PIR Bewegungssensor Tutorial

Pyroelektrische ("passive") Infrarotsensoren:

'' 'Was ist ein PIR-Sensor?' ''

Mit PIR-Sensoren können Sie Bewegungen erfassen, die fast immer verwendet werden, um festzustellen, ob sich ein Mensch innerhalb oder außerhalb des Sensorbereichs bewegt hat. Sie sind klein, kostengünstig, stromsparend, einfach zu bedienen und nutzen sich nicht ab. Aus diesem Grund sind sie häufig in Geräten und Geräten zu finden, die in Privathaushalten oder Unternehmen verwendet werden. Sie werden häufig als PIR-, "Passive Infrarot" -, "Pyroelektrische" - oder "IR-Bewegungs" -Sensoren bezeichnet.

PIRs bestehen im Wesentlichen aus einem pyroelektrischen Sensor (den Sie oben als runde Metalldose mit einem rechteckigen Kristall in der Mitte sehen können), der Infrarotstrahlung erfassen kann. Alles emittiert eine geringe Strahlung, und je heißer etwas ist, desto mehr Strahlung wird emittiert. Der Sensor in einem Bewegungsmelder ist tatsächlich in zwei Hälften geteilt. Der Grund dafür ist, dass wir versuchen, Bewegungen (Änderungen) und keine durchschnittlichen IR-Werte zu erkennen. Die beiden Hälften sind so verdrahtet, dass sie sich gegenseitig aufheben. Wenn eine Hälfte mehr oder weniger IR-Strahlung als die andere sieht, schwingt der Ausgang hoch oder niedrig.

Zusammen mit dem pyroelektischen Sensor gibt es eine Reihe von unterstützenden Schaltkreisen, Widerständen und Kondensatoren. Es scheint, dass die meisten kleinen Hobby-Sensoren den BISS0001 ("Micro Power PIR Motion Detector IC") verwenden, zweifellos einen sehr kostengünstigen Chip. Dieser Chip nimmt den Ausgang des Sensors und verarbeitet ihn geringfügig, um einen digitalen Ausgangsimpuls vom analogen Sensor zu senden.

Für viele grundlegende Projekte oder Produkte, die erkennen müssen, wann eine Person den Bereich verlassen oder betreten hat oder sich nähert, sind PIR-Sensoren großartig. Sie sind stromsparend und kostengünstig, ziemlich robust, haben einen großen Objektivbereich und sind einfach zu bedienen. Beachten Sie, dass PIRs Ihnen nicht sagen, wie viele Personen sich in der Nähe befinden oder wie nahe sie am Sensor sind. Das Objektiv ist häufig auf einen bestimmten Abstand und eine bestimmte Entfernung festgelegt (obwohl es irgendwo gehackt werden kann) und manchmal auch von zu Hause aus ausgelöst Haustiere. Experimentieren ist der Schlüssel!

Einige grundlegende Statistiken

Diese Statistiken gelten für den PIR-Sensor im Adafruit-Shop, der dem Parallax-Sensor sehr ähnlich ist. Fast alle PIRs haben leicht unterschiedliche Spezifikationen, obwohl sie alle ziemlich gleich funktionieren. Wenn es ein Datenblatt gibt, sollten Sie darauf verweisen

  • Größe: Rechteckig
  • Preis: 10, 00 USD im Adafruit-Shop
  • Ausgang: Digitalimpuls hoch (3 V) bei Auslösung (Bewegung erkannt) Digital niedrig im Leerlauf (keine Bewegung erkannt). Die Impulslängen werden durch Widerstände und Kondensatoren auf der Leiterplatte bestimmt und unterscheiden sich von Sensor zu Sensor.
  • Empfindlichkeitsbereich: bis zu 6 Meter (110 Fuß x 70 Grad)
  • Spannungsversorgung : 3, 3V - 5V Eingangsspannung,
  • BIS0001 Datenblatt (der verwendete Decoderchip)
  • RE200B-Datenblatt (höchstwahrscheinlich das verwendete PIR-Sensorelement)
  • NL11NH Datenblatt (äquivalentes Objektiv verwendet)
  • Parallax-Datenblatt zur Version des Sensors
    • Eine großartige Seite über PIR-Sensoren von GLOLAB
    • NYU-Sensorbericht

    Schritt 1: Wie funktioniert es?


    PIR-Sensoren sind komplizierter als viele der anderen in diesen Tutorials erläuterten Sensoren (wie Fotozellen, FSRs und Neigungsschalter), da mehrere Variablen die Ein- und Ausgabe der Sensoren beeinflussen. Um zu erklären, wie ein grundlegender Sensor funktioniert, verwenden wir das folgende schöne Diagramm (wenn jemand weiß, woher er stammt, lassen Sie es mich wissen).

    Der PIR-Sensor selbst verfügt über zwei Steckplätze. Jeder Steckplatz besteht aus einem speziellen Material, das gegenüber IR empfindlich ist. Das hier verwendete Objektiv macht nicht wirklich viel und so sehen wir, dass die beiden Schlitze über eine gewisse Entfernung hinaussehen können (im Grunde genommen die Empfindlichkeit des Sensors). Wenn der Sensor im Leerlauf ist, erfassen beide Steckplätze die gleiche Menge an IR, die Umgebungsmenge, die vom Raum oder von den Wänden oder im Freien abgestrahlt wird. Wenn ein warmer Körper wie ein Mensch oder ein Tier vorbeikommt, fängt er zuerst eine Hälfte des PIR-Sensors ab, was eine positive Differenzänderung zwischen den beiden Hälften bewirkt. Wenn der warme Körper den Erfassungsbereich verlässt, geschieht das Gegenteil, wobei der Sensor eine negative Differenzänderung erzeugt. Diese Änderungsimpulse werden erkannt.

    Der PIR-Sensor selbst

    Der IR-Sensor selbst ist in einer hermetisch abgeschlossenen Metalldose untergebracht, um die Störfestigkeit gegen Lärm, Temperatur und Feuchtigkeit zu verbessern. Es gibt ein Fenster aus IR-durchlässigem Material (typischerweise beschichtetes Silizium, da dies sehr leicht zu bekommen ist), das das Sensorelement schützt. Hinter dem Fenster befinden sich die beiden symmetrischen Sensoren.

    Schauen Sie sich die Bilder für weitere Details an:

    Schritt 2: Objektive

    PIR-Sensoren sind eher allgemein gehalten und variieren größtenteils nur in Preis und Empfindlichkeit. Der größte Teil der wirklichen Magie geschieht mit der Optik. Dies ist eine ziemlich gute Idee für die Herstellung: Der PIR-Sensor und die Schaltung sind fest und kosten ein paar Dollar. Das Objektiv kostet nur wenige Cent und kann die Breite, Reichweite und das Erfassungsmuster sehr leicht ändern.

    In der obigen Abbildung ist die Linse nur ein Stück Plastik, aber das bedeutet, dass der Erfassungsbereich nur zwei Rechtecke beträgt. Normalerweise möchten wir einen Erfassungsbereich haben, der viel größer ist. Dazu verwenden wir ein einfaches Objektiv, wie es in einer Kamera zu finden ist: Es verdichtet einen großen Bereich (z. B. eine Landschaft) zu einem kleinen (auf Film oder einem CCD-Sensor). Aus Gründen, die bald ersichtlich werden, möchten wir die PIR-Linsen klein und dünn machen und aus billigem Kunststoff formen, auch wenn dies zu Verzerrungen führen kann. Aus diesem Grund sind die Sensoren tatsächlich Fresnellinsen (siehe Abbildung unten).

    OK, jetzt haben wir eine viel größere Reichweite. Denken Sie jedoch daran, dass wir tatsächlich zwei Sensoren haben, und was noch wichtiger ist, wir wollen keine zwei wirklich großen Rechtecke für den Erfassungsbereich, sondern eine Streuung mehrerer kleiner Bereiche. Wir teilen die Linse also in mehrere Abschnitte auf, von denen jeder Abschnitt eine Fresnellinse ist.

    Die verschiedenen Facetten- und Unterlinsen bilden eine Reihe von Erfassungsbereichen, die miteinander verschachtelt sind. Aus diesem Grund sind die Linsenmitten in den obigen Facetten "inkonsistent" - jedes andere zeigt auf eine andere Hälfte des PIR-Erfassungselements

    Schritt 3: Herstellen einer Verbindung zu Ihrem PIR


    Die meisten PIR-Module haben seitlich oder unten einen 3-poligen Anschluss. Die Pinbelegung kann zwischen den Modulen variieren. Überprüfen Sie daher die Pinbelegung dreimal! Es wird oft direkt neben der Verbindung mit einem Siebdruck versehen. Ein Pin wird geerdet, ein anderer wird signalisiert und der letzte wird mit Strom versorgt. Die Stromversorgung beträgt normalerweise 3 bis 5 V Gleichstrom, kann jedoch bis zu 12 V betragen. Manchmal haben größere Module keinen direkten Ausgang und betreiben stattdessen nur ein Relais. In diesem Fall liegen Masse, Strom und die beiden Schalterverbindungen vor.

    Der Ausgang einiger Relais kann ein "offener Kollektor" sein - das bedeutet, dass ein Pullup-Widerstand erforderlich ist. Wenn Sie keinen variablen Ausgang erhalten, versuchen Sie unbedingt, einen 10K-Pullup zwischen dem Signal und den Stromanschlüssen anzubringen.

    Eine einfache Möglichkeit für das Prototyping mit PIR-Sensoren besteht darin, es an ein Steckbrett anzuschließen, da der Verbindungsanschluss einen Abstand von 0, 1 Zoll hat. Einige PIRs sind bereits mit einem Header versehen, die von Adafruit sind nicht wie üblich nutzlos, um sie an ein anzuschließen Steckbrett.

    Durch Einlöten eines 0, 1 "rechtwinkligen Headers kann ein PIR einfach in ein Steckbrett installiert werden!

    Schritt 4: Testen Ihrer PIR


    Sobald Sie Ihren PIR verkabelt haben, ist es eine gute Idee, einen einfachen Test durchzuführen, um zu überprüfen, ob er wie erwartet funktioniert. Dieser Test eignet sich auch für Reichweitentests. Schließen Sie einfach 3-4 Alkalibatterien an (stellen Sie sicher, dass Sie mehr als 3, 5 VDC, aber weniger als 6 V haben, indem Sie dies mit Ihrem Multimeter überprüfen!) Und schließen Sie die Masse an den - Pin Ihres PIR an. Der + Pin wird mit Strom versorgt. Schließen Sie dann eine rote Basis-LED (rote LEDs haben niedrigere Durchlassspannungen als grün oder blau, damit sie nur mit dem 3, 3-V-Ausgang besser funktionieren) und einen 220-Ohm-Widerstand (jeder Wert von 100 Ohm bis 1, 0 K Ohm reicht aus) an den Ausgang an Stift wie gezeigt. Natürlich können die LED und der Widerstand die Positionen tauschen, solange die LED auf die Ausrichtung ausgerichtet ist und eine Verbindung zwischen Ausgang und Masse herstellt

    Wenn der PIR nun eine Bewegung erkennt, geht der Ausgangspin auf 3, 3 V "hoch" und leuchtet auf!

    Sobald Sie das Steckbrett verkabelt haben, legen Sie die Batterien ein und warten Sie 30-60 Sekunden, bis sich der PIR stabilisiert hat. Während dieser Zeit kann die LED ein wenig blinken. Warten Sie, bis die LED aus ist, und bewegen Sie sich dann davor, winken Sie mit der Hand usw., um zu sehen, wie die LED aufleuchtet!

    Schritt 5: Neuauslösen

    Wenn die LED blinkt, schauen Sie auf die Rückseite des PIR-Sensors und stellen Sie sicher, dass sich der Jumper wie unten gezeigt in der Position L befindet.

    Richten Sie nun das Testboard erneut ein. Möglicherweise stellen Sie fest, dass beim Anschließen des PIR-Sensors wie oben die LED nicht leuchtet, wenn Sie sich davor bewegen, sondern tatsächlich jede Sekunde ein- und ausgeschaltet wird. Das nennt man "Non-Retriggering".

    Wechseln Sie nun den Jumper so, dass er sich in der Position H befindet. Wenn Sie den Test einrichten, werden Sie feststellen, dass die LED jetzt während der gesamten Zeit, in der sich etwas bewegt, leuchtet. Das nennt man "Retriggering"

    Für die meisten Anwendungen ist der Modus "Nachauslösen" (Jumper in H-Position) etwas besser. Wenn Sie den Sensor an etwas kantengetriggertes anschließen müssen, sollten Sie ihn auf "Nicht-Retriggering" (Jumper in L-Position) einstellen.

    Schritt 6: Ändern der Pulszeit und der Timeout-Länge

    Dem PIR-Sensor sind zwei Zeitüberschreitungen zugeordnet. Eines ist das "Tx" -Zeitlimit: Wie lange leuchtet die LED, nachdem sie eine Bewegung erkannt hat. Das zweite ist das "Ti" -Zeitlimit, bei dem die LED garantiert ausgeschaltet ist, wenn keine Bewegung stattfindet. Diese lassen sich nicht leicht ändern, aber wenn Sie mit dem Löten vertraut sind, liegt dies im Rahmen des Zumutbaren.

    Schauen wir uns zunächst noch einmal das BISS-Datenblatt an (siehe Abbildung unten).

    Die Bestimmung von R10 und R9 ist nicht zu schwierig. Leider ist dieser PIR-Sensor unten falsch beschriftet (es sieht so aus, als hätten sie R9 R17 getauscht). Sie können die Pins nachverfolgen, indem Sie sich das BISS001-Datenblatt ansehen und herausfinden, um welche Pins es sich handelt. R10 wird an Pin 3 und R9 an Pin 7 angeschlossen. Die Kondensatoren sind etwas schwieriger zu bestimmen, aber Sie können sie vom Timing aus zurückentwickeln der Sensor und das Lösen!

    Für den Sensor im Adafruit-Shop:

    Tx ist = 24576 * R10 * C6 = ~ 1, 2 Sekunden
    R10 = 4, 7 K und C6 = 10 nF

    Gleichfalls,

    Ti = 24 · R9 · C7 = ~ 1, 2 Sekunden
    R9 = 470 K und C7 = 0, 1 uF

    Sie können das Timing ändern, indem Sie verschiedene Widerstände oder Kondensatoren austauschen. Ein nettes Tutorial dazu finden Sie auf der PIR-Hacking-Seite von Keith

    Schritt 7: Projektbeispiele


    Ein USB-betriebener singender und blinkender Mario-Pilz (es gibt ein Video auf der Seite!)


    Regenschirme


    Testen eines PIR-Sensors für die Schnittstelle zu Max / MSP für einen interaktiven Garten


    Ein hausgemachtes Sicherheitssystem mit PIR-Sensoren (das in ein Start Trek-Panel integriert ist!)


    PIR-Sensor + Arduino + Servo = automatische Katzentür!

    Ein PIR-basierter Fernkamera-Trigger (ebenfalls von Lucky Larry!)

    Schritt 8: PIR-Sensoren lesen

    Das Anschließen von PIR-Sensoren an einen Mikrocontroller ist wirklich einfach. Der PIR fungiert als digitaler Ausgang. Sie müssen also nur darauf achten, dass der Pin hoch (erkannt) oder niedrig (nicht erkannt) wechselt.

    Es ist wahrscheinlich, dass Sie ein erneutes Auslösen wünschen. Stellen Sie daher sicher, dass sich der Jumper in der Position H befindet !

    Versorgen Sie den PIR mit 5 V und verbinden Sie Masse mit Masse. Verbinden Sie dann den Ausgang mit einem digitalen Pin. In diesem Beispiel verwenden wir Pin 2.

    Der Code ist sehr einfach und verfolgt im Grunde nur, ob der Eingang zu Pin 2 hoch oder niedrig ist. Außerdem wird der Status des Pins verfolgt, sodass eine Meldung ausgedruckt wird, wenn die Bewegung gestartet und gestoppt wurde:

    / * PIR-Sensortester * /

    int ledPin = 13; // Wähle den Pin für die LED
    int inputPin = 2; // wähle den Eingangspin (für PIR-Sensor)
    int pirState = LOW; // Wir beginnen unter der Annahme, dass keine Bewegung erkannt wurde
    int val = 0; // Variable zum Lesen des Pin-Status

    void setup () {
    pinMode (ledPin, OUTPUT); // LED als Ausgang deklarieren
    pinMode (inputPin, INPUT); // Sensor als Eingang deklarieren

    Serial.begin (9600);
    }}

    void loop () {
    val = digitalRead (inputPin); // Eingabewert lesen
    if (val == HIGH) {// prüfe ob der Eingang HIGH ist
    digitalWrite (ledPin, HIGH); // LED einschalten
    if (pirState == LOW) {
    // wir haben gerade eingeschaltet
    Serial.println ("Bewegung erkannt!");
    // Wir wollen nur die Ausgabeänderung drucken, nicht den Status
    pirState = HIGH;
    }}
    } else {
    digitalWrite (ledPin, LOW); // LED ausschalten
    if (pirState == HIGH) {
    // wir haben gerade ausgeschaltet
    Serial.println ("Bewegung beendet!");
    // Wir wollen nur die Ausgabeänderung drucken, nicht den Status
    pirState = LOW;
    }}
    }}
    }}

    Vergessen Sie nicht, dass Sie manchmal keinen Mikrocontroller benötigen. Ein PIR-Sensor kann ohne Mikro an ein Relais (möglicherweise mit einem Transistorpuffer) angeschlossen werden!

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