружено, высокий логический уровень означает, что было обнаружено какое-то движение. GND должен быть подключен к земле Arduino.
Что нужно учесть перед проектированием приложений на базе PIR датчиков
Как и для большинства PIR датчиков, HC-SR501 требуется некоторое время для адаптации к инфракрасной энергии в помещении. Это занимает от 30 до 60 секунд при первом включении датчика. Кроме того, датчик имеет период «сброса» около 5 или 6 секунд после считывания. В течение этого времени он не обнаружит никакого движения.
При проектировании системы на базе HC-SR501 вам необходимо будет учитывать эти длительности задержек.
Повышение универсальности PIR датчика HC-SR501
Печатная плата HC-SR501 имеет площадки для двух дополнительных компонентов. Они обычно обозначаются как “RT” и “RL”. Обратите внимание, что на некоторых платах обозначения могут быть закрыты «купольной» линзой на стороне, противоположной компонентам.
- RT – предназначен для термистора или термочувствительного резистора. Его добавление позволяет использовать HC-SR501 при экстремальных температурах, а также в некоторой степени повышает точность детектора.
- RL – это место для подключения светочувствительного резистора (LDR) или фоторезистора. При добавлении этого компонента HC-SR501 будет работать только в темноте, это обычное применение для систем освещения, чувствительных к движению.
Дополнительные компоненты могут быть припаяны непосредственно к плате или выведены в удаленные места с помощью проводов и разъемов.
Источник: alikidala.ru
PIR-датчик: описание и инструкция по подключению
В редких случаях современные системы сигнализации обходятся без сенсорных компонентов. Именно чувствительные датчики позволяют обнаруживать тревожные признаки по тем или иным показателям. В системах безопасности дома такие задачи выполняют детекторы света, оконные сенсоры удара, устройства для определения утечек и т. д. Но если речь идет об охранной функции, то на первое место выходит PIR-датчик движения, работающий на принципе инфракрасного излучения. Это миниатюрное устройство, которое может и само по себе выступать индикатором состояния обслуживаемого участка или входить в общий охранный комплекс. Как правило, выбирается второй вариант использования сенсора как наиболее эффективное решение.
Общие сведения о датчике
Практически все датчики движения предназначены для обнаружения посторонних в помещении. Классическая охранная система предполагает, что сенсор зафиксирует факт вторжения в контролируемую зону, после чего сигнал поступит на пункт управления и далее будут предприняты те или иные меры.
Чаще всего подается сигнал в виде SMS-сообщения на пульт уже непосредственно охранной службы, а также на телефон хозяина. В данном случае рассматривается одна из разновидностей таких устройств – пироэлектрический PIR-датчик, который отличается высокой эффективностью и точностью.
Впрочем, качество функции таких моделей зависит от множества факторов – от выбранной схемы интеграции сенсора в охранный комплекс до внешних условий воздействия на конструкцию с чувствительной начинкой. Важно также заметить, что датчики движения не всегда используют как инструмент защиты от злоумышленника. Его вполне можно установить для автоматического контроля отдельных участков системы освещения. В таком случае, например, прибор будет активизироваться при входе пользователя в помещение и так же выключаться, когда он его покинет.
Принцип работы
Для понимания специфики работы данного устройства стоит обратиться к особенностям реакций некоторых кристаллических веществ. Используемые в датчике чувствительные элементы обеспечивают эффект поляризации в моменты, когда на них падает излучение. В данном случае идет речь о тепловом излучении от человеческого тела.
При резком изменении характеристик в наблюдаемой зоне меняется и напряженность в электрическом поле кристалла. Собственно, по этой причине инфракрасный датчик PIR также называется пироэлектрическим. Как и все детекторы, такие устройства не идеальны. В зависимости от условий они могут срабатывать на ложные сигналы или не определять целевые явления. Однако по совокупности эксплуатационных свойств в большинстве случаев они оправдывают свое применение.
Основные характеристики
Главные рабочие показатели, которые должен учитывать потребитель, касаются радиусов действия устройства и способностей к автономной работе. Что касается параметров по диапазонам охвата, то контролируемая зона, как правило, составляет 6-7 м. Этого достаточно, если дело касается охраны частного дома и тем более квартиры.
В некоторых моделях предусматривается и функция микрофона – в этой части также важно определить радиус действия, который может достигать и 10 м. Вместе с этим PIR-датчик может иметь прямое или автономное энергоснабжение. Если планируется организация охранной системы, то лучше приобретать модели со встроенными аккумуляторами, которые не требуют проводки. Далее определяется время, на протяжении которого устройство сможет поддерживать свою функцию без дозарядки. Современные модели не требуют большого энергетического обеспечения, поэтому в пассивном состоянии могут работать порядка 15-20 дней.
Конструкция устройства
Корпус датчиков обычно выполняется из металла. Внутри содержатся два кристалла – это и есть чувствительные к термическому излучению элементы. Важной конструкционной особенностью детекторов этого типа является своего рода окошко в металлической оболочке. Оно предназначено для допуска излучения нужного диапазона.
Такая фильтрация как раз и предназначена для повышения точности работы кристаллов. Перед окном в корпусе также располагается оптический модуль, который формирует необходимую диаграмму направленности волн. Чаще всего PIR-датчик снабжается линзой Френеля, штампованной на пластике. Для обработки уже электрических сигналов и отсечения помех используется и полевой транзистор. Он располагается возле чувствительных кристаллов и, несмотря на задачу отсечения помех, в некоторых моделях может понижать эффективность функции кристалла.
Система GSM в датчике
Данный опционал можно назвать излишним, хотя есть немало приверженцев такой концепции. Суть совмещения функции определения движения посредством сенсора и модуля GSM обусловлена стремлением уже к полной автономности устройства.
Как отмечалось выше, датчик связывается с центральным пультом управления, от которого в дальнейшем исходит сигнал на оперативный охранный комплекс или на телефон непосредственного владельца. Если же используется PIR-датчик движения с системой GSM, то отправка тревожного сигнала может осуществляться моментально в момент регистрации факта проникновения.
То есть этап переправки сигнала на промежуточный контроллер пропускается, что позволяет выиграть иногда несколько секунд. И это не говоря о повышении надежности за счет исключения дополнительных звеньев в цепи передачи сообщения. В чем же недостаток данного решения? Во-первых, оно полностью полагается на работу GSM-связи, что, напротив, понижает надежность системы, но уже по другой причине. Во-вторых, наличие модуля как такового негативно сказывается на работе чувствительного элемента – соответственно, точность фиксации проникновения снижается.
Программное обеспечение
В сложных охранных комплексах, где используются интеллектуальные контроллеры с высокой степенью автоматизации, не обойтись без средств программирования датчика. Обычно производители разрабатывают специальные готовые программы с обширным набором режимов эксплуатации. Но при возможности пользователь может создать и свой алгоритм действия датчика в тех или иных условиях.
Его можно будет интегрировать через официальное программное обеспечение, которое поставляется вместе с аппаратурой. Обычно таким образом настраивается схема действия прибора в моменты фиксации тревоги – например, прописывается алгоритм отправки сообщений, если модель имеет тот же модуль обеспечения сотовой связи. С другой стороны, распространены домашние не охранные PIR-датчики светодиодные, отзывы о которых отмечают эффективность информирования о работе отдельных компонентов системы освещения. В каждом устройстве есть микроконтроллер, который отвечает за действия прибора в соответствии с заложенными командами.
Установка сенсора
Физическая установка датчика производится с помощью комплектных фиксаторов. Обычно применяют кронштейны или саморезы, закрепляющие не сам корпус детектора, а конструкцию, в которую он первоначально интегрируется. По сути, это дополнительный каркас с предусмотренными для закручивания отверстиями. Но главное в этой части работы – верно рассчитать положение сенсора.
Дело в том, что инфракрасный датчик движения PIR проявляет наибольшую чувствительность в ситуациях, когда объект с тепловым излучением пересекает поле контроля со стороны. И напротив, если человек направляется прямо на устройство, то способность фиксации сигнала будет минимальной. Также не стоит располагать прибор в местах, которые постоянно или периодически подвергаются температурным колебаниям из-за работы отопительного оборудования, открывающихся дверей и окон или работающей системы вентиляции.
Подключение датчика
Устройство необходимо подключить к основному реле контроллера и системе энергоснабжения. На типовом аппарате предусматривается плата с клеммами, предназначенными для источника питания. Чаще всего используется источник с напряжением 9-14 В, а ток потребления может составлять 12-20 мА. Обычно производители указывают электротехнические характеристики посредством маркировки клемм.
Соединение осуществляется по одной из стандартных схем с учетом особенностей эксплуатации конкретной модели. В некоторых модификациях возможно подключение PIR-датчика без проводки, то есть напрямую к сети. Это в некотором роде комбинированные конструкции, которые устанавливаются на открытых местах и управляют теми же системами освещения. В случае установки охранного сенсора такой вариант вряд ли будет уместен.
Нюансы эксплуатации
Сразу после монтажа и подключения следует задать устройству оптимальные параметры функционирования. Например, регулировке поддается сила чувствительности, диапазон охвата излучения и т. д. В новейших программируемых модификациях допускается и возможность автоматической коррекции параметров работы датчика в зависимости от условий эксплуатации. Так, если подключить PIR-датчик к центральному контроллеру, связанному с терморегуляторами, то чувствительный элемент сможет варьировать границы критических показателей излучения на основе получаемых данных о температуре.
Датчик в системе «Ардуино»
Комплекс «Ардуино» является одной из самых популярных систем управления домашней автоматикой. Это контроллер, к которому подключаются источники освещения, системы мультимедиа, отопительные приборы и другая бытовая техника. Датчики в этом комплексе не являются конечными функциональными устройствами – они лишь выполняют роль индикаторов, в зависимости от состояния которых центральный блок с микропроцессором принимает то или иное решение в соответствии с заложенным алгоритмом. Подключается PIR-датчик «Ардуино» через три канала, среди которых выходной цифровой сигнал, а также линии питания с разной полярностью – GND и VCC.
Популярные модели PIR-датчиков
Большинство датчиков преимущественно выпускаются китайскими производителями, поэтому стоит готовиться к проблемам с электротехнической начинкой. Приобрести по-настоящему качественный сенсор можно разве что в комплектации с контроллерами.
Тем не менее многие хвалят датчик движения PIR MP Alert A9, который хоть и представляет бюджетный сегмент, но отличается достойной сборкой и неплохими рабочими качествами. По-своему интересны и такие модели, как Sensor GH718 и HC-SR501. Это датчики открытого типа, которые можно без труда замаскировать или включить в комплекс того же контроллера. Что касается эксплуатационных свойств, то радиус охвата описанных моделей составляет 5-7 м, а время автономной работы – в среднем 5 дней.
Сколько стоит устройство?
По сравнению с ценниками современной сигнализационной аппаратуры, сенсор выглядит весьма привлекательно. Всего за 1,5-2 тыс. р. можно приобрести качественную модель и даже с расширенной комплектацией. В среднем же простой PIR-датчик оценивается в сумму, не превышающую 1 тыс. Другое дело, что о надежности и долговечности в данном случае речи не идет.
При этом не стоит думать, что этот компонент обойдется недорого в составе комплексной охранной системы. Даже обеспечение безопасности небольшого частного дома может потребовать использование десятка таких датчиков, для каждого из которых также понадобится и вспомогательная оснастка под монтаж и подключение.
Заключение
Вхождение сенсорных компонентов в охранные системы радикально изменило принципы их работы. С одной стороны, детекторы позволили поднять на новый уровень безопасность обслуживаемого объекта, а с другой – усложнили техническую инфраструктуру, не говоря о системе управления. Достаточно сказать, что PIR-датчик Arduino свои возможности в полной мере раскрывает только при условии программирования на автоматическую работу. Причем он взаимодействует не только с прямыми регистраторами сигнала о вторжении, но и с другими чувствительными элементами, которые повышают его эффективность. В то же время производители стремятся и облегчать задачи самих пользователей. Для этого разрабатываются устройства, работающие без проводов, вводятся модули управления датчиками с помощью смартфонов и т. д.
Источник: fb.ru