Датчик движения PIR: что это такое и как работает

Описание датчика движения ардуино

Конструкция ИК-датчика движения не очень сложна: он состоит из пироэлемента, который очень чувствителен (цилиндрическая часть с кристаллом в центре) к наличию определенного уровня инфракрасного излучения в области действие. Чем выше температура объекта, тем сильнее излучение. Над ИК-датчиком установлена ​​полусфера, разделенная на несколько секций (линз), каждая из которых обеспечивает фокусировку излучения тепловой энергии на разных сегментах датчика движения. Чаще всего в качестве линзы используется линза Френеля, которая за счет концентрации теплового излучения позволяет расширить диапазон чувствительности инфракрасного датчика движения Arduino.

ИК-датчик конструктивно разделен на две половины. Это связано с тем, что для устройства сигнализации важно наличие движения в зоне чувствительности, а не сам уровень излучения. Поэтому детали установлены таким образом, что при обнаружении другого уровня излучения выходная мощность будет либо высокой, либо низкой.

Основными техническими характеристиками датчика движения Arduino являются:

• Зона обнаружения движущихся объектов составляет от 0 до 7 метров;
• Диапазон углов сопровождения — 110°;
• Напряжение питания — 4,5-6 В;
• Рабочий ток — до 0,05 мА;
• Температурный режим — от -20 ° до + 50 ° С;
• Регулируемое время задержки от 0,3 до 18 с.

Модуль, на котором установлен инфракрасный датчик движения, включает в себя дополнительную электропроводку с предохранителями, резисторами и конденсаторами.

Принцип работы датчика движения на Ардуино следующий:

• Когда устройство установлено в пустом помещении, доза излучения, получаемая каждым элементом, постоянна, как и напряжение;
• Когда человек появляется в комнате, он прежде всего попадает в поле зрения первого элемента, на котором появляется положительный электрический импульс;
• Когда человек перемещается по комнате, вместе с ним движется тепловое излучение, которое уже попадает на второй датчик. Этот PIR-элемент уже генерирует отрицательный импульс;
• Разнонаправленные импульсы регистрируются электроникой датчика, которая делает вывод о том, что в поле зрения датчика Arduino Pir находится человек.
  
  Для надежной защиты от внешнего шума, перепадов температуры и влажности сенсорные элементы Pir на Arduino установлены в герметичном металлическом корпусе. Сверху корпуса по центру расположен прямоугольник из материала, пропускающего инфракрасное излучение (чаще всего на основе силикона). Чувствительные элементы установлены за пластиной.

Основные характеристики

Основные показатели производительности, которые должен учитывать потребитель, касаются дальности действия устройства и способности работать самостоятельно. Что касается параметров по дальности покрытия, то контролируемая площадь, как правило, составляет 6-7 м, что достаточно для защиты частного дома и тем более квартиры. В некоторых моделях есть еще и функция микрофона: в этой части также важно определить дальность действия, которая может достигать 10 м. При этом датчик PIR может иметь прямое или автономное питание. Если вы планируете организовать систему безопасности, то лучше приобретать модели со встроенными аккумуляторами, не требующими разводки. Далее определяется время, в течение которого устройство сможет поддерживать свою функцию без подзарядки. Современные модели не требуют большого запаса энергии, поэтому в пассивном состоянии могут проработать около 15-20 дней.

Конструкция устройства

Корпус датчиков обычно металлический. Внутри два кристалла: это элементы, чувствительные к тепловому излучению. Важной конструктивной особенностью извещателей этого типа является своеобразное окно в металлической оболочке. Он предназначен для излучения желаемого диапазона. Эта фильтрация предназначена для повышения точности кристаллов. Перед окном в корпусе также расположен оптический модуль, который формирует необходимую диаграмму направленности волн. Чаще всего датчик PIR снабжен линзой Френеля, напечатанной на пластике. Полевой транзистор также используется для обработки электрических сигналов и устранения помех. Он находится рядом с чувствительными кристаллами и, несмотря на задачу подавления шума, в некоторых моделях может снизить эффективность функции кристалла.

Система GSM в датчике

Такой вариант можно назвать лишним, хотя приверженцев этой концепции много. Суть совмещения функции обнаружения движения через датчик и модуль GSM обусловлена ​​стремлением к полной автономности устройства. Как было сказано выше, датчик связывается с блоком управления, от которого в дальнейшем сигнал поступает в комплекс оперативного наблюдения или на телефон непосредственного владельца. Если датчик движения PIR используется с системой GSM, можно немедленно отправить сигнал тревоги при регистрации проникновения. То есть пропускается этап пересылки сигнала на промежуточный контроллер, что иногда позволяет выиграть несколько секунд. И это не говоря уже о повышенной надежности за счет устранения дополнительных звеньев в цепочке передачи сообщений. В чем недостаток этого решения? Во-первых, он полностью полагается на функционирование GSM-связи, что, наоборот, снижает надежность системы, но по другой причине. Во-вторых, наличие модуля как такового отрицательно сказывается на работе чувствительного элемента — в результате снижается точность закрепления проходки.

Принцип действия пироэлектрических датчиков движения

Пироэлектрики — это диэлектрики, которые создают электрическое поле при изменении их температуры. Датчики измерения температуры выполнены на основе пироэлектрических материалов, например, LHI778 или IRA-E700. Каждый из этих датчиков содержит два чувствительных элемента размером 1 × 2 мм, подключенных с противоположной полярностью. И, как мы увидим позже, наличие всего двух элементов поможет нам обнаружить движение.

Вот как выглядит датчик Murata IRA-E700.

В этом уроке мы будем работать с датчиком движения HC-SR501, который имеет один из этих пироэлектрических датчиков. Сверху пироэлектрик окружен полусферой, разделенной на несколько сегментов. Каждый сегмент этой сферы представляет собой линзу, которая фокусирует тепловое излучение на различных частях датчика PIR. В качестве линзы часто используют линзу Френеля.

Принцип работы датчика движения следующий. Допустим, датчик установлен в пустой комнате. Каждый чувствительный элемент получает постоянную дозу излучения, что означает, что напряжение на нем имеет постоянное значение (рисунок слева).

Как только человек входит в комнату, он сначала попадает в поле зрения первого элемента, что приводит к появлению на нем положительного электрического импульса (центральный рисунок).

Человек движется, и его тепловое излучение через линзы попадает на второй ИК-элемент, который генерирует отрицательный импульс. Электронная схема датчика движения записывает эти разнонаправленные импульсы и делает вывод о том, что человек вошел в поле зрения датчика. На выходе датчика формируется положительный импульс (рисунок справа).

Использование PIR датчика в качестве автономного устройства

Одна из причин, по которой ИК-датчик HC-SR501 чрезвычайно популярен, заключается в том, что это очень универсальный и автономный датчик. А подключив его к любому микроконтроллеру, например, Arduino, вы можете еще больше расширить его универсальность. В нашем первом эксперименте мы будем использовать только HC-SR501, чтобы показать, насколько он полезен сам по себе.

Схема подключения для этого эксперимента очень проста. Батареи подключаются к контактам VCC и GND датчика, а небольшой красный светодиод подключается к выходному контакту через ограничивающий ток резистор 220 Ом. И это все!

Теперь, когда PIR обнаруживает движение, выходной контакт становится высоким и загорается светодиод!

Рисунок 9 — Схема тестирования для подключения датчика PIR без использования Arduino. Он показывает, как датчик PIR может использоваться в автономных приложениях.

Помните, что когда вы включаете питание, вам нужно подождать 30-60 секунд, чтобы датчик PIR адаптировался к инфракрасной энергии в комнате. В это время светодиод может немного мигать. Подождите, пока светодиод погаснет, затем подойдите к нему, размахивая рукой, чтобы увидеть, как светодиод загорится.

Схема подключения датчика движения к Ардуино

Подключить датчик Pir к Arduino несложно. Чаще всего модули с датчиками движения имеют на тыльной стороне три разъема. Распиновка каждого устройства зависит от производителя, но чаще всего рядом с выводами есть соответствующие надписи. Поэтому перед подключением датчика к Arduino необходимо ознакомиться с обозначениями. Один выход идет на землю (GND), второй обеспечивает вывод сигнала, необходимого датчикам (+ 5В), а третий — цифровой выход, с которого берутся данные.

Подключение пир-датчика:

• «Земля» — к любому из разъемов GND Arduino;
• Цифровой выход — на любой цифровой вход или выход Arduino;
• Питание — + 5В на Ардуино.

Схема подключения инфракрасного датчика к Arduino представлена ​​на рисунке.

Настройка HC-SR501

В этом руководстве мы будем использовать модуль HC-SR501. Этот модуль очень распространен и используется во многих проектах DIY из-за его невысокой стоимости.

Датчик имеет два переменных резистора и перемычку для установки режима. Один из потенциометров регулирует чувствительность прибора. Чем он больше, тем больше «видит» сенсор. Также чувствительность влияет на размер обнаруженного объекта. Например, вы можете исключить из активации собаку или кошку.

Второй потенциометр регулирует время отклика T. Если датчик обнаруживает движение, он генерирует на выходе положительный импульс длиной T.

Наконец, третий элемент управления — это перемычка, которая переключает режим датчика. В положении L датчик отсчитывает T с момента первого включения. Допустим, мы хотим управлять светом в ванной. Войдя в комнату, человек активирует датчик, и свет включится ровно на время T. По окончании периода выходной сигнал вернется в исходное состояние, и датчик даст следующий ответ.

В положении H датчик начинает отсчет времени T каждый раз, когда обнаруживает движение. Другими словами, любое движение человека сбрасывает таймер обратного отсчета T. По умолчанию перемычка находится в состоянии H.

Освещённость

Чтобы прибор не включал свет днем, поздним утром и в начале сумерек, можно произвести более тонкую регулировку с помощью параметра «ЛЮКС».

Последовательность действий:

1. Установите регулятор на максимум.
2. Как только будет достигнут желаемый уровень темноты, медленно поверните регулятор в обратном направлении, пока датчик не сработает и не загорится свет в комнате.

Теперь устройство будет включаться ровно в тот момент, когда свет в комнате наиболее востребован.

Чувствительность

Регулировка чувствительности исключает реакцию сенсора на появление в его поле зрения мелких домашних животных.

Устройство настраивается опытным путем с помощью программы «Sens:

1. На первом этапе выставляем максимальную чувствительность.
2. Теперь проверим, будет ли устройство работать на нужном расстоянии, понижая уровень до тех пор, пока не перестанет реагировать на человека.
3. Контроль реакции на мелких животных.
4. Осталось зафиксировать подходящий именно вам порог чувствительности.

Правильная настройка такова, что датчик обнаруживает движение человека на границе приемлемого освещения.

Время задержки

Время задержки — это параметр, с помощью которого вы можете увидеть, как долго после активации датчик «увидит», что движения больше нет. Временной интервал регулируется от 5 секунд до 10 минут.

Регулировка производится регулятором с надписью «Время»:

1. Откручиваем регулятор на минимальное значение.
2. Начните движение в рабочем диапазоне датчика.
3. Время ответа
4. Требуемое время отклика устанавливается опытным путем.
5. Необходимые параметры сохранены.

Что дает задержка?

Представьте, что человек поднялся на пятый этаж: ему нужно перевести дух, найти ключи, открыть дверь. И свет должен гореть. То есть параметр задержки должен быть максимальным.

Другое дело, установлен ли датчик в коридоре квартиры. Здесь можно установить минимальную задержку порядка 3-5 секунд.

В общем, индикаторы движения можно устанавливать в разных местах. Эти устройства наиболее актуальны в местах частого скопления людей. Например, в офисах и офисах эта задержка включения / выключения должна быть максимально продолжительной. И наоборот, в местах с низким трафиком задержку включения можно установить на минимум.

Управление светом при помощи датчика движения

Следующий шаг — система автоматического выключения света. Чтобы управлять освещением в комнате, нам нужно добавить в схему реле.

Мы будем использовать релейный модуль с защитой на основе оптической развязки, о которой мы уже говорили в одном из уроков (урок по реле).

Внимание! Эта схема включает лампу от сети 220 вольт. Перед подключением схемы к домашней электросети рекомендуется семь раз проверить все соединения.

Пример программы

Скетч — это программный код, который помогает проверить работу датчика движения после его включения. В простейшем примере много недостатков:

• Вероятность ложных срабатываний из-за того, что датчику требуется одна минута для самовоспроизведения;
• Отсутствие выходных устройств исполнительного типа — реле, сирен, светодиодов;
• Короткий временной интервал сигнала на выходе датчика, который должен быть программно задержан в случае движения.

Эти недостатки устраняются расширением функциональных возможностей датчика.

Эскиз простейшего типа, который можно использовать как пример работы с датчиком движения на Arduino, выглядит так:

#define PIN_PIR 2 #define PIN_LED 13 void setup () {Serial.begin (9600); pinMode (PIN_PIR, ВХОД); pinMode (PIN_LED, ВЫХОД); } void loop () {int pirVal = digitalRead (PIN_PIR); Serial.println (digitalRead (PIN_PIR)); // Если движение обнаружено if (pirVal) {digitalWrite (PIN_LED, HIGH); Serial.println («Обнаружено движение»); задержка (2000); } else {//Serial.print(» Нет движения «); digitalWrite (PIN_LED, LOW); } }

Возможные варианты проектов с применением датчика

Датчики сверстников незаменимы в тех проектах, где основной функцией сигнализации является определение присутствия или отсутствия человека в определенном рабочем пространстве. Например, в таких местах или ситуациях, как:

• Автоматически включать свет в холле или перед входной дверью, когда в ней появляется человек;
• Включение освещения в ванной, туалете, коридоре;
• Тревога, которая срабатывает при появлении человека, как в комнате, так и в комнате;
• Автоматическое подключение камер видеонаблюдения, часто оборудованных системами безопасности.

Одноранговые датчики просты в использовании и не вызывают затруднений при подключении, имеют большую зону чувствительности и могут быть успешно интегрированы в любой программный проект Arduino. Но следует иметь в виду, что у них нет технической возможности предоставить информацию о том, сколько объектов находится в пределах досягаемости и насколько они близко к датчику и даже могут быть активированы домашними животными.

Зоны действия PIR-датчиков

Ассортимент продукции БЕГ включает датчики движения и присутствия различного исполнения и назначения:

• для наружного применения;
• для внутреннего пользования;
• для настенного монтажа;
• для потолочного монтажа
• датчики в конструкции.

Одним из основных параметров ИК-датчиков движения является зона покрытия. Потолочные датчики обычно имеют зону действия 360 °. В зависимости от модели настенные ИК-извещатели движения имеют диапазон охвата от 120 ° до 280°.

В определенных условиях иногда необходимо использовать датчик с нестандартным углом обзора.
В таких случаях используются накладки (шторы). Они исключают источники тепла (помехи) или участки комнаты из зоны обнаружения.

Диапазон действия датчика зависит от того, как человек движется относительно датчика. Если он движется в направлении, перпендикулярном датчику, датчик имеет максимальный диапазон.

Если движение направлено к датчику (спереди), зона покрытия уменьшается почти вдвое. Датчики имеют минимальный диапазон, если движение происходит непосредственно под датчиком.

Датчики присутствия PIR от BEG имеют зону высокой чувствительности и реагируют даже на малейшие движения. Чувствительность датчика регулируется.

При реализации проекта важно убедиться, что зоны охвата сенсоров охватывают всю контролируемую территорию. Для этого используются несколько датчиков с перекрывающимися зонами покрытия, что позволяет избежать «мертвых» зон. Для исключения пропусков и ложных срабатываний применяются задержки.

Как правильно располагать PIR-датчики

Настенный датчик движения PIR для наружного применения устанавливается на входе в здание.
В зоне его действия должна быть тропинка ко входу. Сенсор первым встречает посетителя, улучшая имидж заведения.

В коридорах особое внимание уделяется входам. Датчики следует устанавливать так, чтобы человек не находился в темноте даже непродолжительное время. Для коридоров разработаны специальные потолочные датчики движения с узким диапазоном обнаружения и большим диапазоном.

Лестницы считаются опасными зонами. Здесь следует исключить падение людей из-за недостаточного освещения. Датчики движения, такие как настенные выключатели, устанавливаются на потолке или стене лестницы.

Особенность освещения в офисе заключается в том, что в одном помещении необходимо обеспечить разное освещение на разных рабочих местах. Необходимо учитывать интенсивность естественного освещения и уметь отключать освещение в пустых помещениях.

Поэтому на каждом рабочем месте нужна своя схема управления освещением. С этой задачей справятся потолочные датчики присутствия PIR с возможностью расширения дальности обнаружения.

В аудиториях аудиторий или вузов освещение осуществляется с учетом дневного света. Помещение разделено на зоны таким образом, чтобы обеспечить равномерное освещение с помощью регулируемого искусственного освещения.

Особое внимание уделено зоне возле табло. Слушатели должны хорошо видеть учителя и доску, поэтому здесь требуется надежное освещение и, желательно, дополнительное ручное управление. В этих помещениях используются датчики присутствия на потолке.

При автоматизации освещения конференц-залов и переговорных подходит подход, аналогичный описанному выше. В магазине, аптеке, сервисной компании возле входа установлен датчик движения со звуковым сигналом, чтобы персонал обращал внимание на вошедшего посетителя.

Большой тренажерный зал разделен на зоны с независимым управлением с потолочных датчиков. Важно предусмотреть ручное управление — это позволит обеспечить освещение только там, где проводятся занятия.

В подземном гараже необходимо обеспечить надежный контроль входных зон и основных проездов. Возможные мертвые зоны компенсируются задержками по времени. Здесь используются только потолочные датчики.

Защита от проникновения

В любое время суток детекторы эффективно фиксируют незаконное проникновение на частную территорию. В темных местах и ​​в сумерках датчики автоматически включают свет, если видят движение людей. Их можно сопрягать с видеорегистратором.

Автоматизация света

Почему должна гореть лампочка, если в комнате нет людей? Детектор движения поможет включить / выключить свет автоматически именно тогда, когда в комнате находятся люди. Таким образом можно добиться значительной экономии энергии.

Автоматизация климата

Контролировать температурный режим в домах и квартирах с помощью датчиков движения очень удобно. Они могут посылать команды на блок управления микроклиматом, если зафиксировано присутствие / отсутствие людей в контролируемой зоне.

Общие требования по установке PIR-датчиков

Дальность действия ИК-датчиков зависит от направления движения источников ИК-излучения. Если из-за большого количества коммуникаций невозможно установить датчики движения на потолке, их ставят на колонны и стены.

Деревья, мебель и перегородки (в том числе из стекла) не должны ограничивать зону действия датчиков. Оптимальная высота установки потолочных датчиков составляет 2,5–3 метра, а настенных выключателей — 1,1–2,2 метра. Датчики для высоких потолков размещаются на высоте до 16 метров.

Ассортимент PIR-датчиков широк. Они различаются по назначению, техническим параметрам и конструкции. Чтобы применить их наиболее эффективно на конкретном объекте, лучше воспользоваться услугами профессионалов.

Нюансы эксплуатации

Сразу после установки и подключения прибор необходимо настроить на оптимальные рабочие параметры. Например, можно регулировать интенсивность чувствительности, диапазон охвата излучения и т.д. В последних программируемых модификациях также разрешена возможность автоматической корректировки рабочих параметров датчика согласно условиям эксплуатации. Таким образом, если вы подключите датчик PIR к центральному контроллеру, связанному с термостатами, чувствительный элемент сможет изменять пределы критических показателей излучения на основе полученных данных о температуре.