Датчик движения для включения света – устройство, разновидности, схемы подключения

Конструктивно датчик движения содержит несколько составляющих элементов, которые будут отличаться в зависимости от типа.

Рис. 1. Устройство датчика движения

Для примера рассмотрим устройство инфракрасного сенсора, который состоит из:

• пироэлемента PIR, реагирующего на изменение физических параметров окружающей среды;
• полевого транзистора T1, выступающего в роли электронного ключа;
• шунтирующего резистора R1, подключенного параллельно к пироэлементу.

Принцип действия заключается в способности пироматериала изменять собственные характеристики в зависимости от степени теплового излучения, попадающего на него. Световой поток уменьшает сопротивление пироэлемента PIR и через него приходит сигнал на открытие полевого транзистора. В таком состоянии ток будет протекать через нагрузку, в роли которой может выступать катушка реле или другой логический элемент. В случае появления человека или другого объекта в области действия датчика, световой поток прервется и перестанет воздействовать на пироэлемент, сработает автоматика, выдающая соответствующий сигнал о возникновении движения.

Устройство, виды и особенности датчиков движения

Существуют и широко применяются следующие типы датчиков движения:

1. Радиоволновые;
2. Ультразвуковые;
3. Инфракрасные;
4. Гибридные.

Радиоволновые или СВЧ датчики работают на доплеровском эффекте. Основными элементами такого датчика являются излучатель СВЧ сигнала и приёмник отражённого сигнала. Если в поле излучения перемещается какой-либо объект, то частота отражённого сигнала меняется. Электронная схема обрабатывает разницу между прямым и отражённым сигналом и переключает реле, которое может включить сирену или подать сигнал тревоги. Радиоволновые датчики движения отличаются высокой чувствительностью, но стоят достаточно дорого. В детских и лечебных учреждениях микроволновые датчики не применяются из-за СВЧ излучения, несмотря на то, что уровень его минимален и абсолютно безвреден. Из-за высокой чувствительности радиоволновые датчики подвержены ложным срабатываниям.

Ультразвуковые датчики так же используют эффект Доплера, только вместо колебаний высокой частоты в таких системах применяется ультразвук. Эти устройства нашли применение в системах парковки «Парктроник», а в быту применяются достаточно редко. Частоту 25-60 КГц хорошо слышат кошки и собаки, поэтому применение таких датчиков вызывает у них сильный стресс. Кроме того, ультразвуковые датчики имеют небольшой радиус действия и их можно обмануть если передвигаться медленно.

В охранной сигнализации и системах автоматического управления освещением чаще всего применяются инфракрасные объёмные датчики движения. Тепловое (инфракрасное) излучение объекта, который проходит в зоне захвата датчика, через линзу Френеля попадает на ИК-сенсор, после чего на выходе электронной схемы формируется сигнал тревоги (происходит разрыв цепи).

Устройство ИК датчика движения

Вследствие невысокой стоимости такие устройства широко применяются для автоматического управления освещением, например, в подъезде, когда при появлении человека освещение включается на 1-3 минуты, а затем выключается. Для управления светом на стоянке или придомовой территории используются уличные датчики движения.

Гибридные или комбинированные датчики движения представляют собой два датчика разной конструкции, размещённые в одном корпусе и подключаемые к различным входам прибора охранной сигнализации. Обычно в одном корпусе объединяют инфракрасный и радиоволновой датчики движения. Применение таких устройств повышает надёжность охранной системы. Они могут использоваться в банках, депозитариях и денежных хранилищах. Схема включения датчика движения для сигнализации позволяет подавать тревожный сигнал и управлять работой сирены или прожектора. Датчики движения могут иметь следующие основные характеристики:

• Чувствительность;
• Наличие антисаботажной зоны;
• Объём зоны захвата по горизонтали и вертикали;
• Напряжение питания.

Датчики движения с постоянной чувствительностью не рекомендуется применять в квартирах, где имеются домашние животные, иначе, при отсутствии хозяев, на каждый проход кошки будет включаться сигнал тревоги. Величину порога срабатывания можно регулировать, в зависимости от конструкции, плавно или специальными перемычками на плате. Так же существуют модели датчиков, которые не реагируют на животных.

Антисаботажная зона – это дополнительная зона захвата направленная от датчика вертикально вниз и блокирующая попытку вывести прибор из строя. В паспорте указывается угол обзора датчика в градусах и размеры зоны гарантированного срабатывания. Все датчики независимо от конструкции подключаются к типовым устройствам, поэтому схема подключения датчика движения всегда одинакова, а их напряжение питания обычно равно 12V. На корпусе, обычно, установлен светодиод, индицирующий режим ожидания или срабатывания.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ (УЗ) ДАТЧИКИ ДВИЖЕНИЯ

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА ДВИЖЕНИЯ

Принцип работы ультразвукового датчика движения заключается в исследовании окружающего пространства с помощью звуковых волн, частотой находящейся за пределами слышимости человеческим ухом – ультразвуком. При обнаружении изменения частоты отраженного сигнала, в следствии движения объектов, датчик запускает заложенную в нее функцию.

КАК РАБОТАЕТ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК ДВИЖЕНИЯ?

Внутри ультразвукового датчика движения расположен генератор звуковых волн (в зависимости от производителя и модели обычно генерируется частота звуковой волны 20-60 кГц), которые излучаются в зоне действия датчика и отражаясь от окружающих объектов поступают обратно в приемник.

Когда в зоне обнаружения ультразвукового датчика движения появляется движущийся объект, частота отраженной от объекта волны изменяется (эффект Доплера), что регистрируется приемником датчика и от него поступает сигнал на выполнение заложенной в ультразвуковой датчик движения функции, это может быть включение освещения или разрыв сигнальной сети охранной системы.

Особо широкое применение ультразвуковые датчики движения получили в автомобильной промышленности: в системах автоматической парковки, в так называемых «парктрониках», а также системах контроля за «слепыми» зонами. В доме хорошо проявляют себя в обнаружении движений в достаточно длинных коридорах, на лестницах и т.п.

ОСНОВНЫЕ НЕДОСТАТКИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДАТЧИКОВ ДВИЖЕНИЯ:

— Многие домашние животные слышат ультразвуковые частоты, на которых работает датчик движения, что зачастую вызывает у них сильный дискомфорт

— Относительно невысокая дальность действия

— Срабатывает только на достаточно резкие перемещения, если двигаться совсем плавно – возможно обмануть ультразвуковой датчик движения

ПРЕИМУЩЕСТВА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДАТЧИКОВ ДВИЖЕНИЯ:

— Относительно невысокая стоимость

— Не подвергаются влиянию окружающей среды

— Определяют движение вне зависимости от материала объекта

— Имеют высокую работоспособность в условиях высокой влажности или запылённости

— Не зависят от влияния температуры окружающей среды или объектов

Устройство и принцип работы инфракрасных датчиков движения

В основу функционирования инфракрасных датчиков движения положена их способность срабатывать в случаях, когда возникает интенсивное тепловое фоновое излучение. Устройства реагируют, когда источник излучения попадает в непосредственную зону действия устройства. Точность работы прибора зависит от места расположения объекта, вызвавшего срабатывание. Важно учесть, что тепловое излучение вырабатывают не только люди, но и животные, и неодушевленные предметы.

Во избежание ложного срабатывания устройство настроено таким образом, что реагирует в случаях, когда объект имеет соответствующую скорость перемещения, а также он непосредственно пребывает в рабочей зоне чувствительного прибора. При возникновении обоих условий датчик срабатывает и происходит передача сигнала к электронной схеме управления. Этот блок комплексной системы выполняет определенную (заранее запрограммированную) задачу в зависимости от возникшей ситуации. В частности, используются конкретные устройства, выполняющие определенные задачи. Среди наиболее активно используемых:

• выключатель освещения,
• охранная сигнализация,
• регулятор интенсивности освещения,
• устройство открывания (закрывания) дверей,
• блокировка доступа.

Вариантов много и они зависят от особенностей территории либо помещения, где установлена система.

Сфера применения

Современные датчики движения являются высокотехнологичными устройствами, способными эффективно работать в различных системах. Потенциала качественных изделий достаточно для использования как в быту, так и в условиях крупных предприятий. Такими устройствами можно оборудовать:

• загородные дома,
• лестничные клетки,
• торговые точки,
• подъезды,
• производственные предприятия,
• объекты бизнеса,
• складские помещения,
• офисы,
• общественные здания,
• различные учреждения.

Область эффективного использования приборов практически не ограничена.

Важно перед окончательным выбором типа устройства учесть специфику работы системы в конкретном месте. Благодаря активному внедрению датчиков ощутимо облегчается работа охранников, сторожей и людей многих других профессий. Также при определенных условиях достижима полная автоматизация, при которой практически не требуется присутствие человека.

Конструктивные особенности

Инфракрасное излучение, вырабатываемое движущимся объектом, распознается пироприемником. Вторым важным элементом конструкции служит мультилинза. Фактически эта деталь являет собой многочисленные мелкие линзы в одном корпусе. Внешний вид мультилинзы схож с матовым цилиндром, на поверхности которого нанесен мелкий узор. В корпусах датчиков мультилинзы расположены перед пироприемниками.

Наличие множества сегментов в мультилинзах неслучайно. Функция каждой мелкой линзы состоит в фокусировании инфракрасного света на один из пироприемников. Как только перемещающийся объект пропадает из зоны видимости одной мелкой линзы, он фиксируется соседней микролинзой. Соответственно, сигнал улавливается другим пироприемником. Таким способом удалось основательно расширить площадь территории, охватываемой одним датчиком.

На пироприемнике наблюдается попеременное присутствие и отсутствие сфокусированного инфракрасного света, что позволяет электронной схеме датчика срабатывать и приводить в действие определенные устройства.

Чувствительность датчика напрямую зависит от числа используемых в микролинзе сегментов. Каждой парой (микролинза – сегмент) проводится контроль определенного пространства. В результате при перемещении объекта в пределах этого сектора срабатывание устройства не происходит.

Для исключения возникновения помех и во избежание ложного срабатывания системы производители инфракрасных датчиков все чаще отдают предпочтение использованию сдвоенных, а в определенных случаях и счетверенных пироэлементов. Последние модели надежно защищены от ложных срабатываний.

Условия эффективной работы

Для обеспечения эффективности функционирования устройства необходимо строго придерживаться нескольких важных правил.

1. Избегать попадания прямого света от ламп освещения.
2. Позаботиться об отсутствии предметов, препятствующих нормальному обзору датчика в зоне его действия, в частности:
   • высоких предметов мебели,
   • колонн,
   • люстр,
   • подвесных осветительных приборов,
   • других предметов, препятствующих работе прибора.

1. Наличие стеклянных перегородок снижает эффективность датчика. Стекло блокирует прохождение инфракрасного света, что чревато возникновением «мертвых зон», то есть участков, пребывающих вне зоны действия датчиков.
2. Монтаж приборов необходимо проводить с учетом их радиусов обнаружения. Важно, чтобы все углы в помещениях попадали в зону контроля системы. Если этого не удается достичь, необходимо установить несколько датчиков. Как правило, 2 или 3 хватает для большинства типов помещений.
3. У любой модели имеется собственная диаграмма обнаружения. Когда возможностей одного устройства недостаточно, придется монтировать несколько датчиков, чтобы перекрыть все пространство помещения. При таком варианте расположения происходит «перехлестывание» диаграмм обнаружения отдельных приборов, что основательно повышает эффективность системы в целом.

Дополнительные возможности

Современные модели датчиков прекрасно справляются с основными задачами. Однако, благодаря новейшим разработкам удалось существенно расширить возможности автоматизированных систем. Они не только четко фиксируют любые перемещения в контролируемых помещениях и соответствующим образом на них реагируют, но и способны выполнять многие важные полезные функции.

Одной из широкой используемых как в промышленных, так и в бытовых условиях возможностей является мониторинг уровня освещенности. Система определяет место нахождения человека, а также проверяет, достаточно ли в этом секторе освещения. Если показатели отличаются от нормы, происходит включение (выключение) соответствующих источников освещения. Такие системы эффективны не только на различных участках производства и в торговых точках. Их можно активно использовать в подъездах жилых домов, что позволит существенно сэкономить электроэнергию. Хотя подобные приборы несколько дороже от стандартных вариантов, весомое снижение затрат на освещение делает их выгодными в плане материальных затрат.

PIR-ДЕТЕКТОРЫ ОТ КОМПАНИИ SENCERA

Фирма Sencera предлагает два типа PIR-детекторов, характеристики которых приведены в таблице.

• www.efo.ru Дистрибуция электронных компонентов
• www.powel.ru Источники питания
• www.korpusa.ru Конструктивы и корпуса РЭА
• www.wless.ru Беспроводные технологии
• www.altera.ru Микросхемы Altera
• www.efo-power.ru Силовая электроника
• www.efo-electro.ru Электротехническая продукция
• www.efometry.ru Контрольно-измерительные приборы
• www.golledge.ru Кварцевые резонаторы и генераторы Golledge
• www.sound-power.ru Профессиональные усилители класса D
• www.infiber.ru Волоконно-оптические компоненты в промышленности
• www.mymcu.ru Микроконтроллеры
• www.efomation.ru Компоненты для промавтоматики
• www.latticesemi.ru Продукция Lattice Semiconductor

© 2016 — 2020 All Right Reserved. EFO Ltd. При использовании материалов ссылка на источник обязательна.

Принцип работы пироэлектрических (PIR) датчиков движения

PIR датчики не такие простые как может показаться на первый взгляд. Основная причина — большое количество переменных, которые влияют на его входной и выходной сигналы. Чтобы объяснить основы работы ПИР датчиков, мы используем рисунок, приведенный ниже.

Пироэлектрический датчик движения состоит из двух основных частей. Каждая из частей включает в себя специальный материал, чувствительный к инфракрасному излучению. В данном случае линзы особо не влияют на работу датчика, так что мы видим два участка чувствительности всего модуля. Когда датчик находится в состоянии покоя, оба сенсора определяют одинаковое количество излучения. Например, это может быть излучение помещения или окружающей среды на улице. Когда теплокровный объект (человек или животное), проходит мимо, он пересекает зону чувствительности первого сенсора, в результате чего на модуле ПИР датчика генерируются два различных значения излучения. Когда человек покидает зону чувствительности первого сенсора, значения выравниваются. Именно изменения в показаниях двух датчиков регистрируются и генерируют импульсы HIGH или LOW на выходе.

Конструкция PIR датчика

Чувствительные элементы ПИР датчика устанавливается в металлический герметический корпус, который защищает от внешних шумов, перепадов температур и влажности. Прямоугольник в центре сделан из материала, который пропускает инфракрасное излучение (обычно это материал на основе силикона). За этой пластиной устанавливаются два чувствительных элемента.

Рисунок из даташита Murata:

Рисунок из даташита RE200B:

На рисунке из даташита RE200B видно два чувствительных элемента:

На рисунке выше приведена внутренняя схема подключения.

Линзы

Инфракрасные датчики движения практически одинаковые по своей структуре. Основные отличия — чувствительность, которая зависит от качестве чувствительных элементов. При этом значительную роль играет оптика.

На рисунке выше приведен пример линзы из пластика. Это значит, что диапазон чувствительности датчика представляет из себя два прямоугольника. Но, как правило, нам нужно обеспечить большие углы обзора. Для этого можно использовать линзы, подобные тем, которые используются в фотоаппаратах. При этом линза для датчика движения должна быть маленькая, тонкая и изготавливаться из пластика, хотя он и добавляет шумы в измерения. Поэтому в большинстве PIR датчиков используются линзы Френеля (рисунок из Sensors Magazine):

Линзы Френеля концентрируют излучение, значительно расширяя диапазон чувствительности пиродатчиков (рисунок с BHlens.com)

Рисунок из Cypress appnote 2105:

Теперь у нас есть значительно больший диапазон чувствительности. При этом мы помним, что у нас два чувствительных элемента и нам нужны не столько два больших прямоугольника, сколько большое количество маленьких зон чувствительности. Для этого линза разделяется на несколько секций, каждая из которых представляет из себя отдельную линзу Френеля.

На рисунке ниже можно увидеть отдельные секции — линзы Френеля:

На этом макроснимке обратите внимание, что фактура отдельных линз отличается:

В результате формируется целый набор чувствительных участков, которые взаимодействуют между собой.

Рисунки из даташита NL11NH:

Ниже еще один рисунко. Более яркий, но менее информативный. Кроме того, обратите внимание, что у большинства датчиков угол обзора составляет 110 градусов, а не 90.

Рисунок из IR-TEC:

Инфракрасные (ИК) датчики движения

Принцип Действия Инфракрасного датчика движения

Принцип работы инфракрасных датчиков движения заключается в обнаружении изменений инфракрасного (теплового) излучения окружающих объектов.

Каждый объект имеющий температуру испускает инфракрасное излучение, которое через систему линз или специальных вогнутых сегментированных зеркал, попадает на расположенный внутри датчика движения чувствительный сенсор, регистрирующий это.

Как работает инфракрасный датчик движения?

Когда объект движется, его ИК излучение поочередно фокусируется различными линзами системы на сенсоре (количество линз обычно варьируется от двадцати до шестидесяти штук), это и является сигналом к выполнению заложенной в датчике функции. Чем больше линз в системе датчика движения – тем выше его чувствительность. Так же, чем больше площадь поверхности системы линз – тем шире зона охвата у датчика движения.

Основные недостатки инфракрасных датчиков движения:

— Возможность ложных срабатываний. Из-за того, что датчик реагирует на любые ИК (тепловые) излучения, могут случаться ложные срабатывания даже на теплый воздух, поступающий из кондиционера, радиаторов отопления и т.п.

— Снижена точность работы на улице. Из-за воздействия окружающих факторов, таких как прямой солнечный свет, осадки и т.п.

— Относительно небольшой диапазон рабочих температур

— Не обнаруживает объекты облаченные/покрытые не пропускающими ИК — излучение материалами

Плюсы инфракрасных датчиков движения:

— Возможность довольно точной регулировки дальности и угла обнаружения движущихся объектов

— Удобен в использовании вне помещений т.к. реагирует лишь на объекты имеющие собственную температуру.

— При работе абсолютно безопасны для здоровья человека или домашних питомцев, т.к. работает как «приемник», ничего не излучая

Подробное описание установки и подключения инфракрасного датчика движения описано в нашей статье :

Подробная пошаговая фото-инструкция — Подключение датчика движения

На что обратить внимание при выборе датчика

При выборе датчика движения стоит руководствоваться основными техническими характеристиками устройств.

Угол обзора

У потолочного датчика движения угол обзора до 360 градусов. Если установить его на стену, то половина его возможностей не будет задействована при эксплуатации, также могут появиться ложные срабатывания.

Настенный датчик имеет угол обзора от 120 до 180 градусов. Чаще всего используется для контроля небольшой площади, например придверной территории.

Рабочее расстояние

Зона контроля у рядовых датчиков движения от 6 до 50 метров. Чем меньше пространство, в котором будет установлено устройство, тем меньше должна быть дальность действия.

Мощность нагрузки

Питание датчиков движения происходит от сети 220 В. Некоторые беспроводные датчики потребляют до 12 В благодаря встроенным аккумуляторам или использованию щелочных батареек.

Дополнительные функции

• уровень освещенности. Датчик движения для автоматического включения света должен срабатывать только в темное время суток с целью экономии электроэнергии. Чтобы устройство не срабатывало днем, необходим датчик уровня освещенности.
• защита от животных. Высокочувствительные устройства будут срабатывать при малейшем движении, например домашних животных. Чтобы не происходило ложных срабатываний, нужна регулировка чувствительности прибора. Датчик можно настроить в зависимости от веса питомца (от 10 до 25 кг);
• задержка времени активности. Например, датчик включает свет в помещении при появлении человека, который некоторое время бездействует: читает книгу, принимает ванну и т. д. Будет неудобно, если свет вдруг потухнет. Поэтому и нужна функция задержки света.

Место использования

Датчики движения используются не только для домашней безопасности или управления освещением и работой техники. Например, в промышленных областях они используются на сборочных линиях для отслеживания количества продуктов и отключения опасного оборудования, если человек подходит слишком близко.

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.