آموزش راه اندازی ماژول سنسور HC-SR501 PIR با آردوینو

در این مقاله مرحله به مرحله راه اندازی ماژول سنسور HC-SR501 PIR با آردوینو را به شما آموزش خواهیم داد. اما پیش از آن اجازه دهید اطلاعات بیشتری در مورد این سنسور در اختیار شما قرار دهیم.

اگر می خواهید یاد بگیرید که چگونه مچ افراد بیگانه را بگیرید، حتما به یک سنسور PIR نیاز خواهید داشت. این سنسور به شما این امکان را می دهد تا بتوانید از حضور افراد بیگانه در یک مکان جلوگیری کنید. شاید به نظر برسد این سنسور با چنین قابلیتی تنها در محیط هایی کاربرد دارد که در فیلم های جاسوسی دیده می شود، اما این سنسور در بسیاری از مکان هایی که شما روزانه در آن رفت و آمد دارید، نیز مورد استفاده قرار می گیرد. برای مثال در درب اتوماتیک پارکینگ ها و یا حتی درب اتوماتیک پاساژ مورد علاقه شما از این سنسور استفاده شده است.

در ادامه بیشتر با این سنسور آشنا خواهید شد.

سنسور حركت PIR چگونه كار می كند؟

پیش از راه اندازی ماژول سنسور HC-SR501 PIR با آردوینو ، ابتدا شما را با نحوه عملکرد این سنسور آشنا می کنیم. همه اجسام با دمای بيشتر از صفر مطلق (صفر كلوين يا 15.273- درجه سانتي گراد)، از جمله بدن انسان‌ها، از خود يک انرژی گرمایی به شكل تشعشعات مادون قرمز متصاعد می‌كنند.

سنسور PIR بطور خاصی برای آشكارسازی اين سطح از تشعشعات مادون قرمز طراحی شده است. اين سنسور از دو بخش پايه‌ای تشكيل شده است:

• يك سنسور پايروالكتريک
• يك لنز خاص به نام لنز Fresnel

اين لنز امواج مادون قرمز را بر روی سنسور پايروالكتريک متمركز می‌كند.

این سنسور در حقيقت دارای دو دريچه مستطيلی شكل است كه از موادی ساخته شده‌اند كه اجازه عبور امواج مادون قرمز را می‌دهند. دو الكترود سنسور مادون قرمز در پشت اين دو دريچه قرار دارد كه يكی خروجی مثبت و ديگری خروجی منفی توليد می‌كند. دلیل این کار این است که ما به دنبال آشكارسازی تغييرات در سطح امواج مادون قرمز هستیم و نه آشكارسازی مقدار مطلق امواج مادون قرمز محيط. اتصال دو الكترود بگونه‌ای است كه مقادير خروجی همديگر را خنثی می‌كنند. اما اگر يک الكترود سطح كمتر يا بيشتری از امواج مادون قرمز را دريافت كند، خروجی سنسور نيز طبيعتا HIGH یا LOW خواهد بود.

هنگامی كه سنسور فعال نیست، يعنی زمانی‌كه هيچ نوع حركتی در محيط وجود ندارد، هر دو الكترود مادون قرمز سطح يكسانی از امواج مادون قرمز را دريافت می‌كنند و در نتيجه تفاضل خروجی دو الكترود صفر خواهد بود. اما هنگامی كه يک جسم گرم نظير بدن انسان يا حيوان از مقابل اين سنسور عبور می‌كند، در ابتدا يک نيمه سنسور PIR تحت تاثير قرار خواهد گرفت و در نتيجه يک تغيير تفاضلی مثبت در خروجی دو الكترود بوجود خواهد آمد. هنگامی كه جسم گرم محيط را ترک می‌كند، اين فرآيند بصورت معكوس رخ می‌دهد و يک تغيير تفاضلی منفی خواهيم داشت. اين سيگنال پالسی ايجاد شده سبب فعال شدن پين خروجی سنسور می‌شود.

آشكارساز حركتی سنسور HC-SR501 PIR

در بسياری از پروژ‌ه‌های آردوينو كه در آن‌ها به آشكارسازی ورود و خروج و يا به تشخيص نزديک شدن اشخاص نیازمندیم، يک انتخاب مناسب استفاده از سنسور PIR مدل HC-SR501 است. اين سنسورها ارزان قيمت اند، انرژی کمی مصرف می کنند و رنج گسترده ای از انواع لنز آن‌ها در بازار موجود است. همچنين، بسادگی قابل استفاده هستند و در میان كاربران بسیار شناخته شده اند.

همانطور كه در شكل زير نشان داده شده است، ماژول HC-SR501 PIR دارای سه پين است كه عبارتند از پين VCC، پين زمين و پين خروجی ديجيتال. همچنين، اين سنسور دارای يک رگولاتور ولتاژ داخلی است كه با يک ولتاژ DC از 4.5 تا 12 ولت می‌تواند تغذيه شود. اما معمولا 5 ولت برای تغذيه در نظر گرفته می‌شود. ساير ويژگی‌های اين سنسور در ادامه توضيح داده خواهند شد.

بر روی برد سنسور، دو پتانسيومتر برای تنظيم پارامترهای حساسيت و تايم سنسور وجود دارد:

• پتانسيومتر حساسيت (Sensitivity): برای تنظيم حداكثر فاصله‌ای كه در آن فاصله حركت قابل تشخيص باشد، از این پتانسيومتر استفاده می‌شود. رنج فاصله قابل تنظيم بين 3 تا حدود 7 متر می‌باشد. ساختار هندسی محل بكارگيری سنسور می‌تواند فاصله آشكارسازی واقعی سنسور را تحت تاثير قرار دهد.
• پتانسيومتر تايم (Time): مشخص كننده مدت زمان فعال بودن خروجی سنسور پس از آشكارسازی حركت می‌باشد. اين زمان بين حداقل 3 و حداکثر 300 ثانيه قابل تنظيم است.

بعلاوه، برد سنسور HC-SR501 PIR دارای يک جامپر است كه دارای دو نوع مد كاری می‌باشد (در برخی مدل‌ها جامپر لحيم نشده است):

• H: مد كاری Hold/Repeat/Retriggering كه در آن خروجی سنسور تا زمانی‌كه سنسور حركت را آشكار كند، كماكان فعال نگه داشته خواهد شد.

• L: مد كاری No-Repeat/Non-Retriggering كه در آن به محض تشخيص حركت توسط سنسور، خروجی سنسور برای مدت زمان مشخصی كه توسط پتانسيومتر تایم تنظيم شده است، فعال نگه داشته خواهد شد.

ایجاد انعطاف در عملکرد ماژول سنسور HC-SR501 PIR

مدار برد ماژول سنسور HC-SR501 PIR دارای دو پد اضافی می‌باشد كه معمولا به نام‌های ‘RT’ و ‘RL’ برچسب ‌گذاری می‌شوند. اما در برخی برد ها ممكن است اين برچسب‌ها با لنزهای “dome” در طرف مقابل پوشانده شده باشند.

• پد RT: اين پد برای يک ترميستور يا مقاومت حرارتی در نظر گرفته شده است كه امكان كار سنسور در دماهای خيلی بالا را فراهم می‌كند. همچنين صحت اندازه گيری سنسور در برخی دماهای خاص را افزايش می دهد.
• پد RL:  اين پد برای اتصال يک مقاومت حساس به نور (LDR) و يا فتوسل در نظر گرفته شده است. با اضافه كردن مقاومت LDR، سنسور PIR فقط در محيط‌ های تاريک كار خواهد كرد كه برای كاربردهای سيستم روشنايی حساس به حركت قابل استفاده است.

المان‌های مداری و تجهيزات ديگر را نيز می‌توان به صورت مستقیم به اين برد الكترونيكی لحیم کرد و یا آن را با استفاده از سیم و اتصالات توسعه داد.

پين‌های خروجی ماژول سنسور HC-SR501 PIR

ماژول سنسور HC-SR501 PIR دارای سه پين خروجی به شكل زير است:

پین VCC پين تغذيه الكتريكی سنسور است كه پين 5 ولت آردوينو را به آن وصل می‌كنيم.

پين خروجی دارای منطق 3.3 ولتی TTL است. منطق Low نشان دهنده عدم آشكارسازی حركت و منطق High بيانگر آشكارسازی حركت توسط سنسور خواهد بود.

پين GND پینی است که به زمين آردوينو متصل می‌شود.

استفاده از ماژول سنسور HC-SR501 PIR به عنوان يک واحد مستقل

يكی از دلايل اصلی گسترش كاربرد ماژول سنسور HC-SR501 PIR اين است كه اين سنسور دارای انعطاف كاری بسيار بالايی است و می‌توان آن را به عنوان يک واحد مستقل و متكی بخود بكار گرفت. البته با اتصال اين سنسور به ميكروكنترلرهايی نظير آردوينو می‌توان قابليت‌ها و كارايی آن را افزايش داد.

به عنوان مثال اول، ما اين سنسور را بصورت مستقل (بدون اتصال به آردوينو) مورد استفاده قرار مي‌دهيم.

سيم کشی اين آزمايش بسيار ساده است. دو سر باتری‌ها به پين‌های VCC و GND سنسور متصل می‌شوند. با استفاده از يک مقاومت 220 اهمی يک لامپ LED كوچک را به پين خروجی سنسور وصل می‌كنيم. با این کار مدار تكميل می‌شود.

پس از این هر زمان كه حركتی توسط سنسور PIR تشخيص داده شود، خروجی پین high می شود و لامپ LED روشن خواهد شد.

لازم به ذكر است كه پس از اعمال تغذيه الكتريكی، اين سنسور به مدت زمانی در حدود 30 تا 60 ثانيه برای سازگاری با سطح انرژی تشعشعات مادون قرمز محيط نياز دارد. در طی اين مدت، لامپ LED متصل به پين خروجی سنسور ممكن است چندين بار چشمک بزند. بايد منتظر خاموش شدن كامل لامپ LED باقی بمانيم و سپس با حركت دست در مقابل سنسور می توانیم روشن شدن LED را مشاهده کنیم.

سیم کشی – راه اندازی ماژول سنسور HC-SR501 PIR با آردوینو

پس از اطلاعاتی که تا به اینجا کسب کردید، زمان راه اندازی ماژول سنسور HC-SR501 PIR با آردوینو است. برای آغاز این کار به وسایل زیر نیاز خواهید داشت که می توانید از طریق لینک های زیر تهیه کنید:

• خرید ماژول سنسور PIR
• خرید براکت نگه دارنده سنسور PIR
• خرید ماژول آردوینو
• خرید مینی برد بورد 400 سوراخ
• خرید سیم برد بوردی 60 تایی
• خرید کابل USB تایپ B
• خرید آداپتور 5 ولت دیواری

اتصال PIR به آردوينو بسيار ساده است. این سنسور به عنوان يک خروجی ديجيتال عمل می‌كند و تنها باید منتظر فعال و يا غير فعال شدن پين خروجی سنسور باقی بمانيم. سپس يک تغذيه 5 ولت به پين Vcc اعمال می‌كنيم و پين زمين سنسور را به زمين آردوينو و پين خروجی سنسور را به پين ديجيتال شماره 2 آردوينو متصل می‌كنيم.

جامپر ماژول سنسور HC-SR501 PIR را به صورت H ست می‌كنيم. همچنين زمان را روی 3 ثانيه تنظيم می‌كنيم كه برای اينكار پتانسيومتر تايم را تا آخرين حد ممكن، خلاف عقربه‌های ساعت می ‌چرخانيم. مقدار حساسيت را بر روی فاصله مورد نظر تنظيم می کنیم. در صورت عدم اطمينان، می‌توان میزان حساسيت را بر روی مقدار ميانی تنظيم كرد. اكنون می‌توانیم كد را بر روی آردوينو بارگذاری کنیم و راه اندازی ماژول سنسور HC-SR501 PIR را آغاز کنیم.

كد آردوينو:

كد برنامه آردوينو بسيار ساده است. این کد وضعیت LOW  یا HIGH بودن ورودی پین 2 را مشخص می کند:

int ledPin = 13;                // choose the pin for the LED
int inputPin = 8;               // choose the input pin (for PIR sensor)
int pirState = LOW;             // we start, assuming no motion detected
int val = 0;                    // variable for reading the pin status
 
void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);      // declare LED as output
  pinMode(inputPin, INPUT);     // declare sensor as input
 
  Serial.begin(9600);
}
 
void loop(){
  val = digitalRead(inputPin);  // read input value
  
  if (val == HIGH)	// check if the input is HIGH
  {            
    digitalWrite(ledPin, HIGH);  // turn LED ON
	
    if (pirState == LOW) 
	{
      Serial.println("Motion detected!");	// print on output change
      pirState = HIGH;
    }
  } 
  else 
  {
    digitalWrite(ledPin, LOW); // turn LED OFF
	
    if (pirState == HIGH)
	{
      Serial.println("Motion ended!");	// print on output change
      pirState = LOW;
    }
  }
}

در آخر، با هر بار آشکار شدن حرکت، پيامی همانند تصویر زیر بر روی سریال مانیتور ارسال می شود:

نكاتی كه پیش از بكارگيری سنسور HC-SR501 PIR بايد مد نظر قرار داد:

• مشابه اغلب سنسورهای PIR، ماژول HC-SR501 نيز پس از تغذیه شدن، برای سازگاری با سطح انرژی مادون قرمز محيط، به زمان نياز دارد. اين مدت زمان بين 30 تا 60 ثانيه می‌باشد.
• بعلاوه، پس از هر آشكارسازی، سنسور دارای يک دوره زمانی ريست در حدود 5 يا 6 ثانيه است كه طی اين مدت هيچ آشكارسازی انجام نمی‌دهد.

در زمان طراحی يک سيستم با استفاده از ماژول HC-SR501 لازم است اين تاخير‌ها در نظر گرفته شود.

با مطالعه این مقاله و داشتن دقت کافی، راه اندازی این سنسور برای شما آسان خواهد شد، اما اگر در حین کار باز هم به راهنمایی بیشتری نیاز داشتید، می توانید روی کمک ما حساب کنید و از طریق کامنت با ما در ارتباط باشید.