Инфракрасные пироэлектрические датчики широко используются для управления освещением, в охранных систем и автоматизации различных процессов. Выпускается множество видов таких датчиков, и их можно найти как отдельно, так и в виде модуля или готового устройства. На данный момент существует много различных модулей, используемых радиолюбителями. Это только небольшая часть из всего многообразия (изображения не в масштабе):
Первым наиболее популярным стал модуль HC-SR501, наиболее популярным он остаётся и по сей день.
Модуль не самый компактный, но его можно гибко настраивать и есть возможность добавить фоторезистор и термистор. Его можно как подключать в роли датчика к различным платам с микроконтроллерами/микропроцессорами (Arduino, STM32, ESP32, Raspberry PI и т.д.), так и использовать самостоятельно для управления другими устройствами.
Перед началом рассмотрения, как устроен и работает HC-SR501, не помешает упомянуть, что модули производится множеством компаний и могут быть небольшие отличия (схема, используемые детали и их номиналы и т.д.), в том числе и от партии к партии у одного производителя. Эти отличия по большому счёту не очень существенны, но их иногда нужно учитывать.
Примерные габариты модуля:
Основа модуля – это инфракрасный пироэлектрический преобразователь. Пироэлектрический эффект – появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (пироэлектриков) при их нагревании или охлаждении. Один конец пироэлектрика при нагревании заряжается положительно, а при охлаждении - отрицательно, другой - наоборот.
Тепловое излучение — электромагнитное излучение, испускаемое телами за счёт их внутренней энергии. Излучается телами, имеющими температуру больше 0К, то есть всякими нагретыми телами, поэтому и называется тепловым. Имеет сплошной спектр, но в основном приходится на инфракрасный участок спектра. На какой именно диапазон, зависит от температуры.
В HC-SR501 используются трёхвыводной датчик с двумя чувствительными элементами (на изображении ниже дорисованы двумя красными прямоугольниками):
В таких датчиках, когда на оба элемента попадает одинаковое излучение, на выходе нет сигнала. При возникновении дисбаланса (сквозняк, перемещение объектов, резкий нагрев чего-либо и т.д.), на выходе появляется сигнал.
Сверху модуль выглядит примерно так:
Как можете заметить, на этих модулях запаяны разные датчики.
Над датчиком установлена линза (прозрачная для ИК-излучения):
Она фокусирует ИК-излучение с нужных направлений на датчик. Может отличаться цветом материала (прозрачный, чёрный, ...) или формой:
Модули HC-SR501 не являются узкоспециализированными и у них зона обнаружения - это конус:
Т.к и сами датчики и линзы могут отличаться, углы обзора тоже могут быть разные. Скорей всего угля будут в пределах 90-140 градусов.
Максимальная дальность обнаружения движущихся объектов составляет несколько метров, но всё будет зависеть от размеров объектов, их температуры, настроенной чувствительности датчика и линз (угол обзора больше, дальность будет меньше и наоборот).
С обратной стороны модуль выглядит примерно так:
Если присмотреться, у этих двух модулей есть множество небольших различий. Они могут иметь значение при некоторых обстоятельствах, но зачастую или будут не значительными или вообще не иметь никакого значения.
Примерная схема модуля:
Пироэлектрический датчик подключен к микросхеме BISS0001, которая реализует обработку сигнала с датчика и устанавливает соответствующий уровень на выходе модуля.
Как видно из таблицы выше, минимальное рекомендуемое напряжение составляет 3В. При более низких напряжениях нормальная работа не гарантируется. Это сама микросхема BISS0001, а перед ней на плате установлен 3.3В линейный стабилизатор 7133-1 с низким падением напряжения, вот его примерные характеристики:
Перед 7133 стоит защитный диод (что бы не вышло из строя, если перепутаете полярность). Падение напряжения на диоде может быть разной, в зависимости от запаянного диода. В данном случае на обеих платах падение примерно 0.5В.
Теперь немного про то, сколько вольт можно подавать на модуль. К примеру, если запитать модуль примерно от 4-6В, то на BISS001 будет подаваться 3.3В. Всё нормально, схема рассчитана именно под такое напряжение. А если запитать модуль от 3.3В, то на BISS001 поступит уже около 2.7В. Сам модуль скорей всего работать будет, но модуль же не сам по себе. Он либо как датчик подключен к плате, либо сам управляет нагрузкой (к примеру, через реле или транзистор может включать лампу, мотор, светодиодную ленту и т.д.). На выходном выводе модуля напряжение в высоком состоянии больше чем питающее напряжение быть не может. Т.е. будет ли достаточно 2.7В для нормальной работы, это зависит от того, к чему подключен модуль.
С максимальным напряжением тоже есть ограничения. С одной стороны, для 7133 указано максимальное напряжение 24В. С другой, ещё до стабилизатора после диода на плате есть конденсатор. К примеру, на синем модуле запаян конденсатор на 25В, а на зелёном на 16В.
Модуль может работать в режиме «non retriggerable» («не перезапускаемый») или в режиме «retriggerable» («перезапускаемый»).
В «не перезапускаемом» режиме после срабатывания на выходе устанавливается высокий уровень. В высоком уровне выход остаётся некоторое время Tx. После чего на выходе устанавливается низкий уровень, в котором он остаётся на время Ti (запускается таймер блокировки срабатывания). После чего модуль снова может сигнализировать об обнаружении движения.
Что бы было понятней, приведём пример. Допустим к выводу модуля подключен светодиод, а перед модулем постоянно происходит движение (махать рукой и т.д.). В «не перезапускаемом» режиме светодиод некоторое время будет светиться, затем не на долго погаснет. Потом снова начнёт светиться и спустя время опять погаснет. И т.д.
В «перезапускаемом» режиме после срабатывания на выходе устанавливается высокий уровень. Высокий уровень будет удерживаться в течении времени Tx. Если за время Tx датчик снова обнаружит движение, вывод не будет переведён в низкий уровень, а таймер Tx перезапустится. После окончания Tx, запустится таймер блокировки Ti. Если движение обнаружено во время Ti, на выходе модуля не будет установлен высокий уровень.
Возвращаясь к примеру со светодиодом, это означает следующее – пока перед датчиком есть движение, светодиод будет постоянно светиться.
Время Tx и Ti задаются резисторами и конденсаторами, подключенными к выводам 3, 4, 5 и 6 микросхемы. Для изменения Ti на плате придётся перепаять детали. А для частичной подстройки Tx на плате установлен подстроечный резистор. Выше есть два изображения – схема и фото с описанием где какие детали. «Регулировка времени» это и есть частичная подстройка Tx. Обычно на плате запаяны такие номиналы, что бы блокировка (Ti) длилась примерно пару секунд, а Tx можно было настроить от нескольких секунд до нескольких минут.
Режим «не перезапускаемый» иногда ещё называют режимом «L», а «перезапускаемый» режимом «H». Это связано с тем, какой уровень устанавливается на первом пине (вход) микросхемы BISS0001. «L» (low) это низкий уровень, а «H» (high) это высокий. Где какой режим, на плате иногда помечается буквами «L» и «H», а иногда не обозначают. На модулях, что на фото выше, на зелёном есть обозначение, а на синем нет.
Также может и отличаться, что нужно сделать для переключения режимов. На синем модуле для переключения просто переставляется перемычка. А на зелёном сначала нужно перерезать дорожку, после чего запаять перемычку:
На плате есть ещё один подстроечный резистор, им настраивают чувствительность. Можно отрегулировать расстояние, на котором датчик будет срабатывать. Если в доме есть кошка или небольшая собака, иногда можно настроить что бы датчик на них не реагировал. Ложные срабатывания ещё могут происходить из-за сквозняков или вибраций. Если поверхность, к которой прикреплён датчик, передаёт ему небольшие вибрации, кроме подстройки может оказаться полезным сделать виброизоляцию.
На этом фото отмечено место для подключения термистора. Термистор (терморезистор) – это резистор, у которого сопротивление меняется в зависимости от температуры. В местах, где происходит быстрое изменение температуры, установка термистора может быть полезной для избегания ложных срабатываний.
Возможно, если интересно поэкспериментировать или для практического использования в очень редких специфических условиях, установка термистора может быть полезна, но в общем необходимости в этом нет.
Фоторезистор – это резистор, изменяющий своё сопротивление под действием света. Если датчик движения используется для управления освещением, добавлением фоторезистора можно добиться того, что датчик будет срабатывать только когда освещённость (солнце зашло или выключены другие осветительные приборы) ниже некоторого уровня.
