Tìm hiểu cảm biến PIR

Cuộc sống của chúng ta tồn tại trong cùng lúc với nhiều thực thể vật lý, những thứ chúng ta nhận biết được như là các vận động cơ học, tác dụng của nhiệt (nhận biết qua lớp da), của ánh sáng (nhận biết qua mắt), của âm thanh (nhận biết qua tai), của mùi (nhận biết qua mũi), của vị (nhận biết qua lưỡi), và nhất là của điện. Hiện nay, điện tử học là một công cụ phục vụ con người nhiều nhất, chúng ta có radio, cassette, TV, máy ghi hình, máy tính....Ưu điểm của các thiết bị điện là xử lý các vấn đề rất nhanh, nhưng các thiết bị điện thì lại chỉ làm việc với tín hiệu thuộc điện, mà chung quanh chúng ta không phải chỉ có các hiện tượng thuộc điện mà song song còn rất nhiều hiện tượng phi điện khác đang tồn tại, từ đó người ta nghĩ đến các SENSOR. Sensor là các cảm biến, nó dùng để chuyển đổi các tín hiệu không thuộc điện ra dạng tín hiệu điện và đưa vào các dạng mạch điện để xử lý. Ngày nay có rất nhiều, rất nhiều loại SENSOR. Trong lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu loại sensor dùng phát hiện các vật thể nóng có chuyển động ngang, quen gọi là PIR moton detector. PIR là gì? Nó là chữ viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Trong các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con vật...

EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM Cảm biến PIR (sưu tầm) Chào bạn, Cuộc sống tồn lúc với nhiều thực thể vật lý, thứ nhận biết vận động học, tác dụng nhiệt (nhận biết qua lớp da), ánh sáng (nhận biết qua mắt), âm (nhận biết qua tai), mùi (nhận biết qua mũi), vị (nhận biết qua lưỡi), điện Hiện nay, điện tử học công cụ phục vụ người nhiều nhất, có radio, cassette, TV, máy ghi hình, máy tính Ưu điểm thiết bị điện xử lý vấn đề nhanh, thiết bị điện lại làm việc với tín hiệu thuộc điện, mà chung quanh khơng phải có tượng thuộc điện mà song song nhiều tượng phi điện khác tồn tại, từ người ta nghĩ đến SENSOR Sensor cảm biến, dùng để chuyển đổi tín hiệu khơng thuộc điện dạng tín hiệu điện đưa vào dạng mạch điện để xử lý Ngày có nhiều, nhiều loại SENSOR Trong lần này, tìm hiểu loại sensor dùng phát vật thể nóng có chuyển động ngang, quen gọi PIR moton detector PIR gì? Nó chữ viết tắt Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) tia nhiệt phát từ vật thể nóng Trong thể sống, ln có thân nhiệt (thơng thường 37 độ C), từ thể phát tia nhiệt, hay gọi tia hồng ngoại, người ta dùng tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt dạng tín hiệu điện nhờ mà làm cảm biến phát vật thể nóng chuyển động Cảm biến gọi thụ động khơng dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà phụ thuộc vào nguồn tha nhiệt, thân nhiệt thực thể khác, người vật Trước hết, tìm hiểu cấu trúc cảm biến PIR (Bạn xem hình) EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM Trên đầu dò PIR, loại bên gắn cảm biến tia nhiệt, có chân ra, chân nối masse, chân nối với nguồn volt DC, mức áp làm việc từ đến 15V Góc dò lớn Để tăng độ nhậy cho đầu dò, Bạn dùng kính Fresnel, thiết kế cho loại đầu có cảm biến, góc dò lớn, có tác dụng ngăn tia tử ngoại Hình vẽ cho thấy cách dùng đầu dò PIR để phát người hay vật di chuyển ngang Nguyên lý làm việc loại đầu dò PIR hình sau: Các nguồn nhiệt (với người vật nguồn thân nhiệt) phát tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, cho tiêu tụ cảm biến hồng ngoại gắn đầu dò, tạo điện áp khuếch đại với transistor FET Khi có vật nóng ngang qua, từ cảm biến cho xuất tín hiệu tín hiệu khuếch có biên độ đủ cao đưa vào mạch so áp để tác động vào thiết bị điều khiển hay báo động EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM Hình vẽ cho thấy vùng cảm ứng nhậy cảm tương ứng với cảm biến đầu dò Khi có vật ngang, từ thân vật phát tia nhiệt, tiêu tụ mạnh với kính Fresnel tiêu tụ bia cảm biến hồng ngoại, vật ngang, ngả đầu dò thậy xuất tín hiệu, tín hiệu cho vào mạch xử lý để tạo tác dụng điều khiển hay báo động Bạn xem hình động sau dùng diễn tả nguyên lý làm việc đầu dò PIR người qua lại: Lý thuyết chung tia nhiệt: EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM Mọi vật thể cấu tạo từ phân tử nhỏ li ti, nhiệt dạng lượng tạo từ xao động phân tử (Bạn xem hình), chuyển động hỗn loạn, khơng trật tự Từ xao động này, phát tia nhiệt, cảm giác thông thường giác quan, người nói sức nóng Ở người nguồn thân nhiệt thường điều ổn mức 37 độ C, nguồn nhiệt mà có dùng linh kiện cảm ứng thân nhiệt, có thiết bị phát người, ý tưởng mà người ta chế thiết bị motion detector, điều khiển theo nguồn thân nhiệt chuyển động Hình vẽ sau cho thấy vật liệu nhóm pyroelectric dùng làm cảm biến dò tia nhiệt EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM Người ta kẹp vật liệu pyroelectric cực, có tác kích tia nhiệt, hai cực xuất hiệu tín hiệu điện, tín hiệu yếu nên cần mạch khuếch đại Trong đầu dò PIR, người ta gắn cảm ứng PIR nằm ngang, cho nối vào cực Gate (chân Cổng) transistor FET có tính khuếch đại Khi cảm biến pyroelectric thứ nhận tia nhiệt, phát tín hiệu nguồn nóng di chuyển ngang, đến cảm biến pyroelectric thứ hai nhận tia nhiệt lại phát tín hiệu điện Sự xuất tín hiệu cho nhận biết có nguồn nhiệt di động ngang mạch điện tử phát tín hiệu điều khiển Tín hiệu dùng tắt mở đèn hay dùng để báo động có kẻ lạ vào nhà Bây nói đến thiết bị tiêu tụ gôm tia nhiệt rọi bề mặt cảm ứng PIR: Chúng ta biết tia nhiệt phát từ thân thể người yếu phân tán, để tăng độ nhậy phải dùng kính có mặt kính lồi tạo chức tiêu tụ, quen gọi kinh Focus, hình động cho thấy mặt sóng tia sáng qua mặt kính lồi cho gơm lại điểm nhỏ, điểm gọi tiêu điểm ( 焦焦 焦 theo âm Hán Việt, chữ tiêu 焦 bên có hỏa 焦 焦 , có nghĩa điểm nóng, nhiều Bạn dùng kính lúp tạo điểm nóng, điểm nóng đốt cháy giấy đấy, trò chơi bạn nhỏ) EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM Khuyết điểm loại kính hội tụ dùng mặt lồi thông thường mặt kính mở rộng, điểm tiêu tụ khơng nằm chổ, người ta cho hiệu chỉnh sai lệch mặt kính Fresnel (Bạn xem hình, mặt cong xa trục quang chỉnh lại) Bạn thấy xa trục quang học, độ cong mặt kính hiệu chỉnh lại, với cách làm này, hội tụ nhiều tia sáng tốt hơn, diện tích rộng lớn tăng độ nhậy cao có góc dò rộng Một sơ đồ mạch điện điển hình: Sau sơ đồ điển hình cho thấy cách kết hợp đầu dò PIR mạch khuếch đại, mạch so áp (dùng ic LM324) mạch tạo trễ (dùng ic logic CD4538) để có tiếp điểm kim (của relay) dùng điều khiển dụng cụ điện khác Phân tích sơ đồ mạch điện: Sơ đồ cho thấy, đầu PIR có chân, chân cho nối masse, chân nối vào đường nguồn chân cho xuất tín hiệu, nguyên phải phân cực cho đầu PIR bên có dùng transistor FET R2 (100K) điện trở lấy tín hiệu Tín hiệu cho qua tầng khuếch đại với IC1A IC2B Ở đây, người ta dùng mạch hồi tiếp nghịch với R4 (1M), R3 (10K) tụ C2 (10uF) để định độ lợi cho tầng khuếch đại (do 1M/10K = 100, nên độ lợi tầng lấy khoảng 100), tụ C3 (0.1uF) có tác dụng ép dãy tần hẹp lại, cho làm việc vùng tần thấp bỏ EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM vùng tần cao (vì tác nhân nhiệt có qn tính lớn, thường thay đổi chậm), tín hiệu lấy chân cho qua điện trở giảm biên R5 (10K) tụ liên lạc C4 (10uF) vào tầng khuếch đại sau chân số Mạch dùng điện trở R6 (1M), diode D1, D2 điện trở R7 (1M) tạo thành cầu chia áp, lấy áp phân cực cho chân tầng khuếch đại tạo điện áp mẫu (Vref) cấp cho chân (ngả vào đảo) chân 12 (ngả vào không đảo) tầng so áp IC1C IC1D Điện trở R8 (1M) tụ C5 (0.1uF) tạo tác dụng hồi tiếp nghịch, ổn định cho tầng khuếch đại IC1B Tín hiệu cảm biến sau khuếch đại cho chân 7, lúc đưa vào tầng so áp chân 10 chân 13 Đây tầng so áp có chu trình hồi sai, dùng tạo xung kích thích có độ dóc tốt, kích vào tầng đa hài đơn ổn ic CD4538, diode D3 diode D4 có cơng dụng cách ly tránh ảnh hưởng qua lại đường chân chân 14 CD 4538 ic logic có tầng đơn ổn, định thời gian độ (thời gian trễ) theo thời điện trở R10 (1M) tụ C6 (1uF) chân số Xung làm chuyển trạng thái đưa vào chân 4, chuyển mạch mức áp cao cho xuất chân số 6, kích dẫn transistor thúc Q1, Q1 cấp dòng cho relay để đóng tiếp điểm kim Do dùng mạch đơn ổn, định thời theo thời R10 tụ C6, nên sau thời gian qui định, mạch tự trở lại trạng thái ổn cố, Q1 tắt relay bị cắt dòng nhã tiếp điểm kim Mạch làm việc với mức nguồn nuôi từ đến 12V (Bạn ý mức nguồn ni để chọn loại relay cho thích hợp) Tóm lại, có người ngang qua đầu dò, nguồn thân nhiệt người hay vật tác kích vào đầu dò PIR, relay cấp dòng để đóng tiếp điểm kim, Bạn dùng tiếp điểm để mở đèn, sau lúc mạch đơn ổn trở trạng thái vốn có đèn tự tắt Chúng ta có mạch tắt mở đèn theo "hơi người qua lại" phải khơng? Thích khơng? Tư liệu ic LM324 CD4538 dùng mạch: Trong ic LM324 có tầng khuếch đại tốn thuật (op-amp), Bạn dùng tầng khuếch đại op-amp để khuếch đại tín hiệu hay dùng làm tầng so áp Đây ic có nhiều cơng dụng, Bạn tải tư liệu liên quan phần mục download để hiểu rõ EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM Đây ic có đa hài đơn ổn, thời gian độ xác định theo mạch thời với điện trở tụ điện Mạch tự trở lại trạng thái ổn cố sau thời gian qui định IC thông dụng mạch điều khiển Các sơ đồ mạch điện tham khảo: Sau sơ đồ tham khảo (tôi sưu tầm từ mạng), sơ đồ này, đầu dò PIR dùng phát chuyển động nguồn thân nhiệt người vật cho xuất tín hiệu để đóng mở đèn hay mạch báo động, nguyên lý làm việc tương tự mạch điện điển hình phân tích phần Mạch 1: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp tụ tắt mở đèn TRIAC, EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM Mạch 2: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp tụ tắt mở đèn tiếp điểm relay, EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM Mạch 3: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo người, làm việc trực tiếp với nguồn điện DC (12V), tắt mở đèn relay có trang bị quang trở (SCd) để mạch tác dụng đêm tối, Mạch 4: Mạch dùng ic HT7601A chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp tụ tắt mở đèn relay Mạch 5: Mạch dùng ic HT7601B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp tụ tắt mở đèn TRIAC, EBOOKBKMT.COM – CỘNG ĐỒNG KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN VIỆT NAM Mạch 6: Mạch dùng ic KC778B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, dùng để phát người theo thân nhiệt, dùng điều khiển với loại thiết bị cắm lỗ OUTPUT, làm việc với nguồn điện DC, có dùng quang trở (SCd) để mạch có tác dụng đêm tối Mạch 7: Mạch tắt mở đèn theo người dùng đầu dò PIR, tắt mở đèn với TRIAC, mạch dùng trực tiếp đường nguồn AC cho giảm áp tụ  ... NAM Hình vẽ cho thấy vùng cảm ứng nhậy cảm tương ứng với cảm biến đầu dò Khi có vật ngang, từ thân vật ln phát tia nhiệt, tiêu tụ mạnh với kính Fresnel tiêu tụ bia cảm biến hồng ngoại, vật ngang,... dò cảm biến PIR, dùng làm mạch tự tắt mở đèn theo người, làm việc trực tiếp với nguồn điện AC, cho giảm áp tụ tắt mở đèn relay Mạch 5: Mạch dùng ic HT7601B chuyên dùng cho đầu dò cảm biến PIR, ... nên cần mạch khuếch đại Trong đầu dò PIR, người ta gắn cảm ứng PIR nằm ngang, cho nối vào cực Gate (chân Cổng) transistor FET có tính khuếch đại Khi cảm biến pyroelectric thứ nhận tia nhiệt,