Инфракрасный пироэлектрический датчик движения hc-sr501. обзор

Пассивные датчики движения

Самый универсальный тип детекторов. Именно они прекрасно подходят для автоматизации освещения.

В их конструкции есть только приемник, который успешно различает тепловые зоны тех объектов, которые его окружают. Понятно, что раз девайс работает с разницами в температурных показателях, то такие устройства гораздо успешнее будут функционировать в прохладной обстановке. В этом пространстве различия между теплом от человека и окружающего воздуха проявляются более четче. В этих случаях вероятность ложного срабатывания прибора резко снижается — движущийся объект на общем фоне будет более различимым.

Кроме того, извещатели такого типа успешно применяются в охранных комплексах и системах наблюдения. Номенклатура изделий такого типа очень широка. Практически для любых задач можно подобрать свой детектор движения по мощности и дальности действия.

Есть и переносные ДД автономного типа. Охранную систему можно развернуть буквально в пустом поле для наблюдения за периметром кемпингов к примеру. Если охранную зону пересекут дикие животные, датчики зафиксируют движение и подадут людям сигнал опасности.

Принцип работы пироэлектрических (PIR) датчиков движения

PIR датчики не такие простые как может показаться на первый взгляд. Основная причина — большое количество переменных, которые влияют на его входной и выходной сигналы. Чтобы объяснить основы работы ПИР датчиков, мы используем рисунок, приведенный ниже.

Пироэлектрический датчик движения состоит из двух основных частей. Каждая из частей включает в себя специальный материал, чувствительный к инфракрасному излучению. В данном случае линзы особо не влияют на работу датчика, так что мы видим два участка чувствительности всего модуля. Когда датчик находится в состоянии покоя, оба сенсора определяют одинаковое количество излучения. Например, это может быть излучение помещения или окружающей среды на улице. Когда теплокровный объект (человек или животное), проходит мимо, он пересекает зону чувствительности первого сенсора, в результате чего  на модуле ПИР датчика генерируются два различных значения излучения. Когда человек покидает зону чувствительности первого сенсора, значения выравниваются. Именно изменения в показаниях двух датчиков регистрируются и генерируют импульсы HIGH или LOW на выходе.

Конструкция PIR датчика

Чувствительные элементы ПИР датчика устанавливается в металлический герметический корпус, который защищает от внешних шумов, перепадов температур и влажности. Прямоугольник в центре сделан из материала, который пропускает инфракрасное излучение (обычно это материал на основе силикона). За этой пластиной устанавливаются два чувствительных элемента.

Рисунок из даташита Murata:

Рисунок из даташита RE200B:

На рисунке из даташита RE200B видно два чувствительных элемента:

На рисунке выше приведена внутренняя схема подключения.

Линзы

Инфракрасные датчики движения практически одинаковые по своей структуре. Основные отличия — чувствительность, которая зависит от качестве чувствительных элементов. При этом значительную роль играет оптика.

На рисунке выше приведен пример линзы из пластика. Это значит, что диапазон чувствительности датчика представляет из себя два прямоугольника. Но, как правило, нам нужно обеспечить большие углы обзора. Для этого можно использовать линзы, подобные тем, которые используются в фотоаппаратах. При этом линза для датчика движения должна быть маленькая, тонкая и изготавливаться из пластика, хотя он и добавляет шумы в измерения. Поэтому в большинстве PIR датчиков используются линзы Френеля (рисунок из Sensors Magazine):

Линзы Френеля концентрируют излучение, значительно расширяя диапазон чувствительности пиродатчиков (рисунок с BHlens.com)

Рисунок из Cypress appnote 2105:

Теперь у нас есть значительно больший диапазон чувствительности. При этом мы помним, что у нас два чувствительных элемента и нам нужны не столько два больших прямоугольника, сколько большое количество маленьких зон чувствительности. Для этого линза разделяется на несколько секций, каждая из которых представляет из себя отдельную линзу Френеля.

На рисунке ниже можно увидеть отдельные секции — линзы Френеля:

На этом макроснимке обратите внимание, что фактура отдельных линз отличается:

В результате формируется целый набор чувствительных участков, которые взаимодействуют между собой.

Рисунки из даташита NL11NH:

Ниже еще один рисунко. Более яркий, но менее информативный

Кроме того, обратите внимание, что у большинства датчиков угол обзора составляет 110 градусов, а не 90

Рисунок из IR-TEC:

Пирлоэлектрический датчик движения — общая информация

ПИР датчики движения по сути состоят из пироэлектрического чувствительного элемента (цилиндрическая деталь с прямоугольным кристаллом в центре), который улавливает уровень инфракрасного излучения. Все вокруг излучает небольшой уровень радиации. Чем больше температура, тем выше уровень излучения. Датчик фактически разделен на две части. Это обусловлено тем, что нам важен не уровень излучения, а непосредственно наличие движение в пределах его зоны чувствительности. Две части датчика установлены таким образом, что если одна половина улавливает больший уровень излучения, чем другая, выходной сигнал будет генерировать значение high или low.

Сам модуль, на котором установлен датчик движения, состоит также из дополнительной электрической обвязки: предохранители, резисторы и конденсаторы. В большинстве недорогих пир-датчиков используются недорогие чипы BISS0001 («Micro Power PIR Motion Detector IC»). Этот чип воспринимает внешний источник излучения и проводит минимальную обработку сигнала для его преобразования из аналогового в цифровой вид.

Одна из базовых моделей пироэлектрических датчиков подобного класса выглядит так:

Более новые модели PIR-датчиков имеют дополнительные выходы для дополнительной настройки и установленные коннекторы для сигнала, питания и земли:

ПИР датчики отлично подходят для проектов, в которых необходимо определять наличие или отсутствие человека в пределах определенного рабочего пространства. Помимо перечисленных выше достоинство подобных датчиков, они имеют большую зону чувствительности. Однако учтите, что пироэлектрические датчики не предоставят вам информации о том, сколько человек вокруг и насколько близко они находятся к датчику. Кроме того, сработать они могут и на домашних питомцев.

Общая техническая информация

Эти технические характеристики относятся к PIR датчикам, которые продаются в магазине Adafruit. Принцип работы аналогичных датчиков похожий, хотя технические характеристики могут отличаться. Так что прежде чем работать с ПИР-датчиком, ознакомьтесь с его даташитом.

• Форма: Прямоугольник;
• Цена: около 10.00 долларов в магазине Adafruit;
• Выходной сигнал: цифровой импульс high (3 В) при наличии движения и цифровой сигнал low, когда движения нет. Длина импульса зависит от резисторов и конденсаторов на самом модуле и разная в различных датчиках;
• Диапазон чувствительности: до 6 метров. Угол обзора 110° x 70°;
• Питание: 3В — 9В, но наилучший вариант — 5 вольт;
• BIS0001 (даташит);
• RE200B (даташит);
• NL11NH (даташит);
• Parallax (даташит).

Ссылки для заказа оборудования, которое используется в статье в дальнейшем из Китая

>Для заказа с Aliexpress:

Example of Microwave sensor

Now we know how the Microwave sensor works, its advantages and disadvantages and also its applications, it is time to get one! How about our MW0582TR11 – 5.8GHz Microwave Doppler Radar Motion Sensor!

MW0582TR11 – 5.8GHz Microwave Doppler Radar Motion Sensor

MW0582TR11 – 5.8GHz microwave doppler radar motion sensor is designed by Maxustech company. This doppler radar is a microwave module that can transmit the electromagnetic wave of 5.8GHz. It can detect the difference between the transmitted wave and reflection wave to judge whether there is an object moving over the doppler radar.

In order to get the accurate data from the sensor, this Doppler radar motion sensor has a self-made patch antenna which has a good antenna directivity. Moreover, this kind of doppler radar has an MCU inside which include intelligent algorithm to avoid noise gain caused by the device itself. It can also tell apart the environment effect such as moving branch and would not cause false-alarm thanks to the algorithm.

Is this microwave sensor easy to use?

Of course! This doppler radar not only has a sharp “eye” to detect the moving object but it is also easy to be developed because of its UART interface. As a matter of fact, this Doppler radar can be simply plugged into your Arduino board or Raspberry Pi through the serial port. Or you can just use a TTL to USB converter module to connect with your PC to read the data.

Here is a demo when using Python SDK if there is any moving object in front of the microwave sensor:

Как правильно располагать PIR-датчики

У входа в здание устанавливается настенный датчик движения PIR для наружного применения.
В зоне его действия должна быть дорожка к входу. Датчик первым приветствует посетителя, повышая имидж учреждения.

В коридорах особое внимание уделяется входам. Датчики должны устанавливаться так, чтобы человек даже на короткое время не оказывался в темноте

Для коридоров разработаны специальные потолочные датчики движения с узким диапазоном обнаружения и большой дальностью действия.

Лестничные марши рассматриваются, как зоны повышенной опасности. Здесь должно быть исключено падение людей по причине недостаточной освещенности. На потолке  или на стене лестничной площадки датчики движения ставят как настенные выключатели.

Особенность освещения в офисе состоит в том, что в одном помещении надо обеспечить различную освещенность на разных рабочих местах. Необходимо учесть интенсивность естественного освещения и иметь возможность отключать освещение на пустующих местах.

Поэтому каждому рабочему месту нужна своя схема управления освещением. С такой задачей справятся потолочные датчики присутствия PIR с возможностью расширения диапазона обнаружения.

В школьном классе или вузовской аудитории освещение осуществляется с учетом дневного света. Помещение разделяют на зоны таким образом, чтобы с помощью регулируемого искусственного освещения обеспечить равномерную освещенность.

Особое внимание уделяется зоне у доски. Присутствующие должны хорошо видеть преподавателя и доску, поэтому здесь необходимо надежное освещение и, желательно, дополнительное ручное управление

В таких помещениях используются потолочные датчики присутствия.

При автоматизации освещения конференц-залов и комнат для совещаний используется подход аналогичный описанному выше. В магазине, аптеке, предприятии сферы обслуживания, возле входа, устанавливается датчик движения со звуковым сигналом, чтобы персонал обратил внимание на вошедшего посетителя. Большой спортзал разбивают на зоны с независимым управлением от потолочных датчиков

Важно предусмотреть и ручное управление: это даст возможность обеспечить освещение только там, где проходят занятия

Большой спортзал разбивают на зоны с независимым управлением от потолочных датчиков

Важно предусмотреть и ручное управление: это даст возможность обеспечить освещение только там, где проходят занятия

В подземном гараже необходимо обеспечить надежный контроль зон входа и основных проходов. Возможные «мертвые» зоны компенсируются временными задержками. Здесь используются только потолочные датчики.

Кристалл классы

Все кристаллические структуры принадлежат к одному из тридцати двух зависимости от количества осей вращения и плоскостей отражения, которыми они обладают, которые оставляют кристаллическую структуру неизменной ( точечные группы ). Из тридцати двух кристаллических классов двадцать один нецентросимметричен (не имеет центра симметрии ). Из этих двадцати одного, двадцать демонстрируют прямое пьезоэлектричество , оставшееся одно относится к кубическому классу 432. Десять из этих двадцати пьезоэлектрических классов являются полярными, то есть они обладают спонтанной поляризацией, имеют диполь в своей элементарной ячейке и проявляют пироэлектричество. Если этот диполь можно перевернуть путем приложения электрического поля, материал называется сегнетоэлектриком . Любой диэлектрический материал развивает диэлектрическую поляризацию (электростатику) при приложении электрического поля, но вещество, которое имеет такое естественное разделение зарядов даже в отсутствие поля, называется полярным материалом. Полярность материала определяется исключительно его кристаллической структурой. Только 10 из 32 точечных групп полярны. Все полярные кристаллы являются пироэлектрическими, поэтому десять классов полярных кристаллов иногда называют пироэлектрическими классами.

Классы пьезоэлектрических кристаллов: 1, 2, м, 222, мм2, 4, -4, 422, 4 мм, -42 м, 3, 32, 3 м, 6, -6, 622, 6 мм, -62 м, 23, -43 м

Пироэлектрический: 1, 2, м, мм2, 3, 3 м, 4, 4 мм, 6, 6 мм

Связанные эффекты

Два эффекта, которые тесно связаны с пироэлектричеством, — это сегнетоэлектричество и пьезоэлектричество . Обычно материалы почти электрически нейтральны на макроскопическом уровне. Однако положительные и отрицательные заряды, из которых состоит материал, не обязательно распределяются симметрично. Если сумма заряда, умноженного на расстояние для всех элементов базовой ячейки, не равна нулю, ячейка будет иметь электрический дипольный момент (векторная величина). Дипольный момент на единицу объема определяется как диэлектрическая поляризация. Если этот дипольный момент изменяется под действием приложенных изменений температуры, приложенного электрического поля или приложенного давления, материал является пироэлектрическим, сегнетоэлектрическим или пьезоэлектрическим соответственно.

Сегнетоэлектрический эффект проявляется в материалах, которые обладают электрической поляризацией в отсутствие приложенного извне электрического поля, так что поляризация может быть обращена, если электрическое поле меняется на противоположное. Поскольку все сегнетоэлектрические материалы обладают спонтанной поляризацией, все сегнетоэлектрические материалы также являются пироэлектрическими (но не все пироэлектрические материалы являются сегнетоэлектрическими).

Пьезоэлектрический эффект проявляется кристаллами (такими как кварц или керамика), для которых электрическое напряжение на материале появляется при приложении давления. Подобно пироэлектрическому эффекту, это явление связано с асимметричной структурой кристаллов, которая позволяет ионам легче перемещаться по одной оси, чем по другим. При приложении давления каждая сторона кристалла принимает противоположный заряд, что приводит к падению напряжения на кристалле.

Пироэлектричество не следует путать с термоэлектричеством : в типичной демонстрации пироэлектричества весь кристалл изменяется от одной температуры к другой, и в результате возникает временное напряжение на кристалле. В типичной демонстрации термоэлектричества одна часть устройства поддерживается при одной температуре, а другая часть — при другой температуре, в результате чего на устройстве остается постоянное напряжение, пока существует разница температур. Оба эффекта преобразуют изменение температуры в электрический потенциал, но пироэлектрический эффект преобразует изменение температуры во времени в электрический потенциал, а термоэлектрический эффект преобразует изменение температуры в зависимости от положения в электрический потенциал.

What is a microwave sensor?

Microwave sensors also known as Radar, RF or doppler sensors are electronic devices capable of detecting motion from walking, running to crawling in an outdoor environment by using electro-magnetic radiation.

It is able to detect motion by applying the Doppler effect and project microwaves which will bounce off surfaces and return to the sensor. It is able to measure and detect the amount of time for the signal to be reflected to the sensor which is known as echo time.

What is Echo time?

Echo time helps calculate the distances from any stationary object within the detection zone and establishes a baseline for the motion detector to work from.

With echo time, the sensor is able to detect if there is any movement in the detection zone as if a person is moving within the zone as the waves will be altered which changes the echo time. With the microwave sensor, it is able to do all this within less than a microsecond.

Использование

Основные направления, где используются ДД:

1. Для защиты от проникновения.
2. Автоматизации освещения.
3. Автоматизации установок климат контроля.

Защита от проникновения

В любое время суток детекторы эффективно фиксируют незаконное проникновение на частную территорию. В темных местах и с наступлением сумерек датчики автоматически включат свет, если увидят передвижение людей. Могут работать в паре с видеорегистратором.

Автоматизация света

Зачем гореть лампочке, если людей в помещении нет? Детектор движения поможет автоматически включать/выключать свет именно тогда когда в комнате находятся люди. Так можно достигнуть существенной экономии электричества.

Автоматизация климата

Очень удобно управлять температурным режимом в домах и квартирах с помощью извещателей движения. Они могут подавать команды на блок управления кондиционера, если зафиксировано присутствие/отсутствие людей в подконтрольной зоне.

Arduino and Raspberry Pi Projects using PIR Sensor

Arduino Projects Using PIR sensor

Burglar Alarm with PIR Motion Sensor

Ref: Hackster.io Burglar Alarm with PIR Motion Sensor

Want to DIY your very own Burglar Alarm System? This project explains how to make one using a PIR Sensor, a Buzzer and an LED!

What you will need:

• Arduino Compatible board with power supply
• Grove – PIR Motion Sensor
• A Buzzer
• An LED

Interested? View more information here!

Halloween Candy Machine

Ref: Intructables

Want to impress your guests during Halloween? Look no further, this automated Halloween Candy Machine will definitely win you the crowd!

What you will need:

• Beaglebone Green Wireless
• Grove Base Cape for Beaglebone
• Grove – Fingerprint Sensor
• Grove – PIR Motion Sensor
• Grove – Button(P)
• Servo
• Grove – OLED Display 0.96″
• Breadboard
• Jumper wire

Wiring of Candy Machine

Interested? Go ahead and try it out for yourself!

Christmas Music Cheer Light

Ho Ho Ho! Want to DIY your Christmas tree lighting? Check out this project!

For this project, we will be using the Grove – Adjustable PIR Motion Sensor. It is an easy-to-use Passive Infrared motion sensor, which can detect infrared object motion up to 3 meters.

What you will need:

• Seeeduino V4.2
• Seeed Base Shield V2
• Grove – Adjustable PIR Motion Sensor
• Grove – WS2813 RGB LED Strip Waterproof – 60 LED/m – 1m
• Grove – Loudness Sensor

Sounds fun? Go ahead and click here for details on how to DIY it!

Need help on interfacing your PIR motion sensor with the Raspberry Pi? This tutorial will show you how to do so! The GPIO pins on the Raspberry Pi are critical when it comes to making a hardware project, whether it’s a robot or home automation system. In any case, you will have to use the GPIO (general purpose input/output) pins on the Raspberry Pi.

Настройка работы

Перед использованием PIR датчика, его, как всякий прибор, необходимо настроить. Для этого он обладает тремя опциями настроек:

• освещённость;
• чувствительность;
• время задержки.

Освещённость

Для того чтобы прибор не включал свет днём, поздним утром и с началом сумерек, можно выполнить более тонкую регулировку по параметру «LUX».

Последовательность действий:

1. Вывернуть регулятор на максимум.
2. Как только наступил желаемый уровень темноты, медленно поворачивать регулятор в обратную сторону, до тех пор, пока датчик не сработает и включится свет в помещении.

Теперь прибор будет включаться именно в тот момент, когда свет в помещении будет более востребован.

Чувствительность

Регулировка чувствительности исключает реакцию датчика на появление в поле его «зрения» мелких домашних животных.

Настройка прибора выполняется винтом «Sens» опытным путем:

1. На первом этапе выставляем максимальную чувствительность.
2. Теперь проверяем, будет ли прибор работать на требуемом расстоянии, уменьшая уровень пока он перестанет реагировать на человека.
3. Проверяем, какая реакция на мелких животных.
4. Осталось зафиксировать тот порог чувствительности, который вас устроит.

Правильная регулировка состоит в том, чтобы датчик зафиксировал движение человека на границе приемлемой освещенности.

Время задержки

Время задержки — параметр, по которому видно, какое время после срабатывания датчик «увидит», что движения больше нет. Временной интервал регулируется в границах от 5 секунд до 10 минут.

Регулировка выполняется регулятором с надписью «Time»:

1. Выкручиваем регулятор до минимального значения.
2. Начать движение в поле работы датчика.
3. Засекаем время срабатывания
4. Эмпирическим путем выставляется нужное время срабатывания.
5. Нужные параметры сохраняются.

Что дает временная задержка?

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

Другое дело если датчик установлен в квартирном коридоре. Тут можно выставить минимальную задержку порядка 3–5 секунд.

Вообще индикаторы движения могут быть установлены в различных местах. Наиболее актуальны эти приборы в местах где часто собираются люди. Например, в офисах и конторах такая задержка по времени включения/выключения должна быть максимально допустимой. И наоборот в малопосещаемых местах задержку включения можно установить на самый минимум.

What is a PIR sensor

PIR sensor which is short for passive infrared sensor works by detecting the presence of heat energy in confined spaces by measuring infrared light radiating from objects in its field of view. It has the same core technology found in thermal imaging devices, night vision equipment, etc.

Technically, PIR is made of a pyroelectric sensor, which is able to detect different levels of infrared radiation. When a difference in temperature is detected by one of its beams, the sensor will be activated. Vice-versa, when all the beams detect the same temperature again, the sensor will be deactivated.

An example of this will be when a person walks in an enclosed room, heat signatures changes which activates the sensor and when the person walks out, heat signatures revert to its normal state and deactivate.

Because of this characteristic, they are suitable to use in enclosed spaces and also space that is constrained by walls, barriers or large objects.

Wish to find out more about the PIR sensor? You can check out our other blog on PIR Sensor introduction and How PIR motion sensor works with Arduino and Raspberry Pi!

Особенности монтажа

Датчики движения очень полезны и набирают популярность в различных сферах нашей жизни. Поэтому будет полезным знать о специфике установки этих устройств:

1. Двери, предметы мебели, перегородки или всё, что затрудняет обзор перед датчиком быть не должно.
2. Наиболее выгодное местоположение размещение датчика — потолок. Таким образом, получается предельно допустимый угол обнаружения и увеличивается обзор контролируемого помещения. Если по каким-то соображениям потолочное размещение недоступно, допускается монтаж приборов на колонны или стены.
3. Приборы отопления, открытое солнце и вообще все, что вызывает нагревание, не должно находиться рядом с датчиком. Мало того что сам прибор будет нагреваться, так еще эти факторы вызовут ошибочное срабатывание детектора.
4. Надо учитывать и такой фактор как радиус действия детектора. Т.е. люди могут просто не попасть в зону действия.
5. Оптимальная высота монтажа потолочных извещателей — 2.5/3 метра. Для настенных приборов — высота колеблется от 1.2 до 2.3 метров от уровня пола.

Вариант PIR датчика с GSM-модулем

Зачастую именно ПИР датчик — это та последняя преграда, которую злоумышленник обойти не может. Если проводные системы еще легко заметны, то беспроводные комплексы повышают уровень охранных систем за счет своей автономности, тем самым снижая ее уязвимость. Датчик движения с GSM модулем, безусловно, простое, но эффективное средство защиты своего имущества.

Работа данного прибора аналогична типичным ПИР датчикам. Но в данном случае при обнаружении в охраняемой зоне какого-либо движения девайс отправляет СМС-сообщение по заданному владельцем номеру и параллельно включает встроенный микрофон, чтобы была возможность прослушать, что происходит в помещении в данный момент.

Включить/выключить девайс можно удаленно отправив SMS-команду на сим-карту датчика.

Автономность устройства обеспечивается за счет встроенного пятивольтового аккумулятора, которого хватает на 15–20 дней автономной работы. Встроенный микрофон улавливает звук на расстоянии до 10 метров.

Зона видимости ДД — 5–8 метров при угле обзора в 90°.

Место размещения полноразмерной SIM-карты:

Есть собственный USB-разъем типа UC-E6, который служит для подключения внешнего источника питания на 5 вольт.

Чтобы сохранить номер хозяина датчика в его памяти, достаточно позвонить на номер сим-карты устройства. Всё! Только один номер в памяти и никаких белых или черных списков. Может ли злоумышленник позвонить на этот номер и снять датчик охраны? Да, конечно может. Но тогда это должен быть очень близкий и хорошо знакомый хозяину датчика человек.

Для постановки в режим охраны посылается СМС — сообщение с текстом: «1111».
Для снятия с режима охраны  отправляется сообщение с текстом: «0000».

Дополнительных настроек у девайса нет.

Зона сработки датчика небольшая и вероятное место установки ПИР датчика прямо напротив входной двери на расстоянии не больше трех метров.

Можно применить этот датчик непосредственно в автомобиле. Таким образом, появляется возможность отследить местонахождение машины в данный момент времени, если подключить услугу «Местонахождение абонента».

Такой беспроводной сенсор с GSM можно применять как дополнение к уже существующим охранным системам, которые уже есть на объекте и как самостоятельное средство защиты.

Основное преимущество девайса — его автономность. Это обстоятельство дает возможность поставить на охрану те объекты, на которых может отключаться электричество:

• дачи;
• гаражи;
• складские помещения.