Датчик движения ардуино

Датчик движения ардуино позволяет отследить перемещение в закрытой зоне объектов, излучающих тепло (люди, животные). Такие системы часто применяют в бытовых условиях, например, для включения освещения в подъезде. В этой статье мы рассмотрим подключение в проектах ардуино PIR-сенсоров: пассивных инфракрасных датчиков или пироэлектрических сенсоров, которые реагируют на движение. Малые габариты, низкая стоимость, простота эксплуатации и отсутствие сложностей в подключении позволяет использовать такие датчики в системах сигнализации разного типа.

Описание датчика движения ардуино

Конструкция ПИР датчика движения не очень сложна – он состоит из пироэлектрического элемента, отличающегося высокой чувствительностью (деталь цилиндрической формы, в центре которой расположен кристалл) к наличию в зоне действия определенного уровня инфракрасного излучения. Чем выше температура объекта, тем больше излучение. Сверху PIR-датчика устанавливается полусфера, разделенная на несколько участков (линз), каждый из которых обеспечивает фокусировку излучения тепловой энергии на различные сегменты датчика движения. Чаще всего в качестве линзы применяют линзу Френеля, которая за счет концентрации теплового  излучения позволяет расширить диапазон чувствительности инфракрасного датчика движения Ардуино.

PIR-sensor конструктивно разделен на две половины. Это обусловлено тем, что для устройства сигнализации важно именно наличие движения в зоне чувствительности, а не сам уровень излучения. Поэтому части установлены таким способом, что при улавливании одной большего уровня излучения, на выход будет подаваться сигнал со значением high или low.

Основными техническими характеристиками датчика движения Ардуино являются:

• Зона обнаружения движущихся объектов составляет от 0 до 7 метров;
• Диапазон угла слежения – 110°;
• Напряжение питания – 4.5-6 В;
• Рабочий ток – до 0.05 мА;
• Температурный режим – от -20° до +50°С;
• Регулируемое время задержки от 0.3 до 18 с.

Модуль, на котором установлен инфракрасный датчик движения включает дополнительную электрическую обвязку с предохранителями, резисторами и конденсаторами.

Принцип работы датчика движения на Arduino следующий:

• Когда устройство установлено в пустой комнате, доза излучения, получаемая каждым элементом постоянна, как и напряжение;
• При появлении в комнате человека, он первым делом попадает в зону обозрения первого элемента, на котором появляется положительный электрический импульс;
• Когда человек перемещается по комнате, вместе с ним перемещается и тепловое излучение, которое попадает уже на второй сенсор. Этот PIR-элемент генерирует уже отрицательный импульс;
• Разнонаправленные импульсы регистрируются электронной схемой датчика, которая делает вывод, что в поле зрения Pir-sensor Arduino находится человек.

Для надежной защиты от внешних шумов, перепадов температуры и влажности, элементы Pir-датчика на Arduino устанавливаются в герметичный металлический корпус. На верхней части корпуса по центру находится прямоугольник, выполненный из материала, который пропускает инфракрасное излучение (чаще всего на основе силикона). Чувствительные элементы устанавливаются за пластиной.

Схема подключения датчика движения к Ардуино

Подключение Pir-датчика к Ардуино выполнить не сложно. Чаще всего модули с сенсорами движения оснащены тремя коннекторами на задней части. Распиновка каждого устройства зависит от производителя, но чаще всего возле выходов есть соответствующие надписи. Поэтому, прежде чем выполнить подключение датчика к Arduino необходимо ознакомиться с обозначениями. Один выход идет к земле (GND), второй – обеспечивает выдачу необходимого сигнала с сенсоров (+5В), а третий является цифровым выходом, с которого снимаются данные.

Подключение Pir-сенсора:

• «Земля» – на любой из коннекторов GND Arduino;
• Цифровой выход – на любой цифровой вход или выход Arduino;
• Питание – на +5В на Arduino.

Схема подключения инфракрасного датчика к Ардуино представлена на рисунке.

Пример программы

Скетч представляет собой программный код, который помогает проверить работоспособность датчика движения после его включения. В самом простом его примере есть множество недостатков:

• Вероятность ложных срабатываний, за счет того, что для самоинициализации датчика требуется одна минута;
• Отсутствие выходных устройств исполнительного типа – реле, сирены, светоиндикации;
• Короткий временной интервал сигнала на выходе сенсора, который необходимо на программном уровне задержать, в случае появления движения.

Указанные недостатки устраняются при расширении функционала датчика.

Скетч самого простого типа, который может быть использован в качестве примера работы с датчиком движения на Arduino, выглядит таким образом:

  #define PIN_PIR 2  #define PIN_LED 13    void setup() {    Serial.begin(9600);      pinMode(PIN_PIR, INPUT);    pinMode(PIN_LED, OUTPUT);    }    void loop() {    int pirVal = digitalRead(PIN_PIR);    Serial.println(digitalRead(PIN_PIR));      //Если обнаружили движение    if (pirVal)    {      digitalWrite(PIN_LED, HIGH);      Serial.println("Motion detected");      delay(2000);    }    else    {      //Serial.print("No motion");      digitalWrite(PIN_LED, LOW);    }  }

Возможные варианты проектов с применением датчика

Пир-датчики незаменимы в тех проектах, где главной функцией сигнализации является определение нахождения или отсутствия в пределах определенного рабочего пространства человека. Например, в таких местах или ситуациях, как:

• Включение света в подъезде или перед входной дверью автоматически, при появлении  в нем человека;
• Включение освещения в ванной комнате, туалете, коридоре;
• Срабатывание сигнализации при появлении человека, как в помещении, так и на придомовой территории;
• Автоматическое подключение камер слежения, которыми часто оснащаются охранные системы.

Пир-сенсоры просты в эксплуатации и не вызывают сложностей при подключении, имеют большую зону чувствительности и также могут быть с успехом интегрированы в любой из программных проектов на Ардуино. Но следует учитывать, что они не имеют технической возможности предоставить информацию о том, сколько объектов находится в зоне действия, и как близко они расположены к датчику, а также могут срабатывать на домашних питомцев.

Тема сегодняшнего урока — датчик движения на основе пироэлектрического эффекта (PIR, passive infrared motion sensor). Такие датчики часто используются в охранных системах и в быту для обнаружения движения в помещении. Например, на принципе детектирования движения основано автоматическое включение света в подъезде или в ванной. Пироэлектрические датчики достаточно простого устроены, недороги и неприхотливы в установке и обслуживании. Кстати сказать, существуют и другие способы детектирования движения. Сегодня всё чаще используют системы компьютерного зрения для распознавания объектов и траектории их перемещения. В тех же охранных системах применяются лазерные детекторы, которые дают тревожный сигнал при пересечении луча. Также используются тепловизионные датчики, способные определить движение только живых существ.

1. Принцип действия пироэлектрических датчиков движения

Пироэлектрики — это диэлектрики, которые создают электрическое поле при изменении их температуры. На основе пироэлектриков делают датчики измерения температуры, например, LHI778 или IRA-E700. Каждый такой датчик содержит два чувствительных элемента размером 1×2 мм, подключенных с противоположной полярностью. И как мы увидим далее, наличие именно двух элементов поможет нам детектировать движение. Вот так выглядит датчик IRA-E700 компании Murata. На этом уроке мы будем работать с датчиком движения HC-SR501, в котором установлен один такой пироэлектрический датчик. Сверху пироэлектрик окружен полусферой, разбитой на несколько сегментов. Каждый сегмент этой сферы представляет собой линзу, которая фокусирует тепловое излучение на разные участки ПИР-датчика. Часто в качестве линзы используют линзу Френеля. Принцип работы датчик движения следующий. Предположим, что датчик установлен в пустой комнате. Каждый чувствительный элемент получает постоянную дозу излучения, а значит и напряжение на них имеет постоянное значение (левый рисунок). Как только в комнату заходит человек, он попадает сначала в зону обзора первого элемента, что приводит к появлению положительного электрического импульса на нем (центральный рисунок). Человек движется, и его тепловое излучение через линзы попадает уже на второй PIR-элемент, который генерирует отрицательный импульс. Электронная схема датчика движения регистрирует эти разнонаправленные импульсы и делает выводы о том, что в поле зрения датчика попал человек. На выходе датчика генерируется положительный импульс (правый рисунок).

2. Настройка HC-SR501

На этом уроке мы будем использовать модуль HC-SR501. Этот модуль очень распространен и применяется во множестве DIY проектов в силу своей дешевизны. У датчика имеется два переменных резистора и перемычка для настройки режима. Один из потенциометров регулирует чувствительность прибора. Чем она больше, тем дальше «видит» датчик. Также чувствительность влияет на размер детектируемого объекта. К примеру, можно исключить из срабатывания собаку или кошку. Второй потенциометр регулирует время срабатывания T

. Если датчик обнаружил движение, он генерирует на выходе положительный импульс длиной T

. Наконец, третий элемент управления — перемычка, которая переключает режим датчика. В положении L

датчик ведет отсчет Т

от самого первого срабатывания. Допустим, мы хотим управлять светом в ванной комнате. Зайдя в комнату, человек вызовет срабатывание датчика, и свет включится ровно на время Т

. По окончании периода, сигнал на выходе вернется в исходное состояние, и датчик будет дать следующего срабатывания. В положении H

датчик начинает отсчет времени T

каждый раз после обнаружения движения. Другими словами, любое шевеление человека вызовет обнуление таймера отсчета Т

. По-умолчанию, перемычка находится в состоянии H

.

3. Подключение HC-SR501 к Ардуино Уно

Для соединения с микроконтроллером или напрямую с реле у HC-SR501 имеется три вывода. Подключаем их к Ардуино по следующей схеме:

Принципиальная схема
Внешний вид макета
Программа
Как уже было сказано, цифровой выход датчика HC-SR501 генерирует высокий уровень сигнала при срабатывании. Напишем простую программу, которая будет отправлять в последовательный порт «1» если датчик увидел движение, и «0» в противном случае.

const int movPin = 2    void setup() {      Serial.begin(9600);      pinMode(movPin, INPUT);  }    void loop(){      int val = digitalRead(movPin);      Serial.println(val);      delay(100);  }

Загружаем программу на Ардуино и проверяем работу датчика. Можно покрутить настройки датчика и посмотреть как это отразится на его работе.

4. Управление светом на основе датчика движения

Следующий шаг — система автоматического включения света. Для того, чтобы управлять освещением в помещении, нам потребуется добавить в цепь реле. Будем использовать модуль реле с защитой на основе опторазвязки, о котором мы уже писали в одном и уроков (урок про реле
). Внимание!
 Данная схема зажигает лампу от сети 220 Вольт. Рекомендуется семь раз проверить все соединения, прежде чем соединять схему с бытовой электросетью. Принципиальная схема
Внешний вид макета
Программа
Теперь напишем программу, которая будет при срабатывании датчика включать реле, а следовательно и освещение в комнате.

const int movPin = 2;  const int relPin = 3;    void setup() {      Serial.begin(9600);      pinMode(movPin, INPUT);      pinMode(relPin, OUTPUT);  }    void loop(){      int val = digitalRead(movPin);      if (val)          digitalWrite(relPin, HIGH);      else          digitalWrite(relPin, LOW);  }

Загружаем программу на Ардуино, аккуратно подключаем схему к бытовой сети и проверяем работу датчика. Заключение
Датчики движения окружают нас повсюду. Благодаря охранным системам, их можно встретить практически в каждом помещении. Как мы выяснили, они очень просты в использовании и могут быть легко интегрированы в любой проект на Ардуино или Raspberry Pi. Вот несколько ситуаций и мест, где может пригодиться датчик движения:

• автоматическое включение света в подъезде дома, в ванной комнате и туалете, перед входной дверью в помещение;
• сигнализация в помещении и во дворе;
• автоматическое открывание дверей;
• автоматическое включение охранной видеокамеры.

Как уже говорилось в самом начале, существуют и другие способы детектирования движения. О них мы поговорим на следующих уроках!2+

В этом уроке мы покажем вам как можно сделать датчик движения с помощью ультразвукового датчика (HC-SR04), который будет включать каждый раз светодиод. Комплектующие к данному уроку можно заказать в любом удобном магазине, а со временем и у нас на сайте.

Урок подойдет начинающим, но будет интересен и более опытным инженерам.

Шаг 1: Необходимые детали

Ниже весь список комплектующих, которые нам пригодятся для нашего урока.

Шаг 2: Позиционирование деталей

Сначала подключите ультразвуковой датчик и светодиод на макетной плате. Подключите короткий кабель светодиода (катод) к контакту GND (земля) датчика. Затем установите резистор в том же ряду, что и более длинный провод светодиода (анод), чтобы они были соединены.

Шаг 3: Подключение частей

Теперь вам нужно подключить несколько проводов на задней панели датчика. Есть четыре контакта — VCC, TRIG, ECHO и GND. После вставки проводов вам необходимо выполнить следующие подключения:

Конец резистора на цифровой вывод по вашему выбору, просто не забудьте изменить его позже в коде.

Датчик -> Arduino
VCC -> 5V (питание) TRIG -> 5* ECHO -> 4* GND -> GND (земля)

* — может быть подключен к любым двум цифровым выводам Arduino, просто убедитесь, что вы изменили их в коде позже.

Шаг 4: Загрузка кода

Теперь вы можете подключить Arduino к компьютеру с помощью USB-кабеля. Откройте программное обеспечение Arduino и загрузите код, который вы можете найти ниже. Константы прокомментированы, поэтому вы точно знаете, что они делают и, возможно, поменяете их.

const int ledPin = 6; // Цифровой выход светодиода  const int trigPin = 5; // Цифровой выход для подключения TRIG  const int echoPin = 4; // Цифровой выход для подключения ECHO  const int ledOnTime = 1000; // Время, в течение которого светодиод остается включенным, после обнаружения движения (в миллисекундах, 1000 мс = 1 с)  const int trigDistance = 20; // Расстояние (и меньшее значение) при котором срабатывает датчик (в сантиметрах)     int duration;  int distance;     void setup() {    pinMode(ledPin, OUTPUT);    pinMode(trigPin, OUTPUT);    pinMode(echoPin, INPUT);  }     void loop() {    digitalWrite(trigPin, LOW);    digitalWrite(trigPin, HIGH);    delay(1);    digitalWrite(trigPin, LOW);    duration = pulseIn(echoPin, HIGH);    distance = duration * 0.034 / 2;       if (distance <= trigDistance) {      digitalWrite(ledPin, HIGH);      delay(ledOnTime);      digitalWrite(ledPin, LOW);    }    delay(100);  }

Шаг 5: Конечный результат (видео)

Итоговый результат датчика движения и его работы можно посмотреть на видео ниже.

Всем хороших проектов!