Применение пироэлектрический датчик

Устройство пироэлектрических датчиков ИК излучения Пироэлектрический эффект Ещё в далёком XIX веке немецкий физик Вильгельм Рентген занимался изучением пироэлектрического эффекта .

Применение пироэлектрический датчик

Устройство пироэлектрических датчиков ИК излучения

Пироэлектрический эффект

Ещё в далёком XIX веке немецкий физик Вильгельм Рентген занимался изучением пироэлектрического эффекта. Пироэлектрический эффект – это генерация электрических зарядов в кристалле под действием теплового (инфракрасного) излучения.
Современные технологии позволили искусственно синтезировать чувствительные пироэлектрические кристаллы. В отличие от природных кристаллов (турмалин, кварц) в которых пироэлектрический эффект проявляется слабо, искусственные пироэлектрические кристаллы обладают повышенной чувствительностью.

На основе пироэлектрических кристаллов были созданы пироэлектрические инфракрасные датчики. В настоящее время такие датчики применяют практически повсеместно.

Вот наиболее распространённые сферы применения :

Системы охранной сигнализации. Инфракрасные датчики движения обнаруживают движение человека в охраняемой зоне. Каждый человек излучает в окружающую среду тепло. Это и используется для обнаружения человека в охраняемом пространстве.

Автоматически открывающиеся входные двери в крупных супермаркетах, залах, студиях, магазинах и т.п. В таких системах также используются пироэлектрические датчики движения.

В последнее время в продаже появились автоматические выключатели освещения. Применение таких приборов в быту довольно оправдано, это сокращает затраты на электроэнергию.

Автоматические системы противопожарной сигнализации. Пироэлектрический датчик служит своеобразным электронным термометром и сигнализирует о превышении допустимой температуры в помещении.

Кроме всего прочего пироэлектрические датчики служат для дистанционного измерения температуры.

Наиболее продвинувшейся в производстве пироэлектрических датчиков является фирма Murata Manufacturing Co (Япония).

Устройство простейшего пироэлектрического датчика

Пироэлектрический датчик состоит из пластины пироэлектрика (кристалла) по бокам которого нанесены металлические обкладки, которые образуют своеобразный конденсатор. На одну из обкладок нанесено вещество, принимающее электромагнитное тепловое излучение.

Излучение вызывает пироэлектрический эффект и напряжение между обкладками растёт, причём строго определённой полярности. Полученное напряжение приложено к участку затвор – исток полевого транзистора, встроенного в датчик.

В результате сопротивление канала транзистора VT1 изменяется. Транзистор VT1 нагружен на внешний нагрузочный резистор (не показан на рисунке), с которого и снимается сигнал.

Резистор R1 служит для разрядки обкладок конденсатора пироэлектрического датчика.

Датчики некоторых серий снабжают несколькими чувствительными элементами, соединёнными последовательно с чередующейся полярностью. Это позволяет сделать приборы нечувствительными к равномерному фоновому облучению.

Пироэлектрический кристалл – довольно инерционный чувствительный элемент.

Для различных электронных систем применяются пироэлектрические датчики с разной спектральной чувствительностью. Спектральная чувствительность датчика формируется за счёт поглощающей способности материала, которым покрыты пластины пироэлектрика.

Для противопожарных систем используются пироэлектрические датчики со спектральной характеристикой под номером 1.

На графике видно, что датчики с данной характеристикой чувствительны к излучению с длиной электромагнитной волны 4 – 5 мкм (микрометров).

Для охранных систем, а также систем автоматики используются пироэлектрические датчики с характеристикой 2 и 3. Пироэлектрики с такой спектральной характеристикой более подходит для фиксации движения человека.

Пироэлектрические датчики со спектральной характеристикой под номером 4 наиболее подходят для дистанционных измерителей температуры. Видно, что характеристика под номером 4 более равномерна, следовательно, показания датчика с такой характеристикой будут наиболее точны.

Пироэлектрические датчики нашли широкое применение в системах “умный дом”.

Инфракрасные детекторы и матрицы

Инфракрасные датчики и матрицы PYROSENS — это чувствительные датчики для применения в спектроскопии, газовом анализе, технике безопасности и бесконтактном измерении температуры.

Инфракрасные датчики используют в промышленности для определения физических или химических свойств, таких как температура, влажность, концентрации газа или яркость.

DIAS Infrared более 25 лет занимается исследованиями, разработкой и производством высококачественных пироэлектрических инфракрасных датчиков.

Что отличает инфракрасные датчики DIAS?

  • Чрезвычайно высокая удельная чувствительность D* 10 9 см Гц 1/2 Вт -1 , отношение сигнал / шум выше среднего для инфракрасных датчиков
  • Использование очень тонких сенсорных чипов LiTaO 3 (высокая чувствительность обнаружения)
  • Современная технология ионно-лучевого травления
  • Большое разнообразие модификаций
  • Индивидуальные решения с хорошим соотношением цены и качества
  • Реализация малых и больших количеств инфракрасных датчиков для конкретного применения.
  • Инфракрасные датчики и матрицы специально разработаны для использования при бесконтактном измерении температуры и излучения, газового анализа и спектроскопии.

Большой ассортимент различных пироэлектрических инфракрасных датчиков и линейных матриц

  • Пироэлектрические одноэлементные датчики
  • Пироэлектрические многоканальные датчики
  • Пироэлектрические линейные массивы

Для разработки и производства индивидуальных инфракрасных датчиков , пожалуйста, свяжитесь с нами .

Применение одноканальных и многоканальных инфракрасных датчиков

  • Измерение концентрации газа, например, для медицинской техники (анестезирующие газы, контроль дыхательного газа), обнаружение утечек, технология измерения окружающей среды (качество воздуха, выхлопные газы)
  • Измерение жидких компонентов в медицине (например, кровь и моча / мочевина), технологии пищевых продуктов, экологические технологии (например, масла, сточные воды)
  • Обнаружение пламени
  • Измерение температуры (пирометрия)
  • Лазерная калибровка
  • Умный Дом
  • Техника безопасности
  • Движение

Применение пироэлектрических матриц в промышленности и исследованиях

  • Спектроскопия полного внутреннего отражения (ATR) и в недеспергигрующих инфракрасных анализаторах (NDIR)
  • Анализ газа (например, медицинская диагностика, анестезирующие газы, промышленные газы, качество воздуха, строительные услуги)
  • Анализ жидкости (например, кровь, другие медицинские жидкости, нефтехимия, пища)
  • Анализ твердых веществ (например, порошок, взрывчатые вещества, кожа, пища)
  • Измерение температурных профилей (например, инфракрасная камера DIAS PYROLINE, применяемая в сталелитейной и стекольной промышленности, в ленточных процессах или мониторинге движения)
  • Лазерная калибровка и измерение профиля

Обзоры прессы и статьи

Пироэлектрические одно- и многоканальные датчики PYROSENS

Пироэлектрические инфракрасные датчики могут детектировать излучение в очень широком диапазоне длин волн от примерно 100 нм (УФ) до более 1 мм (терагерцевые волны) благодаря принципу физического воздействия и без охлаждения . Серия одноканальных и многоканальных датчиков PYROSENS оптимизирована для спектрального диапазона от 1,5 до 30 мкм. В зависимости от типа, датчики PYROSENS оснащены различными согласованными поглотителями во всем диапазоне и почти всеми фильтрами излучения, имеющимися на рынке, с толщиной от 0,4 мм до 1,5 мм.

В зависимости от предпочтений клиента возможна работа с напряжением со встроенным jFET и сопротивлением затвора с высоким сопротивлением в цепи повторителя источника, а также работа по току со встроенным операционным усилителем и резистором / конденсатором обратной связи. Для большинства типов датчиков предлагается вариант с термокомпенсацией . Выбор соответствующего типа датчика упрощается для пользователя широким диапазоном возможных областей датчика. Диапазон значений для одноэлементного датчика составляет от 0,2 мм² до 64 мм².

Чипы сенсора LiTaO 3 частично утончаются в процессе сложного ионно-лучевого травления до 5 микрон, а затем снабжаются оптимизированными для различных применений тонкими абсорбирующими слоями . Это делает их особенно подходящими для использования в высокочувствительных газовых спектрометрах NDIR.

Подробнее о наших одноканальных и многоканальных датчиках можно узнать здесь:

  • Пироэлектрические одноканальные
    и многоканальные датчики
  • Пироэлектрические одноканальные и многоканальные датчики

Пироэлектрические линейные матрицы PYROSENS

Для бесконтактного измерения температуры и инфракрасной спектрометрии специально разработан пироэлектрическая линейная матрица , содержащая литий танталат 128, 256 или 510 чувствительных элементов (пикселей). Эти матрицы были специально разработаны для измерения очень малых потоков излучения. Линейные матрицы, разделяющие участки между пикселями и дополнительными металлическими отсеками, могут быть собраны вместе с линейным градиентным фильтром (LVF) и представляют собой очень компактные и высокоразмерные сенсорные системы с высоким разрешением, которые работают либо в конфигурации передачика, либо в системе полного внутреннего отражения (ATR).

Подробнее о наших пироэлектрических матрицах можно узнать здесь:

  • Пироэлектрические линейные матрицы
  • Обзор типов пироэлектрических матриц для измерений
  • Обзор типов пироэлектрических матриц для спектрометрии
  • Обзор типов пироэлектрических матриц со спектрально однородной максимальной чувствительностью для применений в спектрометрах

Оценочный комплект: интерфейс инфракрасного датчика и лабораторного программного обеспечения

Для всех линейных матриц PYROSENS доступен оценочный комплект, который позволяет пользователю легко управлять этими матрицами через порт USB компьютера с операционной системой Windows. Конечно, помимо синхронизации с другими компонентами, например, для модуляции излучения и выбора скорости считывания в диапазоне от 1 до 30 строк в секунду, программное обеспечение также позволяет сохранять измеренные данные для последующего анализа.

Узнайте больше об оценочном комплекте здесь.

Применение устройства с датчиком движения для автоматического освещения коридора

Человеческое тело является источником инфракрасного излучения. Это свойство используется для создания пассивных датчиков движения в системах автоматического включения освещения и охраны помещений. Такие датчики реагируют на малейшие изменения теплового излучения, вызываемые перемещением предметов в охраняемом помещении. Устройства называются пироэлектрическими датчиками и состоят из инфракрасного приемника теплового излучения и предварительного усилителя на полевом транзисторе. Для снижения уровня помех перед фотоприемником обычно устанавливается светофильтр, пропускающий излучение только в диапазоне длин волн 5-14 мкм, наиболее характерном для излучения человеческого тела.

Чтобы обеспечить защиту от ложных срабатываний, в более сложных датчиках инфракрасный приемник выполняется в виде двух одинаковых приемников, включенных навстречу друг другу. При таком включении напряжения, генерируемые в фотоприемниках от внешней засветки и изменения температуры корпуса датчика, вычитаются и практически полностью компенсируются. Таким образом, устройства реагируют только на изменения инфракрасного излучения и являются датчиками движущихся объектов. Не стоит думать, что такой датчик реагирует на перемещение только нагретых объектов. Так как в помещении всегда присутствует неравномерный тепловой фон, то перемещение даже не нагретого объекта приводит к изменению теплового фона и срабатыванию датчика движения. Примером такого датчика является пироэлектрический датчик IRA-E710 производства компании Murata. Его схематическое устройство показано на рис. 1.

Рис. 1. Устройство пироэлектрического датчика IRAE710

В качестве исполнительного элемента использован симистор. В состав устройства входит также датчик внешней освещенности, его можно настроить таким образом, что дополнительное освещение включается только при недостатке естественного. Время, на которое включается освещение, можно регулировать в широких пределах.

Технические характеристики устройства:

  • Напряжение питания 220 В ±10%;
  • Максимальная мощность лампы 500 Вт;
  • Время включенного состояния от 5 с до 5 мин;
  • Дальность срабатывания: 3…5м;
  • Размер печатной платы: 82х40 мм;
  • Габариты корпуса: 85х50х35 мм.

Время включенного состояния измеряется от последнего зарегистрированного движения в зоне обнаружения датчика.

Принципиальная электрическая схема устройства показана на рис. 2, а перечень элементов показан на принципиальной схеме.

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная

Схема работает следующим образом. Инфракрасное излучение принимается пироэлектрическим приемником PIR1. Так как такой приемник реагирует только на изменение уровня ИК-излучения между площадками приемника, то перед ним устанавливается модуляционная решетка, состоящая из узких горизонтальных прозрачных и непрозрачных полосок. Тепловой объект, перемещаясь поперек них, оказывается поочередно закрыт/открыт для фотоприемника. Это вызывает появление на выходе фотоприемника переменного напряжения, которое является признаком движущегося объекта. Подбирая ширину модулирующих полосок, можно добиться максимальной чувствительности прибора для объектов заданного размера, а изменяя размер окна модуляционной решетки, можно оптимально сформировать зону обслуживания прибора.

Читайте также  Ионизационный датчик пламени принцип работы

Питание на встроенный усилитель пироэлектрического приемника подается через сглаживающий фильтр R1, C1. Выходной сигнал снимается с вывода 2. Резистор R19 является внешней нагрузкой встроенного полевого транзистора. Далее сигнал поступает на усилитель с коэффициентом усиления примерно 150, собранный на DA1 (выводы 1, 2, 3). При отсутствии движения в зоне действия датчика напряжение на выходе ОУ будет неизменным. При появлении движущихся объектов на выходе ОУ появляется переменная составляющая, которая через конденсатор С2 поступает на второй каскад усиления на DA1 (выводы 12, 13, 14). Этот каскад имеет усиление около 100. Далее сигнал подается на компаратор, собранный на DA1 (выводы 8, 9, 10) и имеющий порог срабатывания, задаваемый резистивным делителем R8, R11, R20. В исходном состоянии напряжение на выходе компаратора близко к 0, и конденсатор С7 разряжен. Если переменная составляющая сигнала от датчика движения превышает порог срабатывания компаратора, то на его выходе появляется сигнал высокого уровня, который быстро заряжает времязадающий конденсатор С7. Диод VD5 не дает разрядиться конденсатору С7 через низкое выходное сопротивление компаратора. Разряд конденсатора происходит через последовательно соединенные резисторы R14, R22. При помощи переменного резистора R22 время разряда можно изменять от 5 с до 5 мин. Конденсатор С7 подключен к неинвертирующему входу второго компаратора, собранного на DA1 (выводы 5, 6, 7). Порог срабатывания этого компаратора задается резистивным делителем R9, R13. Сигнал с выхода этого компаратора поступает на усилитель на транзисторе VT1 и далее на управляющий вывод полупроводникового симистора, который подает напряжение на нагрузку. Время включенного состояния нагрузки определяется суммой продолжительности действия сигнала с датчика движения и постоянной времени разряда цепи С7, R14, R22.

Помимо инфракрасного датчика движения, в устройстве установлен фотоприемник видимого света — фотодиод типа ФД263. На фотодиод, включенный в обратном направлении, через резисторы R15, R23 подается напряжение питания. Напряжение с образовавшегося делителя поступает через резистор R23 на базу транзистора VT2. Пока внешняя освещенность мала, напряжение на базе транзистора высокое, и он не оказывает никакого влияния на работу схемы. При достижении порогового уровня освещенности напряжение на базе транзистора падает, снижается напряжение на его эмиттере, и через диод VD9 он блокирует прохождение сигнала с датчика движения. Внешняя освещенность, при которой происходит блокировка включения лампы по датчику движения, регулируется переменным резистором R23.

Если произошло включение лампы по датчику движения, то работа схемы контроля внешнего освещения блокируется при помощи диода VD8. При выключении лампы конденсатор С10 обеспечивает задержку включения схемы контроля внешнего освещения на 2-3 с, что помогает предотвратить ложные переключения во время переходных процессов при выключении нагрузки.

Устройство получает питание от бестрансформаторного блока питания, состоящего из выпрямителя на R21, R18, C9, VD4, VD6, C8 и двухступенчатого стабилизатора на VD3, R2, C3, VD1.

Устройство собрано на печатной плате размером 82х40 мм, которая устанавливается в пластиковый корпус с поворотным кронштейном, который позволяет сориентировать требуемым образом положение приемного окна прибора после его установки.

Внешний вид устройства показан на рис. 3. Пироэлектрический датчик показан на рис. 4.

Рис. 3. Внешний вид устройства

Рис. 4. Внешний вид пироэлектрического датчика

Прямоугольное окно ИК-приемника располагается вертикально. В процессе эксплуатации необходимо будет установить желаемое время работы освещения (резистором R22) (см. рис. 5) и порог внешней освещенности (рис. 6), при котором свет не включается (резистором R23). Нужно иметь в виду, что время работы освещения отсчитывается от момента последнего обнаруженного движения в зоне работы датчика. Также нужно учитывать, что устройство полностью выходит на режим только через 0,5-1 мин после подачи на него питания. Поэтому все установки можно делать только по истечении этого времени.

Рис. 5. Регулировка желаемого времени освещения

Рис. 6. Регулировка порога внешней освещенности

Порог срабатывания датчика движения определяется номиналом резистора R11. Поэтому при повышенном уровне ложных срабатываний устройства значение номинала этого резистора рекомендуется увеличить, а при необходимости повышения чувствительности устройства его можно несколько уменьшить.

Вариант установки прибора над коридорной дверью рядом с осветительной лампой показан на рис. 7.

Рис. 7. Типовой вариант установки прибора (Дверь квартиры закрыта, лампа не горит)

Рис. 8. Дверь квартиры открывается, срабатывает датчик движения и лампа загорается

Прибор реагирует на пересечение движущимся объектом линий модуляционной решетки, поэтому он должен устанавливаться таким образом, чтобы движущийся объект пересекал ее. Поэтому прибор лучше ставить сверху на стене или потолке, так, чтобы он решетчатым окошком «смотрел» на зону обнаружения, а движущиеся объекты перемещались преимущественно поперек решетки. Если необходимо, чтобы прибор срабатывал при пересечении человеком определенной границы, то его можно установить вертикально, чтобы приемное окно смотрело поперек этой границы.

В качестве «движущегося объекта» автор применил открывающуюся входную дверь в квартиру.

Аналогично срабатывает датчик и на движение человека в коридоре квартиры. Ходить по коридору становится комфортнее.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Чтобы сэкономить время и избавить вас от рутинной работы по поиску необходимых компонентов и изготовлению печатных плат, МАСТЕР КИТ предлагает набор NM6013. Набор состоит из заводской печатной платы, всех необходимых компонентов и инструкции по сборке и эксплуатации.

Более подробно ознакомиться с ассортиментом нашей продукции можно с помощью CD-каталога «МАСТЕР КИТ-2007» и на сайте http://www.masterkit.ru, где представлено много полезной информации по электронным наборам и модулям МАСТЕР КИТ, приведены адреса магазинов, где их можно купить.

Наборы МАСТЕР КИТ можно купить в магазинах радиодеталей Вашего города.

Как работает PIR датчик HC-SR501, и его взаимодействие с Arduino

Лаборатория каждого сумасшедшего ученого, или секретная комната подростка, нуждается в улучшенной защите от вторжения мошенников или братьев и сестер. Если вы один из них, вам, вероятно, стоит подумать о приобретении пассивного пироэлектрического инфракрасного (PIR) датчика. PIR датчики позволяют вам определять, когда кто-то находится в комнате, когда не должен быть там.

Рисунок 1 – Как работает PIR датчик HC-SR501, и его взаимодействие с Arduino

Хотя это может показаться чем-то из шпионского фильма, но вы, вероятно, используете PIR датчики каждый день. Этот датчик вы можете найти в большинстве современных систем безопасности, автоматических выключателях света, механизмах открывания гаражных ворот и аналогичных применениях, где работа какого-либо электрического устройства необходима только в присутствии людей.

Как работает PIR датчик движения?

Если вы не знали, все объекты с температурой выше абсолютного нуля (0 Кельвинов / -273,15°C), включая человеческие тела, испускают тепловую энергию в виде инфракрасного излучения. Чем горячее объект, тем большее излучение он излучает.

PIR датчик разработан специально для обнаружения таких уровней инфракрасного излучения. В основном он состоит из двух основных составляющих: пироэлектрического датчика и специальной линзы, называемой линзой Френеля, которая фокусирует инфракрасные сигналы на пироэлектрический датчик.

Рисунок 2 – PIR датчик, пироэлектрический датчик, два слота обнаружения

Пироэлектрический датчик на самом деле имеет две прямоугольные прорези, выполненные из материала, который пропускает инфракрасное излучение. За ними находятся два отдельных инфракрасных сенсорных электрода: один из которых отвечает за создание положительного выходного сигнала, а другой – отрицательного. Причина такого решения заключается в том, что мы ищем изменение инфракрасных уровней, а не сами окружающие инфракрасные уровни. Два электрода подключены так, чтобы они подавляли друг друга. Если одна половина видит больше или меньше инфракрасного излучения, чем другая, выходной сигнал будет высоким или низким.

Когда датчик находится в режиме ожидания (то есть вокруг датчика нет движения), оба слота обнаруживают одинаковое количество инфракрасного излучения, что приводит к нулевому выходному сигналу.

Но когда мимо проходит теплый объект, подобный человеку или животному; сначала он перекрывает одну половину PIR датчика, что вызывает появление положительного дифференциального изменения между двумя половинами. Когда теплый объект покидает чувствительную область, происходит обратное, в результате чего датчик генерирует отрицательное дифференциальное изменение. Соответствующий импульс сигналов приводит к тому, что датчик устанавливает на выходном выводе высокий логический уровень.

Рисунок 3 – Принцип действия PIR датчика

PIR детектор движения HC-SR501

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.

Рисунок 4 – Распиновка PIR датчика. Расположение компонентов на плате.

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. Рисунок 5 – Работа PIR датчика HC-SR501 в режиме повторного запуска
  • 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. Рисунок 6 – Работа PIR датчика HC-SR501 в режиме без повторного запуска
Читайте также  Как подключить бесконтактный датчик AR-G18-3C5PC?

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.

Рисунок 7 – PIR датчик. Площадки для фоторезистора и термистора

  • 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.

Распиновка PIR датчика HC-SR501

HC-SR501 имеет 3-контактный разъем, который соединяет его с внешним миром. На него выведены следующие контакты:

Рисунок 8 – Распиновка PIR датчика HC-SR501

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.

Использование PIR датчика в качестве автономного устройства

Одна из причин, по которой PIR датчик HC-SR501 является чрезвычайно популярным, заключается в том, что он является очень универсальным датчиком, который самодостаточен. А подключив его к каким-либо микроконтроллерам, таким как Arduino, вы сможете еще больше расширить его универсальность. Для нашего первого эксперимента мы будем использовать HC-SR501 отдельно, чтобы показать, насколько он полезен сам по себе.

Схема соединений для этого эксперимента очень проста. Батареи подключены к выводам датчика VCC и GND, а маленький красный светодиод подключен к выходному контакту через ограничивающий ток резистор 220 Ом. И всё!

Теперь, когда PIR обнаруживает движение, на выходном контакте появляется высокий логический уровень, и светодиод загорается!

Рисунок 9 – Тестовая схема подключения PIR датчика без использования Arduino. Она показывает, как можно использовать PIR датчик в автономных приложениях.

Помните, что при включении питания необходимо подождать 30-60 секунд, пока PIR датчик не адаптируется к инфракрасной энергии в помещении. В течение этого времени светодиод может немного мигать. Подождите, пока светодиод не погаснет, а затем подвигайтесь перед ним, махая рукой, чтобы увидеть, что светодиод загорается.

Подключение PIR датчика к Arduino UNO

Теперь, когда у нас есть полное понимание того, как работает PIR датчик, мы можем подключить его к нашей плате Arduino!

Подключить PIR датчики к микроконтроллеру очень просто. PIR действует как цифровой выход, поэтому всё, что вам нужно делать, это отслеживать, когда на его выходном выводе установится высокий логический уровень (обнаружено движение) или низкий логический уровень (не обнаружено). Подайте на PIR датчик напряжение 5 В и подключите землю. Затем подключите выход к цифровому выводу 2.

Вам нужно установить перемычку на HC-SR501 в положение H (повторный запуск), чтобы он работал правильно. Вам также нужно будет установить время на минимум (3 секунды), повернув потенциометр «время» против часовой стрелки до упора. Установите чувствительность в любое положение, которое вам нужно, либо, если не уверены, установите ее в среднее положение.

Теперь вы готовы загрузить код и начать работу PIR датчиком.

Рисунок 10 – Подключение PIR датчика к Arduino UNO

Код Arduino

Код очень прост и в основном отслеживает, является ли входной сигнал на выводе 2 высоким или низким.

В конце, при обнаружении движения мы печатаем сообщение в монитор последовательного порта.

Рисунок 11 – Вывод приложения PIR датчика в мониторе последовательного порта

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.

Применение пироэлектрический датчик

Пироэлектрические детекторы и термопарные датчики Heimann Sensor GmbH

Компания Heimann Sensor GmbH – является мировым лидером в производстве инфракрасных датчиков температуры, термопарных матриц, пироэлектрических детекторов и сенсорных модулей с интегрированной схемой обработки сигнала для бесконтактного измерения температуры и определения состава газа.

Каждый физический предмет излучает в пространство волны, характер и интенсивность которых зависит от температуры объекта. Для предметов без цвета (абсолютно черные тела), т.е. не излучающих и не поглощающих энергии в каком-то определенном диапазоне длин волн, интенсивность излучения зависит только от температуры этого тела. На первом рисунке показана спектральная характеристика абсолютно черного тела.

Кривые на спектральной характеристике никогда не пересекаются друг с другом. Это говорит о том, что интенсивность излучения в отдельно взятом диапазоне является функцией от температуры. Измеряя интенсивность излучения, можно совершенно однозначно судить о температуре объекта. Такое измерение может быть проведено с помощью человеческого глаза, который чувствителен к диапазону длин волн от 0,38 до 0,75 мкм. Этот диапазон волн, называемый видимым излучением, помечен на спектральной характеристике. Если температура объекта превышает 400 0С (700 К), он начинает излучать в видимом диапазоне. При такой температуре объект будет казаться нам темно-красным. Это хорошо видно, например, при разогреве электрической плитки. Далее, с ростом температуры, например, до 1000 0С (1300 К) свечение объекта становится не просто более интенсивным – изменяется и его цвет. Он становится ярко-красным, так как в спектр излучения добавились участки, отвечающие за воспроизведение зеленого и желтого цвета. Излучение от объекта с температурой 6000 К будет восприниматься человеческим глазом как белый цвет.

Если температура объекта меньше 400 0С требуется детектор, чувствительный к более длинноволновому участку спектра (с длиной волны от 3 до 20 мкм – так называемое тепловое излучение). Наиболее распространенными детекторами, выпущенные за последние десятилетия, являются детекторы, которые основаны на полупроводниках, обладающих свойством изменять свою проводимость под действием инфракрасного излучения. Это изменение может быть зафиксировано, измерено и использовано, например, в приборах, предназначенных для дистанционного измерения температуры.

Системы, построенные на основе таких датчиков, обладают высокой точностью и разрешающей способностью. Однако их цена достаточно высока, что сдерживает их распространение на потребительском рынке бытовых приборов различного назначения. Ситуацию можно было исправить только с приходом другого класса инфракрасных датчиков. Такие датчики, чувствительные к длинноволновому инфракрасному диапазону, обладающие высокой разрешающей способностью и при этом недорогие, получили название пироэлектрических приемников.

В данном виде датчиков тепловое излучение абсорбируется пироэлектрическим материалом, который в свою очередь преобразует его в электрический потенциал.
Сфера применения пироэлектрических датчиков очень широка. Это детекторы движения, датчики пожарных и охранных сигнализаций, системы дистанционного измерения и контроля температуры, газоанализаторы и многие другие системы. Особенностью всех пироэлектрических приемников является то, что на выходе они имеют сигнал, прямо пропорциональный степени изменения мощности излучения на их входе. Поэтому их применение оправдано в том случае, если требуется фиксировать изменение уровня инфракрасного излучения. В случае, если датчик применяется для измерения статических уровней мощности (газоанализаторы, измерение температуры), требуется применение устройств, которые обеспечивают прерывание поступающего на вход приемника излучения с требуемой периодичностью (например, механические шторки).

Классический пироэлектрический приемник компании Heimann Sensor GmbH состоит из следующих частей:

  • металлического корпуса;
  • инфракрасного фильтра, отсекающего видимое излучение;
  • керамической пластины, обладающей пироэлектрическим эффектом с двумя или более чувствительными зонами;
  • полевого транзистора, и резистора;
  • печатной платы, на которой располагаются компоненты приемника;
  • металлической подложки с гибкими выводами.

Приборы, предназначенные для детектирования длинноволнового инфракрасного излучения, появились более 150 лет назад. Такой прибор получил название «термопара». Термопара устроена достаточно просто: два различных материала спаиваются друг с другом одним концом. При наличии разницы в температуре спаянных и свободных концов термопары, возникает электродвижущая сила, которая так и называется — термоЭДС. Значение термоЭДС является функцией от разницы температур термопары и от ее материалов.

Если в точке соединения материалов термопары установить пластину-поглотитель, которая будет нагреваться от инфракрасного (теплового) излучения, то напряжение на выходе термопары будет пропорционально мощности инфракрасного излучения, попадающего на пластину-поглотитель. Для того, что бы повысить чувствительность такого датчика, несколько термопар соединяют последовательно. На соседнем рисунке показана первая термопара, сконструированная в 1835 году. Очевидно, что она обладает рядом недостатков, например, из-за большой массы она обладала очень большой инерционностью, что делало невозможным использование термопар для отслеживания быстро меняющихся температурных процессов.

Современная полупроводниковая промышленность позволяет разместить сотни термопар на площади в несколько квадратных миллиметров. Датчик такого типа обладает высокой чувствительностью, малой инерционностью и невысокой стоимостью при массовом производстве. Компания Heimann Sensor GmbH разработала уникальную технологию массового производства как одиночных термопарных датчиков, так и их матриц. Использование полностью автоматизированного производственного процесса позволяет добиться минимального расхождения параметров одной серии термопарных датчиков.

Процесс производства начинается с нанесения на кремниевую пластину стекловидного слоя (изолятора) (1). Затем на изолятор наносятся слои металла (2), образующие в результате несколько сотен соединенных последовательно термопар. В зависимости от размера кремниевой пластины на ней могут быть нанесены до нескольких тысяч термопар. После этого участок кремния под стекловидным изолятором удаляется посредством травления. Оставшийся кремний играет роль радиатора, охлаждающего «холодные» спаи (4) термопар. Завершающий этап — установка поглотителя (5), температура которого изменяется под действием инфракрасного излучения и, соответственно, нагревает «горячие» спаи термопары. После этого готовую кремниевую пластину режут на тысячи миниатюрных кристаллов, и каждый чувствительный элемент помещается в транзисторный корпус ТО-типа. Пайка крышки с инфракрасным окном к корпусу осуществляется в атмосфере инертных газов.

Читайте также  Герконовый датчик открытия двери

На соседнем рисунке приведена фотография чувствительного элемента термопарного датчика. Выводы элемента соединяются с двумя выводами корпуса датчика. Третий вывод предназначен для термистора, который устанавливается в корпус и предназначен для калибровки датчика. Выходной сигнал с датчика составляет несколько милливольт и необходимо его предварительное усиление. Предварительный усилитель сигнала должен находиться в непосредственной близости от чувствительного элемента датчика для достижения максимального соотношения уровня сигнал/шум. Некоторые термопарные датчики компании Heimann Sensor GmbH уже имеют встроенные схемы для предварительной обработки сигнала с чувствительного элемента непосредственно внутри датчика. Термопарные линейки дополнительно содержат встроенный мультиплексор, последовательно считывающий сигнал с каждого пикселя, тем самым снижая количество дополнительных микроконтактов. Сигнал на выходе термопарных датчиков прямо пропорционален мощности инфракрасного излучения, поступающего на вход датчика.

Область применения термопарных датчиков полностью аналогична области применения пироэлектрических приемников. Однако тот факт, что для работы термопарного датчика не требуется прерывистость излучения на входе датчика, сильно облегчает его работу в таких устройствах, как дистанционные измерители температуры и газоанализаторы.

Компания Heimann Sensor GmbH специализируется на разработке и производстве пироэлектрических детекторов и термопарных датчиков с высокой обнаружительной способностью и предназначенных для детектирования различных газов – CO2, CO, CH4, NO, N2O, HC, H2O. Детекторы могут содержать от 1 до 4 оптических каналов в зависимости от размера активной области кристалла и комплектуются различными типами фильтров по требованию заказчика.

Пироэлектрический сигнализатор в охранной системе

Пироэлектрические датчики инфракрасного излучения обладают довольно высокой чувствительностью, удобны в подключении и сравнительно недороги. Однако, как показывает практика, зачастую дешевые датчики склонны к самопроизвольным (ложным) срабатываниям. Так, наиболее доступные и широко распространенные датчики «SRP PLUS» давали в среднем одно-два ложных срабатывания за время около восьми часов. По этой причине применение пироэлектрических датчиков в охранных системах требует принятия мер по борьбе с ложными срабатываниями. Описанное ниже устройство позволяет с успехом использовать практически любой пиродатчик для надежной охраны помещения. Датчик представляет собой самостоятельный электронный блок, к которому подведено напряжение питания 12 В. При отсутствии движения в зоне обзора датчика сопротивление между выводами «Relay» минимально (несколько десятков Ом — «контакты замкнуты»), при срабатывании — увеличивается до десятков мОм («контакты разомкнуты»). Минимальное время реакции датчика — 2. 3 с, даже при быстром движении объекта в зоне чувствительности. При случайных ложных срабатываниях это время обычно не превышается. Если объект движется перед датчиком более длительное время, то выводы «Relay» могут все это время находиться в состоянии «разомкнуто» или периодически замыкаться и размыкаться, если объект то входит в зону, то уходит из нее. Дальность действия и угол обзора зависят от типа датчика. В частности, у прибора «SRP PLUS» дальность действия достигает 15 м, а угол — 90 град. После подачи питания датчик в течение 30 с не реагирует ни на какие объекты. Это позволяет человеку, включившему систему охраны, выйти из помещения, не опасаясь преждевременного ее срабатывания.
Принцип действия электронного узла, работающего совместно с датчиком, основан на том, что исполнительное устройство охранной системы включается не сразу после размыкания цепи «Relay», а только в том случае, когда длительность разомкнутого состояния достигнет 6..8 с или цепь разомкнётся дважды в течение определенного времени. Поскольку система при этом будет срабатывать с задержкой, необходимо учитывать указанное обстоятельство, располагая прибор таким образом, чтобы он успел уверенно среагировать на наличие постороннего лица.

Принципиальная схема узла показана на рис. 1. При включении питания цепь R1C1 формирует импульс низкого уровня, благодаря которому на выходе логического элемента DD2.3 появляется импульс высокого уровня, устанавливающий счетчик DD4 по входу R в нулевое состояние, а триггер на элементах DD2.1, DD2.2 — в состояние, при котором на его верхнем по схеме выходе будет низкий уровень. Единичный уровень с нижнего выхода этого триггера запрещает работу счетчика DD3.

На нижних по схеме входах элемента DD2.2 и входе С счетчика DD4 — низкий уровень, поскольку выходные выводы R («Relay») датчика В1 замкнуты.
Триггер на элементах DD5.2, DD5.3 также установится в состояние, при котором транзистор VT1 закрыт и реле К1 обесточено, контакты К1.1, управляющие исполнительным устройством, разомкнуты, индикатор HL1 выключен. При срабатывании пиродатчика В1 его выходная цепь размыкается и на двух нижних входах элемента DD2.2 триггера устанавливается высокий уровень, который переключает триггер в противоположное состояние. На входе R счетчика DD3 установится низкий уровень.

Счетчик начнет подсчет импульсов, поступающих с генератора на элементах DD1.1, DD1.2. С приходом восьмого импульса на выходе 23 счетчика появится высокий уровень. Если при этом на нижнем входе элемента DD1.3 будет также высокий уровень, т. е. выход датчика продолжает оставаться разомкнутым, то элемент DD1.3 перейдет в нулевое состояние, что приведет к переключению триггера DD5.2, DD5.3, срабатыванию реле К1 и замыканию контактов К1.1, включится светодиод HL1.

Если же выход датчика к этому моменту замкнется, то элемент DD1.3 не переключится. Счетчик DD3 продолжит счет импульсов и через 64 такта на его выходе 26 появится высокий уровень, который переключит триггер DD2.1, DD2.2 в первоначальное состояние. Если же в течение этого времени датчик сработает дважды, на выходе 2 счетчика DD4 появится высокий уровень, который также переключит триггер DD5.2, DD5.3 и замкнутся контакты К1.1.

В случае, когда датчик сформирует только один импульс, на шестьдесят четвертом такте счетчик DD4 обнулится импульсом, прошедшим через диод VD2. Устройство можно при необходимости в любой момент принудительно переключить в состояние готовности нажатием на кнопку SB1. Питать узел можно от нестабилизированного источника напряжением 12 В. Все микросхемы питает внутренний стабилизатор DA1. Задержка срабатывания системы, как говорилось выше, более 30 с. При необходимости увеличить задержку вдвое нужно заменить резистор R1 на другой — сопротивлением 3 МОм и конденсатор С1 — емкостью 30 мкФ. Конденсатор следует выбрать с минимальным током утечки. Электронный узел собран на печатной плате из фольгированного с обеих сторон стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.

Чертеж платы представлен на рис. 2. На плате расположены все детали, кроме датчика В1.
В узле использованы резисторы МЛТ-0,125; оксидные конденсаторы на напряжение не менее 16 В, например, К50-35 или другие подобные. Диоды можно заменить на КД521, КД522 с любым буквенным индексом. Вместо транзистора КТ972А можно использовать КТ972Б, 2SD1111 или в крайнем случае из серий КТ815, КТ503.

Микросхемы можно заменить на аналогичные серии К1561 или использовать импортные: К561ЛЕ10 — CD4025, К561ЛА9 — CD4023, К561ЛЕ5 — CD4001, К561ИЕ16 — CD4020, К561ИЕ11 — CD4516. Реле — РЭС49, исполнение РС4.569.425 (либо РС4.569.431) или по новой классификации РС4.569.421-02 (либо РС4.569.421-08), а также любое другое, подходящее по размерам и надежно срабатывающее при напряжении 12 В. Стабилизатор напряжения 7809 можно заменить на КР142ЕН8 с буквенным индексом А или Г.

На основе пиродатчика и описанного узла была собрана система охраны для строящегося частного дома. Будущий хозяин проживал в пяти минутах ходьбы от места строительства, и требовалось как-то оповещать его о срабатывании системы. Было решено использовать для этого мобильный телефон. В результате получилось интересное устройство, которое может найти применение во многих других ситуациях.

Мобильные телефоны сейчас очень распространены, многие исправные уже вышли из употребления. Для системы подойдет любой дешевый мобильный аппарат с минимальным набором функций, причем он остается пригодным для использования по прямому назначению. Эта система при срабатывании датчика обеспечивает связь с другим мобильным или обычным телефоном, желательно с определителем номера.

Для совместной работы с мобильным телефоном электронный узел можно упростить, удалив из него триггер DD5.2, DD5.3.

Измененная часть схемы изображена на рис. 3. Принцип действия узла остается прежним. Контакты К1.1 припаивают параллельно контактам кнопки ‘Yes» (поднятие трубки) мобильного телефона. При срабатывании датчика контакты реле замыкают выводы кнопки, и телефон производит вызов по заранее установленному в меню номеру. Сам телефон с сетевым источником питания, подключенным к нему, располагают в небольшой коробке вместе с платой узла и пиродатчиком. Чувствительный элемент датчика должен выступать из коробки. Светодиод в датчике следует отключить путем снятия специальной перемычки (как это описано в прилагаемой к датчику инструкции). Для приведения системы в действие сначала, не подключая узел к источнику питания, включают мобильный телефон (у него есть собственная батарея аккумуляторов) и заносят в его телефонную книгу номер, по которому он будет выполнять вызов. Курсор устанавливают на этом номере, остается только нажать на кнопку ‘Yes» и телефон начнет его набирать. Далее к электронному узлу подают питание, коробку оставляют в заранее подготовленном неприметном месте, направив датчик в зону охраны, и уходят. Налаживания устройство не требует и при правильной сборке из заведомо исправных деталей работоспособно сразу. Частота тактового генератора DD1.1, DD1.2 при указанных на схеме номиналах резистора R2 и конденсаторе С2 — около 1 Гц. Отсюда следует, что минимальная длительность разомкнутого состояния выхода датчика, при которой сработает сигнализация, — около 8 с, а время, за которое могут пройти два импульса с датчика, — соответственно около 64 с. При необходимости можно изменить это время изменением тактовой частоты генератора.

Алексей Бартош/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Gk-Rosenergo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: