Σε αυτό το εδάφιο θα εξετάσουμε τα χαρακτηριστικά και την λειτουργία του αισθητήρα HC-SR501. Αυτός ο αισθητήρας ανιχνεύει την κίνηση σωμάτων που περνούν από μπροστά του βασιζόμενος στις ιδιότητες της υπέρυθρης ακτινοβολίας.

Γνωρίζουμε από το σχολείο ότι όλα τα σώματα που βρίσκονται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδέν εκπέμπουν θερμική ενέργεια υπό μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία ενός σώματος τόσο περισσότερη θερμική υπέρυθρη ακτινοβολία εκπέμπουν. Το σώμα του ανθρώπου ή των ζώων βρίσκεται σε μεγαλύτερη θερμοκρασία από το περιβάλλον και έτσι γίνεται εφικτό ή ανίχνευση της κίνησης τους με τον αισθητήρα PIR  HC-SR501.

Επίσης ο αισθητήρας κίνησης HC-SR501 που βασίζεται στην υπέρυθρη ακτινοβολία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συστήματα συναγερμού για την ανίχνευση ανθρώπων σε απαγορευμένους χώρους ή σε συστήματα αυτοματισμού για την ενεργοποίηση συστημάτων φωτισμού κ.ά.

Λειτουργία του ανιχνευτή κίνησης HC-SR501

Ο υπέρυθρος αισθητήρας HC-SR501 έχει σχεδιαστεί για την ανίχνευση σωμάτων ανθρώπων και ζώων χρησιμοποιώντας την υπέρυθρη (ηλεκτρ/κη) ακτινοβολία. Αυτός ο αισθητήρας αποτελείται από δυο μέρη τον pyroelectric sensor και τους φακούς  Fresnel. Ο πρώτος είναι υπεύθυνος για την ανίχνευση υπέρυθρης ακτινοβολίας και ο δεύτερος έχει σαν έργο την εστίαση της ακτινοβολίας πάνω στον ειδικό αισθητήρα που επεξεργάζεται την εστιασμένη ακτινοβολία που δέχεται.

Ο pyroelectric sensor έχει πάνω του δυο τετράγωνα ανοίγματα καλυμμένα από υλικό που αφήνει να περάσει υπέρυθρη ακτινοβολία. Πίσω από αυτά τα ανοίγματα υπάρχουν ξεχωριστά ηλεκτρόδια ευαίσθητα στη θερμική υπέρυθρη ακτινοβολία, το ένα ηλεκτρόδιο είναι υπεύθυνο για την θετική έξοδο και το άλλο για την αρνητική έξοδο. Αυτή η διάταξη είναι υπεύθυνη για αλλαγές IR επιπέδων και όχι την σταθερή IR του περιβάλλοντος. Τα δυο ηλεκτρόδια είναι συνδεμένα έτσι που το σήμα τους να εξουδετερώνει το ένα το άλλο. Εάν το ένα παραθυράκι του αισθητήρα δεχτεί περισσότερη η λιγότερη ακτινοβολία από το άλλο η έξοδος θα μεταβληθεί μεταξύ των καταστάσεων high και low.

Στο pcb του PIR αισθητήρα υπάρχει ένα ειδικευμένο ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC) που επεξεργάζεται το σήμα από τα ηλεκτρόδια του αισθητήρα και ορίζει τον ακροδέκτη εξόδου σε High ή Low ανάλογα την κατάσταση συναγερμού.

Δομή του HC-SR501 αισθητήρα κίνησης

Ο αισθητήρας PIR HC-SR501 βασίζεται στο ολοκληρωμένο κύκλωμα BISS0001 Micro Power PIR Motion Detector IC. Αυτό το IC έχει αναπτυχθεί ειδικά για να επεξεργάζεται σήματα από PIR αισθητήρες κίνησης.

Όταν αφαιρέσουμε τους φακούς Fresnel θα δούμε το πυροηλεκτρικό στοιχείο RE200B. Επίσης πάνω στο pcb του αισθητήρα μπορείς να βρεις ένα σταθεροποιητή τάσης. Αυτό σημαίνει ότι μπορείς να τροφοδοτήσεις το HC-SR501 με μια ευρεία τιμών τάσεων, από 4,5 έως 12V. Τυπικά χρησιμοποιείται τάση 5V για τροφοδοσία.

Το HC-SR501 έχει τρεις ακροδέκτες για την διασύνδεση του και συγκεκριμένα τον Vcc για τροφοδοσία με τάση (όπως αναφέραμε πριν) το GND για την σύνδεση με τα 0V και τον ψηφιακό ακροδέκτη OUT για την ψηφιακή διασύνδεση με τον μικροελεγκτή (Arduino)

Ρυθμίσεις λειτουργίας του HC-SR501

Ρύθμιση ευαισθησίας: Το HC-SR501 μπορεί να ανιχνεύσει θερμικές πηγές σε μια περιοχή από 3 έως 7 μέτρα. Μπορείς να ρυθμίσεις αυτή την απόσταση με το ποτενσιόμετρο. Γυρίζοντας το ποτενσιόμετρο με ένα μικρό κατσαβίδι δεξιόστροφα αυξάνεις την ακτίνα δράσης μέχρι τα 7 μέτρα ενώ γυρίζοντας αυτό αριστερόστροφα μειώνεις την ακτίνα δράσης του έως και 3 μέτρα.

Ρύθμιση χρόνου καθυστέρησης: Με το ποτενσιόμετρο αυτό μπορείς να ρυθμίσεις την χρονική διάρκεια που η έξοδος OUTPUT μένει  HIGH μετά την ανίχνευση της κίνησης. Η μικρότερη καθυστέρηση είναι 3 δευτερόλεπτα και η μεγαλύτερη 300 δευτερόλεπτα ή 5 λεπτά. Με δεξιόστροφο γύρισμα του ποτενσιόμετρου έχουμε αύξηση της καθυστέρησης και με αριστερόστροφο γύρισμα έχουμε μείωση της καθυστέρησης.

Βραχυκυκλωτήρας σκανδαλισμού (Trigger selection jumper)

Ο κίτρινος βραχυκυκλωτήρας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιλογή μιας από δυο καταστάσεις σκανδαλισμού. Μπορεί να τεθεί L(single trigger) ή H(repeating trigger)

— Single trigger: η έξοδος τίθεται σε HIGH την στιγμή που θα ανιχνευθεί κίνηση. Θα μείνει HIGH για το χρονικό παράθυρο που έχει οριστεί από το ποτενσιόμετρο. Κάθε κίνηση μέσα σε αυτό το χρονικό παράθυρο δεν έχει επίδραση και δεν επανεκκινεί το ρολόι για τη δημιουργία νέου χρονικού παραθύρου.
— Repeating trigger: Κάθε στιγμή που ανιχνευθεί κίνηση, το ρολόι επανεκκινείται για να ορίσει το χρονικό παράθυρο από την αρχή.

Βελτίωση λειτουργίας του PIR αισθητήρα HC-SR501

To pcb του αισθητήρα κίνησης HC-SR501 έχει δυο θέσεις για κόλληση δυο εξαρτημάτων για περαιτέρω βελτίωση της λειτουργίας του. Αυτές οι θέσεις σημειώνονται με ‘RL’ και ‘RT’ πάνω στο pcb.
— RL :  εδώ μπορείς να κολλήσεις μια φωταντίσταση που έχει την ιδιότητα η αντίσταση της να μειώνεται με την αύξηση του φωτός που δέχεται πάνω της. Αυτή επιτρέπει στον αισθητήρα HC-SR501 να λειτουργεί όταν η περιοχή δράσης του είναι σχετικά σκοτεινή.
— RT :  σε αυτή τη θέση μπορείς να κολλήσεις ένα θερμίστορ. Σε αυτή την περίπτωση κάνουμε τον αισθητήρα κίνησης λιγότερο εξαρτημένο από την θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Διάταξη ακροδεκτών του HC-SR501

Vcc : χρησιμοποιείται για τροφοδοσία του αισθητήρα με τάση. Συνίσταται σε διασύνδεση με τάση τιμής 5V
Output : είναι συμβατή με 3,3V TTL logic output. Η τιμή low δηλώνει ότι δεν έχει ανιχνεύσει κίνηση, ενώ με τιμή High δηλώνεται η ανίχνευση κίνησης.
GND : θα πρέπει να συνδεθεί στα 0V.

Χρησιμοποιώντας τον HC-SR501 σαν αυτόνομη μονάδα ανίχνευσης κίνησης

Υπάρχουν πολλές εφαρμογές που μπορείς να χρησιμοποιήσεις τον αισθητήρα HC-SR501 σαν αυτόνομη μονάδα που η έξοδος του μπορεί να τριγκάρει ρελέδες, διόδους LED κ.ά.

Σε αυτή την περίπτωση που περιγράφουμε εδώ, της αυτόνομης διασύνδεσης του αισθητήρα, η κατασκευή είναι απλή και φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Απλά σύνδεσε τους ακροδέκτες Vcc και GND  με μια μπαταρία και ένα (κόκκινο) LED μεταξύ της εξόδου (Output) του αισθητήρα κίνησης και του GND. Η τάση εξόδου είναι 3,3V και γι’ αυτό σύνδεσε μια αντίσταση 68Ω σε σειρά με το LED για τον περιορισμό ρεύματος.

Σημείωση: Μετά την τροφοδότηση με τάση στον αισθητήρα θα πρέπει να περιμένουμε 30 έως 60 δευτερόλεπτα για να αρχικοποιηθεί ο HC-SR501. Σε αυτό το χρονικό διάστημα το LED θα αναβοσβήσει μερικές φορές. Μετά από λίγο κίνησε το χέρι σου μπροστά από τον αισθητήρα και θα πρέπει το LED να ανάψει.

Σε αυτό το σημείο είναι ευκαιρία να δοκιμάσουμε τον PIR αισθητήρα παίζοντας με την ευαισθησία (sensitivity) και του χρόνου καθυστέρησης καθώς τους δυο τρόπους σκανδαλισμού (trigger modes).