Датчик движения HC-SR501. Технический анализ. Примеры схем
В данной статье рассмотрим подробно китайский датчик движения HC-SR501. Хотя, правильней сказать, это даже не датчик, а готовый модуль, который можно в дальнейшем использовать в конструировании элементов «умного дома». Рассмотрим в вкратце доступную техническую информацию, замеченные мной расхождения между схемой реального модуля и схемой из технического описания. Разберем особенности работы, проведем некоторые измерения. Соберем несколько вариантов схем для управления нагрузкой с помощью модуля датчика движения HC-SR501.
Технические характеристики, назначение, особенности
Для начала скажу, что датчик, о котором пойдет речь приобретал здесь, возможно вам попадутся варианты с небольшими отличиями.
Технические характеристики. Для начала обобщим техническую информацию, добытую от продавцов и англоязычных источников. Кто уже знаком — листаем дальше, будет еще на что взглянуть:)
Итак:
Диапазон рабочего напряжения: DC 4,5-20V
Ток покоя: <50 мкA
Уровень выходного сигнала: высокий — 3,3 В, низкий — 0 В
Триггер: L — не фиксирует движение во время задержки, H – движение фиксируется при задержке (по умолчанию — H)
Время задержки: 5-300 секунд (регулируемый).
Время блокировки: 2.5 секунды (по умолчанию) может быть выполнен в диапазоне от 0,xx до десятков секунд.
Размеры платы: 32 мм — 24 мм
Датчик угла: <угол конуса 100 °
Рабочая температура: -15 — +70 градусов
Датчик размера объектива: диаметр: 23 мм (по умолчанию)
Особенности:
— Датчик SR501 обнаружит изменения инфракрасного излучения и, если это будет интерпретировано как движение, установит низкий уровень выходного сигнала. То, что интерпретируется или не интерпретируется как движение, во многом зависит от настроек и настроек пользователя.
— Модуль имеет регулируемую чувствительность, которая позволяет обнаруживать движение в диапазоне от 3 до 7 метров, а также включает настройку временной задержки и выбор триггера.
— Для инициализации устройству требуется около минуты. В течение этого периода он часто будет выдавать ложные сигналы обнаружения. Логика схемы или контроллера должна учитывать этот период инициализации.
— Запускается двумя способами: (выбирается перемычкой). Перемычка выбора режима запуска позволяет выбирать между однократным и повторяемым запуском. Эта установка перемычки определяет момент начала задержки.
SINGLE TRIGGER (L) — Задержка начинается сразу после первого обнаружения движения.
ПОВТОРНЫЙ ТРИГГЕР(H) — Каждое обнаруженное движение сбрасывает временную задержку. Таким образом, временная задержка начинается с последнего обнаруженного движения.
Например: — Представьте, что вы находитесь в режиме однократного запуска (L), и время задержки установлено на 5 секунд. Датчик обнаружит движение и установит его на 5 секунд. Через пять секунд датчик установит низкий уровень выходного сигнала около 3 секунд. В течение этого времени датчик не обнаруживает движения. Через три секунды датчик снова обнаружит движение. Обнаруженное движение снова установит высокий уровень выходного сигнала. Выход останется включенным в соответствии с настройкой временной задержки и выбором режима триггера.
— Светочувствительный датчик (не устанавливается на заводе) может быть настроен для регулировки светочувствительности, дневного света или интенсивности света.
— Температурная компенсация (опционально): летом, когда температура окружающей среды повышается до 30–32 ° C, расстояние обнаружения немного короче, для компенсации производительности можно использовать температурную компенсацию.
— Потребление мощности: подходит для устройств автоматического управления с батарейным питанием.
— Выходной высокий сигнал: легко добиться стыковки с различными типами цепей.
Применение:
Как продукт безопасности в системах сигнализации, как конструктор «умных» устройств с использованием датчиков, для промышленной автоматизации и контроля и т. д.
Модуль датчика может автоматически быстро включать различные типы ламп накаливания, люминесцентные лампы, зуммеры, автоматические двери, электрические вентиляторы, автоматические стиральные машины и сушильные машины и другие устройства. Особенно подходит для предприятий, гостиниц, торговых центров, складов и проходов, коридоров и других чувствительных мест.
Настройка, размещение датчика
Настройка модуля HC-SR501 очень проста. Нужно определиться с тремя факторами.
Первое, необходимое время задержки, устанавливается срабатыванием датчика. В это время будет отрабатываться какое-либо событие, например, загорится лампочка или сработает сигнализация. Время задержки регулируется от 5 до 300 секунд (в некоторых источниках до 200 секунд, но в моем все же 300).
Второе, чувствительность датчика. Фактически расстояние от датчика до места вероятного движения. Есть регулировка от 3 до 7 метров. В проходе шириной 2 метра нормально отрабатывается среднее положение регулировки.
И третье, установка перемычки. Как следует из тех. описания, есть два положения L и H. При первом рассмотрении можно немного запутаться, но все просто.
Модуль в положении L – вы прошли мимо, датчик сработал. Дальше датчик на вас не реагирует, пока не пройдет время задержки. Задержка закончилась – событие отработано (лампочка потухла). По истечении времени задержки наступает время блокировки (те самые 2,5 секунды, датчик все еще не реагирует). Блокировка истекла — вот теперь датчик снова реагирует на движение. Только пошевелитесь, сценарий снова запустится.
Модуль в положении H – вы прошли мимо, датчик сработал. Включилось время задержки. Но датчик не отключился. Если во время задержки произошло движение, таймер задержки начинает отсчет заново. И пока кто-то бродит возле датчика отсчет будет начинаться заново и заново. Если за время задержки движения не произошло таймер отработает свое время и отключит нагрузку (лампочку, например). И снова блокировка датчика на 2,5 секунды. И все – датчик в режиме ожидания движения.
На рисунке ниже показаны места расположения регулировок и перемычек:
Все регулировки по часовой стрелке увеличивают чувствительность или время задержки. Против часовой соответственно – уменьшают.
Что еще полезно знать при установке. Непосредственно сам датчик находится под белым куполом (линзой Френеля). Линза имеет сложную многогранную структуру, предусматривающую правильное падение лучей на датчик.
Надо заметить, что датчик будет работать и без линзы (проверено на практике). Правда, чувствительность изрядно страдает. Сам датчик имеет прямоугольное двойное окно.
Датчик срабатывает на разницу сигналов между окнами, чем больше разница, тем лучше чувствительность. Поэтому располагать окна датчика необходимо параллельно вероятному движению. Т.е. горизонтально, если вы проходите мимо датчика и вертикально, если вы собираетесь прыгать рядом с ним 😊. Впрочем, линза поможет поймать движение со всех сторон.
Еще один важный момент. В качестве помех, которые могут привести к ложным срабатываниям, могут выступать солнце или ветер. Поэтому при размещении датчика следует избегать прямых солнечных лучей и бокового воздействия ветра (по возможности).
Схема модуля
Для тех кто хочет более глубоко разобраться с работой модуля, потребуется рассмотреть его изнутри. В одном из технических описаний приводится следующая схема:
В основе лежит микросхема BISS0001
Это CMOS-чип, разработанный для интегральных схем управления инфракрасным датчиком человека. Своего рода высокопроизводительная интегральная схема обработки сигнала датчика (ИC), которая вместе с датчиком PIR (Passive infrared sensor) и внешними элементами составляет PIR-переключатель. Микросхема оснащена усилителями, компаратором, таймером, схемами управления, системным генератором и генератором синхронизации выходного сигнала. Датчик PIR включенный в схему обнаруживает изменение мощности инфракрасного излучения, вызванное движением человеческого тела, и преобразует его в изменение напряжения.
Назначение выводов микросхемы BISS0001 приведено в таблице ниже:
Tx = время, в течение которого выходной контакт (OUT) остается высоким после запуска.
Ti = время, в течение которого запуск запрещен (время блокировки).
Как видно из таблицы выводы 3 и 4 микросхемы отвечают за время задержки, т.е. время на протяжении которого держится высокий уровень на выводе 2. Если смотреть по схеме обнаружим резисторы R13, RT1 и конденсатор СY1 на этих выводах. Их параметры управляют временем задержки. И рассчитываются по формуле:
Tx ≈ 24576 x (R13+RT1) x CY1
RT1 — подстроечный резистором. Именно его мы вращаем при настройке времени задержки.
Выводы 5 и 6 отвечают за время блокировки. Ручная регулировка не предусмотрена. Чтобы изменить время блокировки придется выпаять резистор R33 или конденсатор CY2 и заменить их на свои номиналы. Время блокировки рассчитывается по формуле:
Ti ≈ 24 x R33 x CY2
Резистор для регулировки чувствительности датчика на схеме обозначен как RL2. Это второй подстроечный резистор на модуле. Вот вопрос: почему RL2, где же RL1? Приглядевшись к модулю и схеме, можно заметить сразу не заметные расхождения. Пришлось побегать по дорожкам модуля и вот, что получилось в реальности:
Нашлись и контакты, промаркированные как RL. А нужны они для установки термокомпенсации. Специального резистора, сопротивление которого увеличивается с ростом температуры. Нужен он для того, чтобы чувствительность датчика не падала с ростом температуры окружающей среды (более 30 градусов по Цельсию). Если датчик используется только ночью или в помещении, то о терморезисторе можно забыть.
R13 резистор судя по маркировке не 10кОм, а всего 1.5кОм, что, впрочем, не особо важно. На 9 вывод микросхемы через резистор R3 подается постоянный высокий уровень. Это говорит о том, что датчик будет работать как в дневное время (освещенном месте), так и ночью (затемненном месте). На плате на самом деле не установлен светочувствительный резистор, есть лишь место под его установку (контакты RT). Для чего о нужен?
Предположим, вы хотите освещать темный участок в тот момент, когда появляется движение. Устанавливаем датчик движения в таком виде как он есть и все замечательно, датчик срабатывает, дорога освещается. Но вот взошло солнце. Стало светло, наш темный участок осветился, все видно. НО датчик продолжает включать освещение, никакой экономии. Впаиваем светочувствительный резистор и теперь датчик срабатывает только в темноте.
В остальном же схема практически совпадает. Сам датчик PIR 500BR имеет 3-контактное соединение снизу. Один вывод заземлен, другой — сигнал, а последний — питание. Питание обычно составляет 3-5 В постоянного тока, но может достигать 12 В.
Стабилизатор питания тоже оказался немного другой (вместо 7133 стоял 7533), правда, и это совершенно не существенно. В любом случае на выходе стабилизированное напряжение 3,3В.
Размещение на плате элементов согласно схемы приведено на рисунке:
Пригодится тем, кто захочет изменить, например, время блокировки, перепаять парочку другую резисторов.
Примеры схем
В наше время продается много устройств использующих датчик движения в системах умного дома. Они используются как охранные устройства для подачи сигнала тревоги или включатели каких-либо приборов по сигналу движения. Стоимость таких устройств иногда завышена, а их функционал больше необходимого. Т.е. если нужно просто включить свет в коридоре не обязательно чтобы датчик по сети wi fi передавал сигнал роутеру, а тот умному выключателю и только потом лампочке. Иногда вполне нормаль сократи путь до простого: датчик – лампочка, и от этого ваш дом не станет на много глупее))). Предлагаю рассмотреть несколько самых простых и надежных схемотехнических решений.
Само собой разумеется, речь пойдет о рассмотренном выше модуле датчика движения. В качестве конечной нагрузки возьмем лампочку на 220 вольт. Оптимально управлять силовой нагрузкой либо с помощью симистора, либо с помощью реле. Рассмотрим оба способа.
Схема на симисторе. Существует довольно много схем для управления симистором и у большинства из них нет развязки по напряжению. Если откинуть такие схемы, то мы придем к самому правильному, надежному и на сегодняшний день не дорогому решению – применению оптосимисторов. Такая схема будет к тому же компактна и бесшумна. Это будет настоящая магия, без щелчков. Взгляните на схему ниже:
Для того, чтобы симистор перешел в проводящий режим, между первым и вторым выводом оптосимистора нужно пропустить минимальный ток равный 5 мА (для MOC3012, MOC3023, MOC3033, MOC3043, MOC3063, MOC3083). Для открытия пути для тока в схеме используется транзисторный ключ (транзистор малой мощности). Резистор на 510 Ом обеспечит протекание тока величиной приблизительно 8 мА, с запасом на выгорание флуоресценции внутри оптосимистора. Ограничивать ток базы транзистора не нужно. Ограничивающий резистор уже стоит внутри модуля (см. схему выше, резистор R14 1кОм на 2 выводе микросхемы).
По моим замерам максимальный выходной ток модуля около 4 мА. Для непосредственной подачи на оптосимистор маловато. Поэтому без ключа никак. (Или, конечно, можно закоротить к чертям резистор R14 на модуле — (см. схему) — или вместо него поставить резистор хотя бы Ом на 20 на всякий случай. Тогда, пожалуй, тока должно хватить для раскачки оптосимистора напрямую. Экспериментируйте!)
Когда появится высокий уровень на выходе модуля, откроется транзистор. Через оптосимистор потечет нужный ток и симистор станет отличным проводником, бесшумным включателем для лампы освещения. (Подробнее о работе оптосимистора рассказано в статье «Симисторная оптопара. Управление симистором»). Хорошо подойдет симистор, например, ВТА-16. Он может пропускать через себя ток в 16 А. Одну светодиодную лампочку даже не почувствует. Имеет небольшие размеры, для лампочки радиатор не нужен.
Резистор на 39 Ом и конденсатор 0,01мкФ(400-500В) являются демпфирующей rc цепью, нужны для индуктивной нагрузки. Для обычной, особенно светодиодной лампочки на 220 В лучше в схеме не применять.
Источник на 5 вольт можно взять из старой зарядки, главное чтобы на выходе было вольт 5 или 6. Можно и больше, но тогда нужно изменить значение резистора с 510 Ом на более высокое.
Спаянные элементы схемы будут иметь компактный размер. Легко поместятся в небольшой коробочке. Я уложил все в корпус старого датчика разбития окон.
Схема с использованием реле. Схема показана на рисунке ниже:
Плюс этой схемы очевиден. Схема содержит меньше элементов, возможно, обойдется немного дешевле. Зато у реле побольше габариты, оно щелкает, разрыв контактов вызывает вредные всплески напряжения. Но в целом как кому нравится. Оба решения имеют право на жизнь. Если блок питания у нас на 5-6 вольт, то ставим реле 5-ти вольтовое. Если напряжение больше, следует добавить ограничительный резистор, либо поставить реле на соответствующее напряжение. Добавлю так же, что вторая схема отличается от первой более высоким энергопотреблением в активном режиме.
Схема на батарейках. Схема с использованием симистора, благодаря своему низкому энергопотреблению особенно в режиме ожидания (0,077мА), волне пригодна для длительного питания от батареек. Так если использовать две маленькие батарейки типа ААА со средней емкостью 900 мА/ч, в режиме ожидания батареек хватит на 11688 часов или 487 суток. Для батареек типа АА срок вырастет еще вдвое. Вы скажете у нас же стабилизатор на входе на 3,3 вольта. И будете правы, стабилизатор 7533 нужно выпаять, а на дорожку платы, где был его выход, подать питание от батареек (смотрите схему):
