Датчик движения на МК PIC и PIR-сенсоре

Датчик движения на МК PIC и PIR-сенсоре

В этой статье описано создание датчика движения на основе модулей с пассивным ИК датчиком. Есть много моделей модулей с PIR датчиком от разных производителей, но в основе у них лежит один принцип. Они имеют один выход, который дает сигнал низкого или высокого уровня (в зависимости от модели) при обнаружении движения. В моем проекте микроконтроллер PIC12F635 постоянно следит за логическим уровнем на выходе модуля с датчиком и включает зуммер, когда он высокий.

Теория

Некоторые кристаллические материалы обладают свойством генерировать поверхностный электрический заряд при контакте с тепловым ИК излучением. Это явление известно как пироэлектричество. Пассивные модули с ИК датчиком работают на основе этого принципа. Тело человека излучает тепло в виде ИК излучения с максимальной длиной волны около 9,4 мкм. Появление человека создает внезапные изменения в ИК диапазоне окружающей среды, что воспринимается пироэлектрическим датчиком. Модуль с PIR датчиком имеет элементы которые усиливают сигнал для его соответствия логическим уровням. Перед началом работы датчику необходимо от 10 до 60 секунд для ознакомления с окружающей средой для дальнейшего нормального функционирования. В это время следует избегать движений в поле зрения датчика. Датчик действует на расстояние до 20 футов и не реагирует на естественные изменения окружающей среды, связанные с течение времени. При этом, датчик реагирует на любое резкое изменение окружающей среды(например появление человека). Модель с датчиком не следует размещать рядом с батареями, розетками и любыми другими предметами быстро меняющими свою температуру, т.к. это приведёт к ложному срабатыванию. Модули с PIR датчиком обычно имеют 3 контакта : Vcc, Выход и GND. Цоколевка у разных производителей может отличаться, поэтому я рекомендую проверить документацию. Также значение вывода может быть обозначено прямо на плате. На моём датчике таких обозначений нет. Он может работать при напряжении питания от 5 до 12V и имеет свой собственный встроенный стабилизатор напряжения. При наличии движения на выходе датчика появляется высокий логический уровень. Также он имеет 3х контактный джампер для установки режима работы. Боковые контакты имеют метки H и L. Когда перемычка находится в положении H, при срабатывании датчика несколько раз подряд на его выходе остается высокий логический уровень. В положении L, на выходе при каждом срабатывании датчика появляется отдельный импульс. Передняя часть модуля имеет линзу Френеля для фокусировки ИК излучения на чувствительный элемент.

Схема и конструкция

Схема датчика движения довольно проста. Устройство работает от 4 AA батарей, которые дают 6V. На диоде, который используется как защита от неправильного подключения питания, напряжение падает до 5,4V. Я проверял схему с NI-MH аккумулятором 4,8 V и она работала, но я рекомендую использовать щелочные батарейки по 1,5V каждая для лучшей производительности. Вы можете также использовать батареи 9V , но тогда вам необходим стабилизатор LM7805. Выход с модуля контролируется микроконтроллером PIC12F635 через порт GP5 (вывод 2). При движении на выходе датчика появляется напряжение около 3,3 V. Это напряжение распознаётся микроконтроллером ка высокий логический уровень, но я предпочел использовать это напряжение для управления NPN транзистором BC547, коллектор которого подключил к микроконтроллеру. Когда транзистор закрыт, на его коллекторе высокий логический уровень (+5V). При движении на выходе модуля появляется высокий логический уровень который насыщает транзистор и напряжение на его коллекторе падает до низкого логического уровня. Перемычки на датчике находится в позиции H, так что выходной сигнал датчика будет оставаться высоким до тех пор, пока движение не прекратится. Микроконтроллер PIC12F635 использует внутренний тактовый генератор, работающий на частоте 4,0 МГц.

Светодиод, подключенный к порту GP4 через токоограничивающий резистор мигает 3 раза при подключении питания. Пьезоэлектрический зуммер EFM-290ED подключенный к порту GP2 сообщает о наличии движения. Пьезоэлектрический зуммер дает максимально громкий звук на своей резонансной частоте. Зуммер который я использовал, имеет резонансную частоту 3,4 ± 0,5 кГц. После экспериментов с ним, я обнаружил, что максимальный звук он дает на частоте около 372 Гц. Хотя в документации сказано, что рабочее напряжение составляет от 7-12V, он работает и от напряжения 5V.

Программа

Программа написана на С и скомпилирована в MikroC Pro для PIC. При подаче питания светодиод мигает три раза и это свидетельствует о успешном запуске. После этого микроконтроллер ждет 60 секунд до начала проверки значения на выходе с датчика. Это требуется для стабилизации датчика. Когда микроконтроллер определяет срабатывание датчика, он запускает пьезозуммер на частоте 3725Гц. MikroC имеет встроенную библиотеку для генерации звука (Sound_Play()). Зуммер издает звук до тех пор, пока датчик ощущает движение. Когда движение прекращается, логический уровень на выходе датчика изменяется, но зуммер не замолкает сразу, а еще в течение примерно 10 секунд издает звук на частоте 3570Гц. Если он обнаруживает движение снова, он опять запустится на частоте 3725 Гц. Этот проект использует внутренний генератор запущенный на частоте 4,0 МГц, MCLR и сторожевой таймер выключены.

Технические характеристики

Любой человек или животное с температурой выше нуля испускает тепловую энергию в виде излучения. Это излучение не видно человеческому глазу, потому что оно излучается на инфракрасных волн, ниже спектра, который люди могут видеть. Измерение этой энергии, не то же самое, что измерять температуру. Так как температура зависит от теплопроводности, поэтому, когда человек входит в комнату, он не может мгновенно изменить температуру в помещении. Однако есть уникальная инфракрасное излучение из-за температуры тела и которую ищет PIR датчик.
Принцип работы инфракрасного датчика движения HC-SR501 прост, при включении, датчик настраивается на «Нормальную» инфракрасное излучение в пределах своей зоны обнаружения. Затем он ищет изменения, например человек прошел или переместился в пределах контролируемой зоны. Для определения инфракрасного излечение детектор использует пироэлектрический датчик. Это устройство, которое генерирует электрический ток в ответ на прием инфракрасного излучения. Поскольку датчик не излучает сигнал (например, ранее упомянутый ультразвуковой датчик), его наказывают «пассивным». Когда обнаружено изменение, датчик HC-SR501 изменяет выходной сигнал.

Для повышения чувствительности и эффективности датчика HC-SR501 используется метод фокусировки инфракрасного излечения на устройство, достигается, это с помощью «Линзы Френеля». Линза выполнен из пластика и выполнена в виде купола и фактически состоит из нескольких небольших линз Френеля. Хоть пластик и полупрозрачен для человека, но на самом деле полностью прозрачен для инфракрасного света, поэтому он также служит в качестве фильтра.

HC-SR501 — недорогой датчик PIR, который полностью автономный, способный работать сам по себе или в сопряжении с микроконтроллером. Датчик имеет регулировку чувствительности, которая позволяет определять движение от 3 до 7 метров, а его выход можно настроить так, чтобы он оставался высоким в течение времени от 3 секунд до 5 минут. Так же, датчике имеет встроенный стабилизатор напряжения, поэтому он может питаться от постоянного напряжения от 4,5 до 20 вольт и потребляет небольшое количество тока. HC-SR501 имеет 3-контактный разъем, назначение следующие:

Назначение выводов
► VCC — положительное напряжение постоянного тока от 4,5 до 20 В постоянного тока.
► OUTPUT — логический выход на 3,3 вольта. LOW не указывает на обнаружение, HIGH означает, что кто-то был обнаружен.
► GND — заземление.

На плате также установлены два потенциометра для настройки нескольких параметров:
► SENSITIVITY — устанавливает максимальное и минимальное расстояние (от 3 метров до 7 метров).
► TIME (ВРЕМЯ) — время, в течение которого выход будет оставаться HIGH после обнаружения. Как минимум, 3 секунды, максимум 300 секунд или 5 минут.

Назначение перемычек:
► H — это настройка Hold или Repeat. В этом положении HC-SR501 будет продолжать выдавать сигнал HIGH, пока он продолжает обнаруживать движение.
► L — Это параметр прерывания или без повтора. В этом положении выход будет оставаться HIGH в течение периода, установленного настройкой потенциометра TIME.

На плате HC-SR501 имеются дополнительные отверстия для двух компонентов, рядом расположена маркировка, посмотреть на нее можно сняв линзу Френеля.

Назначение дополнительных отверстий:
► RT — это предназначено для термистора или чувствительного к температуре резистора. Добавление этого позволяет использовать HC-SR501 в экстремальных температурах, а также в некоторой степени повышает точность работы детектора.
► RL — это соединение для светозависимого резистора или фоторезистора. Добавляя компонент, HC-SR501 будет работать только в темноте, что является общим приложением для чувствительных к движению систем освещения.

Радиоканальный датчик движения SAPSAN (100 м)

Позволяет обнаружить проникновение человека в охраняемое помещение.

Извещатель охранный инфракрасный (ИК-датчик), предназначен для обнаружения проникновения в закрытое охраняемое помещение и формирования извещения об этом событии, путем передачи состояния по радиоканалу на контрольную панель.
ИК-датчик предназначен для установки в закрытых помещениях. При установке обратите внимание на то, чтобы на пути луча не было перекрывающих его объектов(штор, шкафов, комнатных растений и т.д.). В поле зрения извещателя не должно быть окон, кондиционеров, батарей идругих отапливающих приборов.

Характеристики

• Дальность радиоканала: 100 м в прямой видимости;
• Максимальная дальность действия: 12 м;
• Угол обзора: 90 градусов;
• Рабочая частота: 433 МГц;
• Питание: 9-16 В DC (батарейка типа «крона»);
• Размеры: 107 х 59 х 45 мм.

Для настройки датчика к конкретной панели предусмотрена кодировка перемычками (джамперами).
Внутри датчика находятся 12 рядов перемычек разделенные на три полосы (“L”, “N”, “H”).
Замыкание контактов:
“L” и “N” – 0,
“H” и “N” – 1,
Не замкнутые 2.

12 рядов перемычек разделены на 2 сектора A0…A7 и D0…D3. Для программирования датчика необходимо выставить перемычки в зоне “А” в соответствии с кодом запрограммированном в контрольной панели.
В зоне “D” перемычки выставляются в соответствии с номером необходимой зоны (коды зон различны для каждой системы и написаны в инструкции для этой системы).

Взаимодействие с другими устройствами [ править | править код ]

Поскольку датчики лишь фиксируют изменения внешней среды, они почти всегда используются во взаимодействии с другими устройствами, которые при срабатывании датчика выполняют требуемые действия:

• включают тревогу;
• рассылают уведомления;
• включают или выключают освещение и другие приборы;
• изменяют параметры работы климатической техники или других устройств.

Если датчики движения (охранные извещатели) устанавливаются в составе комплексных охранных систем (пультовая охрана), связи между устройствами настраиваются уже при установке, а их дальнейшее взаимодействие происходит через контроллер, который поставщик (государственная вневедомственная охрана или частная охранная организация) устанавливает вместе с остальным оборудованием [8] .

Если пользователь приобретает датчики, сирены и умные выключатели от разных поставщиков и устанавливает их сам, контроллер также устанавливается самостоятельно. Вместе с контроллером поставщики предоставляют доступ к аккаунту на специализированном веб-портале и мобильному приложению, которые позволяют самостоятельно настроить уведомления и взаимодействие устройств.

Как подключать датчики движения к прожектору

Схема подключения датчика движения к прожектору настолько проста, что собрать ее сможет каждый, кто знаком с основами электротехники и правилами проведения электромонтажных работ. ДД работает как автоматический выключатель и должен быть включен между прожектором и розеткой электросети. Чтобы подключить ДД к прожектору, понадобятся отвертка, изолента, пассатижи, монтажный нож, паяльник, мультиметр, электрические провода необходимой длины (при автономной установке ДД). Не помешает и наличие шуруповерта.

Если ДД встроен в корпус прожектора, никаких электромонтажных работ проводить не нужно. Они нужны в тех случаях, когда ДД устанавливается автономно непосредственно возле прожектора или на удалении от него.

Порядок подключения

Подключают ДД к прожектору следующим образом:

1. Разбирают ДД — внутри имеется клеммник с тремя подключенными к нему проводниками синий (ноль), коричневый (фаза электропитания)), красный (нагрузка). Ц вета проводников могут отличаться от указанных, поэтому для надежности провода рекомендуется прозвонить мультиметром.
2. Разбирают прожектор — внутри находится два провода: ноль (синий) и фаза (красный).
3. Подключают прожектор к ДД, для чего соединяют между собой (через клеммник) красные и синие провода (ноль). Контакт клеммника «ноль» должен соединять между собой все три компонента — электросеть, прожектор и ДД. Для этого нужно зачищенный кончик одного провода от кабеля питания скрутить с проводником синего цвета от прожектора и затем через клеммник соединить с синим проводом ДД.
4. Вставляют в оставшееся гнездо клеммника зачищенный кончик фазного провода кабеля питания.
5. Проверив соответствие соединенных между собой проводов и окончательно закрутив винты в гнездах клеммника, собирают ДД и прожектор.

Далее можно подключить систему к сети электропитания и приступить к ее тестированию и настройке.

ДД могут работать с прожекторами, в которых в качестве источника света могут выступать лампы накаливания, галогенные, светодиодные, люминесцентные лампы. При этом схема подключения остается неизменной.

Использование мощных прожекторов потребует включения в схему соединений специальных контакторов (магнитный пускатель), которые снимают с контактов ДД часть нагрузки.

Исходный код программы

Код программы очень простой – я думая его понимание не вызовет у вас никаких затруднений. Как мы узнали из этой статьи, подключить PIR датчик к плате Arduino достаточно просто – не нужно подключать каких то дополнительных библиотек, работать с ШИМ-сигналом и АЦП как в случае с другими датчиками и т.д.

void setup() <
pinMode(2, INPUT); // Pin 2 в режим ввода данных
pinMode(3, OUTPUT); // PIN 3 в режим вывода данных
>
void loop() <
if (digitalRead(2) == HIGH)
<
digitalWrite(3, HIGH); // включаем светодиод/зуммер
delay(100); // ждем 100 мс
digitalWrite(3, LOW); // выключаем светодиод/зуммер
delay(100); // ждем 100 мс
>
>

Классификация прожекторов с датчиками движения

Представленные на рынке датчики движения можно поделить по нескольким параметрам.

• По способу крепления — настенные и потолочные;
• По защищенности от пыли и влаги. Для уличного использования рекомендуют сенсоры с уровнем защиты не меньше IP65.

Световые приборы могут использовать разные источники освещения. Лампы накаливания из-за своей ненадежности и большого потребления энергии редко эксплуатируются в прожекторах. До недавнего времени наибольшей популярностью пользовались галогенные лампы. Однако низкий срок службы и высокое энергопотребление галогенных прожекторов ведут к их замене более современными светильниками.

Лучшими считаются прожектора со светодиодами. Они потребляют меньшее количество энергии и долго служат.

Схема подключения прожекторов не зависит от источника света. Однако датчики движения должны подбираться с учетом мощности используемых ламп.