Cảm biến hồng ngoại là gì mà ngày nay lại được ứng dụng nhiều trong cuộc sống như vậy: đo nhiệt độ, phát nhiệt, được ứng dụng vào phát triển kỹ thuật quân sự, đặc biệt được sử dụng rất nhiều trong điện tử kỹ thuật.
Cảm biến hồng ngoại là gì?
Ai cũng biết về cảm biến hồng ngoại nhưng để hiểu rõ về khái niệm và ứng dụng của nó thì hầu như mọi người đều rất mơ hồ. Thật ra rất đơn giản, đối với tôi thì cảm biến hồng ngoại = bộ cảm biến + phát hiện tia hồng ngoại. Nào, tôi và bạn cùng tìm hiểu nhé.
Bộ cảm biến là thiết bị điện tử có thể cảm nhận trạng thái ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái đó.
Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò, có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được gọi luôn là “bộ cảm biến”.
Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba. Tên “hồng ngoại” có nghĩa là “ngoài mức đỏ”, màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường.
Vậy cảm biến hồng ngoại là gì?, chỉ đơn giản là một thiết bị điện tử có khả năng thu, nhận biết được tín hiệu của tia hồng ngoại.
Cảm biến PIR cho phép bạn cảm nhận chuyển động, hầu như luôn được sử dụng để phát hiện xem một người đã di chuyển vào hay ra khỏi phạm vi cảm biến. Chúng nhỏ, rẻ tiền, công suất thấp, dễ sử dụng và không hao mòn. Vì lý do đó họ thường được tìm thấy trong các thiết bị và tiện ích được sử dụng trong nhà hoặc doanh nghiệp. Chúng thường được gọi là PIR, cảm biến hồng ngoại “thụ động hồng ngoại”, “Pyroelectric”, hoặc “IR chuyển động”.
PIR về cơ bản được làm bằng một cảm biến pyroelectric (mà bạn có thể nhìn thấy dưới đây như là kim loại tròn có thể với một tinh thể hình chữ nhật ở trung tâm), có thể phát hiện mức độ bức xạ hồng ngoại. Tất cả mọi thứ phát ra một số bức xạ mức thấp, và một cái gì đó nóng hơn là, bức xạ nhiều hơn được phát ra. Các cảm biến trong một máy dò chuyển động thực sự được chia làm hai nửa. Lý do cho điều đó là chúng tôi đang tìm kiếm để phát hiện chuyển động (thay đổi) không phải mức IR trung bình. Hai nửa được nối dây để chúng loại bỏ lẫn nhau. Nếu một nửa nhìn thấy nhiều hơn hoặc ít hơn bức xạ hồng ngoại so với khác, đầu ra sẽ đu cao hoặc thấp.
Cùng với cảm biến pyroelectic là một loạt các mạch hỗ trợ, điện trở và tụ điện. Có vẻ như hầu hết các cảm biến hobbyist nhỏ sử dụng BISS0001 (“Micro Power PIR Motion Detector IC”) , chắc chắn là một chip rất rẻ tiền. Chip này có đầu ra của cảm biến và thực hiện một số xử lý nhỏ trên nó để phát ra xung đầu ra kỹ thuật số từ cảm biến analog.
Các PIR cũ hơn của chúng tôi trông như thế này:
PIRs mới của chúng tôi có cài đặt có thể điều chỉnh nhiều hơn và có một tiêu đề cài đặt trong 3-pin mặt đất / ra / power pads
Đối với nhiều dự án hoặc sản phẩm cơ bản cần phát hiện khi một người đã rời hoặc vào khu vực, hoặc đã tiếp cận, cảm biến PIR rất tuyệt. Chúng có công suất thấp và chi phí thấp, khá chắc chắn, có phạm vi ống kính rộng và dễ dàng kết nối với. Lưu ý rằng Pirs sẽ không cho bạn biết có bao nhiêu người là xung quanh hoặc khoảng cách giữa họ với cảm biến, ống kính thường được cố định vào một quá trình quét nhất định và khoảng cách (mặc dù nó có thể bị hack đâu đó) và họ cũng đôi khi được đặt ra bởi housepets . Thử nghiệm là chìa khóa!
Nguyên lý làm việc của cảm biến hồng ngoại?
1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại
Các cảm biến PIR luôn có sensor (mắt cảm biến) với 2 đơn vị (element). Chắn trước mắt sensor là một lăng kính (thường làm bằng plastic), chế tạo theo kiểu lăng kính fresnel. Lăng kính fresnel này có tác dụng chặn lại và phân thành nhiều vùng (zone) cho phép tia hồng ngoại đi vào mắt sensor. Chúng ta có thể hiểu đơn giản rằng, nếu không có lăng kính fresnel, toàn bộ bức xạ của môi trường sẽ chỉ coi như có 1 Zone dội hết vào mắt sensor, như vậy thì nó sẽ không có tác dụng phân biệt chuyển động, và sẽ cực kỳ nhạy với bất kỳ sự thay đổi nhiệt độ nào của môi trường.
2 đơn vị của mắt sensor có tác dụng phân thành 2 điện cực. Một cái là điện cực dương (+) và cái kia là âm (-). Khi 2 đơn vị này được tuần tự kích hoạt (cái này xong rồi mới đến cái kia) thì sẽ sinh ra một xung điện, xung điện này kích hoạt sensor (alarm-báo động). Chính vì nguyên lý này, khi có người đi theo hướng vuông góc với khu vực kiểm soát của sensor (hướng mũi tên), thân nhiệt từ người này (bức xạ hồng ngoại) sẽ lần lượt kích hoạt từng đơn vị cảm biến và làm sensor báo động.
Giải đáp thắc mắc cảm biến hồng ngoại là gì? Vậy thì cũng chính do nguyên lý này, nếu người chuyển động theo hướng song song, phát ra cùng lúc 2 luồng bức xạ qua lăng kính fresnel đập vào đồng thời 2 đơn vị cảm biến, xung điện không tạo ra ,và lúc này sensor không hề báo động. Đây là điều hết sức cơ bản, nhưng nhiều kỹ thuật viên an ninh khi lắp đặt cảm biến PIR thường không hề lưu ý đến.
Họ chỉ đơn giản đặt sensor hướng mắt ra khu vực cần kiểm soát” mà không quan tâm đến hướng đột nhập của kẻ trộm. Nguyên tắc là phải đặt mắt sensor hướng vuông góc với hướng khả dĩ nhất mà kẻ trộm có thể di chuyển. Như vậy mới tăng xác suất báo động chính xác. Đặt song song với hướng kẻ trộm, hắn ta sẽ đi thẳng đến cảm biến mà có thể không hề kích hoạt báo động.
2. Các lưu ý cần tránh khi lắp đặt cảm biến PIR :
1. Không hướng mắt sensor về phía dàn nóng máy lạnh. Vì dàn nóng máy lạnh khi hoạt động thường có nhiệt độ cao, tia bức xạ hồng ngoại của nó phát ra sẽ gây nhiễu cảm biến, khiến nó hoạt động không chính xác.
2. Không hướng mắt sensor về phía cửa sổ có rèm che. Theo tôi, lý do của việc này là để tránh báo động giả. Khi cửa sổ mở, nhiều nguồn nhiệt xâm nhập, rèm che gặp gió sẽ có thể gây nhiễu cảm biến vi sóng.
3. Không lắp đặt cảm biến PIR trong nhà ra ngoài trời. Điều này thường hay gặp. Cảm biến PIR loại trong nhà không có tính năng chịu mưa nắng, để ngoài trời dù không trực tiếp gặp mưa nắng, nó cũng dễ bị hỏng dần chất liệu vỏ, lăng kính fresnel, khiến chức năng hoạt động kém dần đi.
4. Không hướng trực tiếp mắt sensor về nơi nhiều nắng mặt trời. Khuyến cáo này rất dễ hiểu. Tia mặt trời có nhiều bức xạ hồng ngoại, khiến sensor bị nhiễu.
5. Không nên đặt sensor gần dây điện nguồn. Cảm biến PIR là một thiết bị điện tử, hoạt động ở điện áp thấp, nên hạn chế đặt gần điện nguồn cao áp.
6. Không nên hướng mắt sensor ra phía cổng sát đường đi. Lý do đơn giản là để tránh báo động giả không đáng có do người khác đi bộ hoặc chạy bộ ngang qua cổng. Sensor có thể lầm với việc đột nhập.
7. Không lắp sensor trên tường bị rung. Điều này giúp sensor hoạt động ổn định hơn.
Với những thông tin trên đây, bạn đã biết Cảm biến hồng ngoại là gì đúng không ạ!
Cách thức hoạt động của PIR
Cảm biến PIR phức tạp hơn nhiều cảm biến khác được giải thích trong các hướng dẫn này (như photocells, FSR và công tắc nghiêng) vì có nhiều biến ảnh hưởng đến đầu vào và đầu ra của cảm biến. Để bắt đầu giải thích cách một cảm biến cơ bản hoạt động, chúng tôi sẽ sử dụng sơ đồ khá tốt đẹp này
Các cảm biến PIR chính nó có hai khe cắm trong nó, mỗi khe được làm bằng một vật liệu đặc biệt nhạy cảm với IR. Ống kính được sử dụng ở đây không thực sự làm nhiều và vì vậy chúng tôi thấy rằng hai khe có thể ‘nhìn thấy’ qua một khoảng cách nào đó (về cơ bản là độ nhạy của cảm biến). Khi cảm biến không hoạt động, cả hai khe đều phát hiện cùng một lượng IR, lượng môi trường xung quanh phát ra từ phòng hoặc tường hoặc ngoài trời. Khi một cơ thể ấm áp như một con người hoặc động vật đi qua, nó đầu tiên chặn một nửa của cảm biến PIR, gây ra một sự thay đổi khác biệt tích cực giữa hai nửa. Khi cơ thể ấm áp rời khỏi khu vực cảm biến, ngược lại xảy ra, theo đó cảm biến tạo ra một sự thay đổi khác biệt âm. Những xung thay đổi này là những gì được phát hiện.
Cảm biến PIR
Các cảm biến IR chính nó được đặt trong một kim loại kín kín có thể để cải thiện khả năng miễn dịch tiếng ồn / nhiệt độ / độ ẩm. Có một cửa sổ được làm bằng vật liệu truyền qua IR (thường được phủ silicon vì nó rất dễ đi) để bảo vệ yếu tố cảm biến. Phía sau cửa sổ là hai cảm biến cân bằng.
Ống kính
Cảm biến PIR khá chung chung và phần lớn chỉ thay đổi về giá và độ nhạy. Hầu hết các phép thuật thực sự xảy ra với quang học. Đây là một ý tưởng khá tốt cho sản xuất: cảm biến PIR và mạch được cố định và chi phí một vài đô la. Ống kính chỉ tốn vài xu và có thể thay đổi bề rộng, phạm vi, mẫu cảm biến, rất dễ dàng.
Trong sơ đồ lên trên, ống kính chỉ là một miếng nhựa, nhưng điều đó có nghĩa là khu vực phát hiện chỉ là hai hình chữ nhật. Thông thường chúng tôi muốn có một khu vực phát hiện lớn hơn nhiều. Để thực hiện điều đó, chúng tôi sử dụng một ống kính đơn giản như ống kính được tìm thấy trong máy ảnh: chúng bao phủ một khu vực rộng lớn (chẳng hạn như cảnh quan) thành một ống kính nhỏ (trên phim hoặc cảm biến CCD). Vì những lý do sẽ sớm xuất hiện, chúng tôi muốn làm cho các ống kính PIR nhỏ và mỏng và có thể được đúc từ nhựa rẻ tiền, mặc dù nó có thể làm biến dạng. Vì lý do này, các cảm biến thực ra là ống kính Fresnel :
Ống kính Fresnel ngưng tụ ánh sáng, cung cấp dải IR lớn hơn cho cảm biến.
OK, vì vậy bây giờ chúng tôi có một phạm vi lớn hơn nhiều. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng chúng ta thực sự có hai cảm biến, và quan trọng hơn là chúng ta không muốn hai hình chữ nhật diện tích cảm biến thực sự lớn, mà là một tán xạ của nhiều vùng nhỏ. Vì vậy, những gì chúng tôi làm là chia ống kính thành nhiều phần, mỗi phần trong số đó là một ống kính fresnel.
Các khía cạnh khác nhau và ống kính phụ tạo ra một loạt các khu vực phát hiện, xen kẽ với nhau. Đó là lý do tại sao ống kính trung tâm trong các khía cạnh trên là ‘không nhất quán’ – mỗi điểm khác chỉ tới một nửa khác nhau của phần tử cảm biến PIR
Kết nối với một PIR
Hầu hết các mô-đun PIR có kết nối 3 chân ở bên hoặc phía dưới. Pinout có thể khác nhau giữa các mô-đun để kiểm tra gấp ba lần pinout! Nó thường được in lụa ngay bên cạnh kết nối (ít nhất là của chúng ta!) Một chốt sẽ được nối đất, một pin khác sẽ là tín hiệu và cái cuối cùng sẽ là sức mạnh. Công suất thường là đầu vào 3-5VDC nhưng có thể cao tới 12V. Đôi khi các mô-đun lớn hơn không có đầu ra trực tiếp và thay vào đó chỉ hoạt động một rơle trong trường hợp có mặt đất, nguồn và hai kết nối chuyển đổi.
Đầu ra của một số rơle có thể là ‘bộ thu mở’ – điều đó có nghĩa là nó đòi hỏi một điện trở pullup. Nếu bạn không nhận được một đầu ra biến, hãy chắc chắn thử gắn một pullup 10K giữa tín hiệu và chân nguồn.
Một cách dễ dàng để tạo mẫu với cảm biến PIR là kết nối nó với breadboard kể từ khi cổng kết nối là 0,1 “khoảng cách. Một số PIR đi kèm với tiêu đề trên chúng, một người từ adafruit có tiêu đề 3 chân thẳng trên chúng để kết nối cáp
Đối với PIR của chúng tôi cáp đỏ là + điện áp, cáp đen là – điện mặt đất và màu vàng là tín hiệu ra. Chỉ cần chắc chắn rằng bạn cắm cáp như được hiển thị ở trên! Nếu bạn nhận được nó ngược, bạn sẽ không làm hỏng PIR nhưng nó sẽ không hoạt động.
Kiểm tra một PIR
Bây giờ khi PIR phát hiện chuyển động, đầu ra pin sẽ đi “cao” đến 3.3V và sáng lên đèn LED!
Một khi bạn có breadboard có dây lên, chèn pin và chờ 30-60 giây cho PIR để ‘ổn định’. Trong thời gian đó đèn LED có thể nhấp nháy một chút. Chờ cho đến khi đèn LED tắt và sau đó di chuyển xung quanh phía trước nó, vẫy tay, vv, để xem đèn LED sáng lên!
Khởi động lại
Có một vài lựa chọn bạn có thể có với PIR của bạn. Đầu tiên chúng ta sẽ khám phá tùy chọn ‘Retriggering’.
Một khi bạn có đèn LED nhấp nháy, nhìn vào mặt sau của cảm biến PIR và đảm bảo rằng jumper được đặt ở vị trí L như hình dưới đây.
Bây giờ hãy thiết lập lại bảng thử nghiệm. Bạn có thể nhận thấy rằng khi kết nối cảm biến PIR như trên, đèn LED không ở trên khi di chuyển ở phía trước của nó nhưng thực sự bật và tắt mỗi giây hoặc lâu hơn. Điều đó được gọi là “không truyền lại”.
Bây giờ thay đổi jumper để nó ở vị trí H. Nếu bạn thiết lập các thử nghiệm, bạn sẽ nhận thấy rằng bây giờ đèn LED không ở lại trên toàn bộ thời gian mà một cái gì đó đang di chuyển. Điều đó được gọi là “retriggering”.
(Các đồ thị ở trên là từ biểu dữ liệu BISS0001, chúng hơi hút)
Đối với hầu hết các ứng dụng, chế độ “truyền lại” (jumper ở H như được hiển thị bên dưới) sẽ đẹp hơn một chút.
Thay đổi độ nhạy
Quả cầu Adafruit PIR có một cái trimpot ở phía sau để điều chỉnh độ nhạy. Bạn có thể điều chỉnh điều này nếu PIR của bạn quá nhạy cảm hoặc không đủ nhạy cảm – theo chiều kim đồng hồ làm cho nó nhạy cảm hơn.
Thay đổi thời gian xung và thời gian chờ
Có hai ‘thời gian chờ’ kết hợp với cảm biến PIR. Một là thời gian chờ ” Tx “: thời gian đèn LED sáng lên sau khi phát hiện chuyển động – điều này rất dễ điều chỉnh trên thiết bị thu thập thông tin của Adafruit PIR vì có một chiết áp.
Thứ hai là thời gian chờ ” Ti ” là thời gian đèn LED được đảm bảo tắt khi không có chuyển động. Điều này là không dễ dàng thay đổi nhưng nếu bạn đang tiện dụng với một sắt hàn nó là trong vòng lý do.Đầu tiên, hãy xem lại biểu dữ liệu BISS một lần nữa
Trên cảm biến PIR của Adafruit, có một chiết áp nhỏ được dán nhãn TIME. Đây là một điện trở điều chỉnh 1 Megaohm được thêm vào một điện trở dòng 10K. Và C6 là 0.01uF
Tx = 24576 x (10K + Rtime) x 0,01uF
Nếu chiết áp Rtime được xoay hết chiều ngược chiều kim đồng hồ (đến 0 ohms) thì
Tx = 24576 x (10K) x 0,01uF = 2,5 giây (xấp xỉ)
Nếu chiết áp Rtime được xoay hết chiều kim đồng hồ thành 1 Megaohm thì
Tx = 24576 x (1010K) x 0,01uF = 250 giây (xấp xỉ)
Nếu RTime ở giữa, đó là khoảng 120 giây (hai phút) để bạn có thể tinh chỉnh nó khi cần thiết. Ví dụ nếu bạn muốn chuyển động từ một người nào đó để bật một fan hâm mộ cho tối thiểu là 1 phút, thiết lập các chiết áp Rtime khoảng 1/4 khoảng cách.
Đối với các cảm biến PIR cũ / khác
Nếu bạn có một cảm biến PIR từ một nơi khác mà không có một điều chỉnh chiết áp, bạn có thể theo dõi ra các điện trở điều chỉnh theo cách này:
Việc xác định R10 và R9 không quá khó khăn. Thật không may cảm biến PIR này bị ghi nhãn sai (có vẻ như họ đổi R9 R17). Bạn có thể theo dõi các chân bằng cách nhìn vào bảng dữ liệu BISS001 và tìm ra các chân chúng là gì – R10 kết nối với chốt 3 và R9 kết nối với pin 7. các tụ điện có một chút khó khăn hơn để xác định, nhưng bạn có thể ‘đảo ngược kỹ sư’ chúng từ thời gian cảm biến và giải quyết!
Ví dụ:
Tx là = 24576 * R10 * C6 = ~ 1,2 giây
R10 = 4,7K và C6 = 10nF
Tương tự như vậy,
Ti = 24 * R9 * C7 = ~ 1,2 giây
R9 = 470K và C7 = 0,1uF
Bạn có thể thay đổi thời gian bằng cách hoán đổi các điện trở hoặc tụ điện khác nhau. Để có một hướng dẫn tốt đẹp về điều này, hãy xem trang hack của Keith .
Đọc cảm biến PIR
Kết nối cảm biến PIR với một vi điều khiển thực sự đơn giản. Các PIR hoạt động như một đầu ra kỹ thuật số, nó có thể là điện áp cao hoặc điện áp thấp, vì vậy tất cả những gì bạn cần làm là lắng nghe các pin để lật cao (phát hiện) hoặc thấp (không phát hiện) bằng cách lắng nghe trên một đầu vào kỹ thuật số trên Arduino của bạn
Có khả năng bạn sẽ muốn kích hoạt lại, vì vậy hãy chắc chắn để đặt jumper ở vị trí H !
Cấp nguồn cho PIR với 5V và nối đất với đất. Sau đó kết nối đầu ra với một chân kỹ thuật số. Trong ví dụ này, chúng tôi sẽ sử dụng pin 2.
Tải tập tin
- / *
- * Bộ cảm biến PIR
- * /
- int ledPin = 13 ; // chọn ghim cho đèn LED
- int inputPin = 2 ; // chọn chốt đầu vào (cho cảm biến PIR)
- int pirState = LOW ; // chúng ta bắt đầu, giả sử không phát hiện chuyển động
- int val = 0 ; // biến để đọc trạng thái pin
- void setup () {
- pinMode ( ledPin , OUTPUT ); // tuyên bố LED là đầu ra
- pinMode ( inputPin , INPUT ); // khai báo cảm biến làm đầu vào
- Nối tiếp . bắt đầu ( 9600 );
- }
- void loop () {
- val = digitalRead ( inputPin ); // đọc giá trị đầu vào
- if ( val == HIGH ) { // kiểm tra xem đầu vào có CAO không
- digitalWrite ( ledPin , HIGH ); // bật đèn LED
- if ( pirState == LOW ) {
- // chúng tôi vừa mới bật
- Nối tiếp . println ( “Phát hiện chuyển động!” );
- // Chúng tôi chỉ muốn in trên thay đổi đầu ra, không phải trạng thái
- pirState = HIGH ;
- }
- } else {
- digitalWrite ( ledPin , LOW ); // tắt đèn LED
- if ( pirState == HIGH ) {
- // chúng ta vừa mới quay
- Nối tiếp . println ( “Motion ended!” );
- // Chúng tôi chỉ muốn in trên thay đổi đầu ra, không phải trạng thái
- pirState = LOW ;
- }
- }
- }
Mã vi mạch
Thật dễ dàng để sử dụng một cảm biến PIR với CircuitPython sử dụng đầu vào kỹ thuật số đơn giản. Cảm biến PIR trông và hoạt động giống như nút hoặc nút chuyển, tức là nó chỉ là mức logic cao hay thấp, vì vậy bạn không cần bất kỳ thư viện đặc biệt nào hoặc mã khác để đọc một từ Python. Nó sẽ giúp bạn làm quen với đầu vào và đầu ra kỹ thuật số của CircuitPython trước khi tiếp tục!
Trước tiên hãy đảm bảo rằng cảm biến PIR của bạn được kết nối với bo mạch của bạn như được hiển thị ở trang trước. Không có sự khác biệt dây một cảm biến PIR đến một bảng Arduino vs CircuitPython. Bạn phải kết nối đầu ra nguồn, mặt đất và cảm biến với bo mạch của bạn. Đầu ra cảm biến phải được kết nối với bất kỳ dòng I / O kỹ thuật số nào trên bo mạch của bạn. Trong ví dụ này, chúng ta sẽ sử dụng pin D2 trên một Trinket M0.
Một số chỉ số cơ bản
Những số liệu thống kê này dành cho cảm biến PIR trong cửa hàng Adafruit rất giống với Parallax . Gần như tất cả các PIR sẽ có thông số kỹ thuật hơi khác nhau, mặc dù tất cả họ đều làm việc khá giống nhau. Nếu có một biểu dữ liệu, bạn sẽ muốn tham khảo nó
- Kích thước: Hình chữ nhật
- Giá: $ 10,00 tại cửa hàng Adafruit
- Đầu ra: Kỹ thuật số xung cao (3V) khi được kích hoạt (chuyển động phát hiện) kỹ thuật số thấp khi nhàn rỗi (không phát hiện chuyển động). Độ dài xung được xác định bởi điện trở và tụ điện trên PCB và khác với cảm biến với cảm biến.
- Phạm vi độ nhạy: lên tới 20 feet (6 mét) phạm vi phát hiện 110 ° x 70 °
- Nguồn cung cấp: 5V-12V điện áp đầu vào cho hầu hết các mô-đun (họ có một điều 3.3V), nhưng 5V là lý tưởng trong trường hợp điều chỉnh có thông số kỹ thuật khác nhau
- BIS0001 Datasheet (chip giải mã được sử dụng)
- Bảng dữ liệu RE200B (rất có thể là yếu tố cảm biến PIR được sử dụng)
- Bảng dữ liệu NL11NH (sử dụng ống kính tương đương)
- Parallax Datasheet trên phiên bản của bộ cảm biến
Thêm liên kết!
- Trang tuyệt vời trên cảm biến PIR từ GLOLAB \\
