Датчики движения широко востребованы в разных областях техники. Они способны выполнять множественные задачи, связанные с техническими, охранными или управленческими комплексами. Использование датчиков движения позволяет автоматизировать различные процессы, исключить или уменьшить участие человека в работе технологических и бытовых систем разного назначения. Одной из наиболее продвинутых конструкций считается датчик движения Ардуино, обладающий высокой чувствительностью и расширенным функционалом. Более подробное описание поможет ознакомиться с его особенностями.
Особенности конструкции инфракрасного PIR датчика
Инфракрасный датчик движения (PIR-датчик) предназначен для регистрации теплового (инфракрасного) излучения предметов, находящихся в рабочей зоне устройства. Основная особенность его конструкции заключается в отсутствии самостоятельного излучения. Датчик движения Arduino лишь реагирует на внешнее излучение, анализируя полученные величины и подавая сигналы на управляющее устройство. Примечательно, что это устройство может выполнять и другие задачи, работая как датчик расстояния или детектор температуры. Существует масса вариантов конструкции, выпускаются различные модели подобных датчиков. Однако, несмотря на внешние различия, все они действуют на едином принципе.
Конструкция
Основным элементом датчика являются высокочувствительные пироэлектрические элементы (сенсоры, пироприемники, пиродетекторы). Они принимают инфракрасное излучение, которое фокусируется с помощью линзы Френеля. В наиболее эффективных моделях датчиков используется два подобных элемента. Если в помещении нет движущихся излучающих объектов, сигналы с обоих сенсоров будут одинаковыми. При любых изменениях появится разница сигналов, так как объект в любом случае сначала будет регистрироваться одним элементом, затем вторым. Если показания обоих пироприемников начинают отличаться друг от друга, значит, в рабочей зоне датчика возникло движение.
Использование двух первичных датчиков позволяет увеличить чувствительность устройства, регистрировать перемещения объектов с разной температурой. Регистрируется совсем незначительная разница показаний обоих сенсоров, что позволяет управлять сложными и тонкими процессами.
Кроме сенсоров, конструкцию датчика составляет фокусирующая линза, детали (микросхема) электронной развязки и контактная группа. На нее подается питание, здесь же имеется управляющий и сигнальный электроды.
Особенности фокусирующей линзы
Конструкция пироэлектрического элемента не позволяет ему принимать инфракрасное излучение с достаточной эффективностью. Для концентрации потока тепловых лучей используется специальная линза. Существует два варианта конструкции:
- Линза Френеля
От обычных линз она отличается более плоской, компактной формой. Поверхность такой линзы разделена на участки, обеспечивающие фокусировку лучей в заданной точке. Эффективность линзы Френеля не уступает традиционным видам, но габариты значительно меньше. Это важно для датчиков, использующихся в технологических линиях, или предназначенных для скрытого монтажа. - Сферическая выпуклая линза.
Вся поверхность этой линзы разделена на отдельные сегменты, являющиеся самостоятельными линзами. Такая конструкция увеличивает угол охвата датчика, позволяя с одинаковой эффективностью принимать ИК поток с разных направлений.
Большей популярностью пользуются ПИР-датчики со сферическими линзами, например, модуль HC-SR501. Они способны охватить наибольшее пространство, обеспечить максимальный сектор обзора. Однако, модели с плоскими линзами также пользуются спросом.
Где используется
Инфракрасные ПИР-датчики активно используются в разных сферах деятельности:
- технологические линии или установки;
- охранные системы;
- бытовые комплексы, системы умного дома и тому подобное.
ИК датчик подобного типа не создает никакого излучения. Он не может ставить помехи другой чувствительной аппаратуре или оказывать вредное воздействие живым организмам. Благодаря этому, его применение постоянно расширяется. Работа в связке с микропроцессором Ардуино значительно расширяет область применения датчиков, далеко выводя их из привычных рабочих рамок. Появляется возможность увеличения функционала путем подключения фоторезисторов, термисторов и других дополнений. При этом, сами датчики являются вполне самостоятельными устройствами и могут подключаться не только на Ардуино. Существует масса альтернативных вариантов, использующихся в различных областях техники, системах наблюдения и управления. Однако, особенности и преимущества Ардуино делают его наиболее предпочтительным образцом управляющего устройства.
Что такое Ардуино
Фирма Arduino Software выпускает различные модели микропроцессоров и других электронных устройств. Однако, если в разговоре упоминается об Ардуино, в виду чаще всего имеется микрокомпьютер Arduino Uno. Это небольшая плата, на которой установлен процессор и электронные компоненты. По своим функциональным возможностям это устройство близко к материнским платам компьютеров, хоть и с урезанными возможностями.
Специфической особенностью микроконтроллера Ардуино является удачное сочетание простоты и большого функционального потенциала. Arduino Uno изначально создавался для широкого использования и может быть вполне успешно освоен людьми со слабой подготовкой. При этом, для опытных компьютерщиков это устройство предоставляет массу возможностей, позволяет создавать сложные системы управления различными процессами.
Где используются
Микропроцессоры Ардуино уже успели стать незаменимыми во множестве систем и комплексов:
- управление различными датчиками;
- мультитестеры;
- квадрокоптеры;
- светофоры;
- системы умного дома;
- робототехнические системы;
- вентиляционные комплексы;
- охранные системы;
- метеорологические системы и так далее.
Этот список нельзя назвать исчерпывающим, поскольку новые устройства под управлением Ардуино появляются практически ежедневно.
Инфракрасный датчик движения Ардуино можно использовать не только в управляющих, технологических или охранных комплексах. Датчики движения встречаются в устройствах декоративного, развивающего или информационного характера:
- игрушки;
- оснащение предметов или аттракционов в квест-румах;
- интерактивные арт-инсталляции и так далее.
Единственным ограничением является необходимость составления специальных программ для микропроцессора. Они закачиваются в него с обычного компьютера через интерфейс USB, для чего надо предварительно написать код. Это доступно только программистам, владеющим языком С++. Однако, в сети немало готовых программ для Ардуино, которые можно использовать для решения разных задач.
Пример программы
Простейший скетч для датчика движения Ардуино выглядит следующим образом:
Текст скетча можно скачать здесь: здесь
Это самая простая программа, которая плохо подходит для выполнения практических задач. Чаще всего ее используют для тестирования датчиков и проверки их работоспособности. Основным недостатком этого скетча является отсутствие возможности определить количество и размер регистрируемых объектов, что будет приводить к ложным срабатываниям. Для практического использования составляют более сложные скетчи, которые включают увеличенное количество команд (строк кода).
Подключение датчика к Ардуино
Подключение датчика движения к Ардуино не представляет особой сложности. На датчик надо подать питание (обычно 5 В, но могут быть и другие варианты), а также присоединить выход сенсора к цифровому входу Ардуино. Схема подключения проста, ее можно наглядно рассмотреть на рисунке:
Контактная группа датчика состоит из трех электродов. Два из них подают питание с Ардуино на датчик, а третий передает сигнал с его выхода на управляющее устройство. Земля (на рисунке это черный провод) подключается к контакту GND группы «power» микрокомпьютера. Рядом с ним находится контакт питания +5 V, к которому надо подключить соответствующий контакт датчика (красный провод на рисунке). Выход, или сигнальный (желтый) провод присоединяют к контакту 2 группы «digital» (так показано на рисунке, но фактически можно подключиться к любому цифровому контакту на плате Ардуино).
Способ подключения ИК датчиков к Ардуино один и тот же, он не меняется при введении другого скетча. Есть разные модели микропроцессоров, отличающиеся от Arduino Uno некоторыми параметрами (количество слотов, размер памяти и тому подобное). Выбор модели зависит от сложности будущих задач и от степени подготовки пользователя.
Инфракрасный датчик расстояния Ардуино
Датчик расстояния (или препятствий) используется в электронных игрушках или бытовых приборах. Он несколько отличается от детекторов движения, так как использует для определения расстояний луч света, испускаемый инфракрасным светодиодом. Отражаясь от препятствий, луч попадает на сенсоры, отчего на выходном электроде появляется сигнал. Его величина зависит от расстояния до препятствия. Рабочая область сравнительно мала, от 10 до 80 см (самые мощные модели способны регистрировать отражения от препятствий на расстоянии 1.5 м). Однако, этого вполне хватает для оснащения бытовых роботов-пылесосов, игрушек и прочих устройств.
Подобные модели имеют немало недостатков и ограничений. На них оказывают влияние помехи, случайные отражения, блики глянцевых поверхностей. С увеличением расстояния повышается риск ложного срабатывания, поэтому для ответственных технологических систем такие датчики не используются. Кроме того, их быстродействие невелико и может составлять до 2 секунд. Для бытовых устройств с малой скоростью движения это несущественно, но для производственных процессов такая задержка недопустима.
Достоинства и недостатки
Достоинствами ИК датчиков движения Ардуино принято считать:
- высокая чувствительность сенсоров;
- простота, отсутствие сложных соединений;
- способность регистрировать незначительные тепловые колебания;
- компактность, малый размер платы и линзы. Даже самые крупные модели не занимают много места;
- обширный модельный ряд, множество вариантов конструкции и функциональных возможностей;
- сравнительно низкая стоимость, доступность для всех пользователей.
Существуют и недостатки:
- для работы требуется программа — скетч. Ее загружают в Ардуино, который не может работать сам по себе. Написать скетч самостоятельно может только программист;
- собственная память процессора мала и не вмещает сложные программы;
- несмотря на высокую чувствительность сенсоров, быстродействие устройств сравнительно мало;
- работе устройства мешают помехи, дающие множество ложных срабатываний.
Все проблемы решаются использованием более современных моделей и сложных программ. Постоянно выходят новые версии микропроцессоров, способных работать стабильнее и точнее.
Загрузка...
