2013年3月19日 星期二

[PIR] 簡易人體紅外線感應 (PIR) 模組測試電路

網頁最後修改時間:2016/10/24
人體紅外線感測 (PIR) 模組可至露天賣場訂購:

賣場中的人體紅外線感應 ( PIR ) 模組,它的規格中有幾個參數我們必須再深入了解一下,對於之後若是想做硬體線路的變更時,只要更換其中幾個電阻、電容或元件,就可以很方便的變換硬體規格,不但對於 PIR 模組線路有基本的了解,對於實際操作上可以知道硬體的極限在哪裡。下面這幾個參數規格將會在下面討論到:
  • 輸入電壓           :DC 3.3V - 24V (max)
  • 高的輸入電壓代表降壓晶片會有較大的溫昇

  • 觸發後輸出電壓:3.3V,可直接接在樹莓派做為輸入
  • High / Low level signal: 3.3V TTL output

  • 延遲時間  (Tx)  :2.45 秒 ~ 248.21 秒 @ R13 (10K, 103), R_DELAYTIME(1M, 105), C11(0.01uF, 103)
  • 感應之後輸出維持的時間,此延遲時間由可變電阻 (R_DELAYTIME) 調整。

  • 封鎖時間  (Ti)   :2.4 秒 @ R12 (1M, 105), C12 (0.1u, 104)
  • 感應輸出結束之後,再次觸發必須等待的時間,稱做封鎖時間。


首先,先將線路圖給大家,請點擊下方線路圖並開啟在另一個網頁上做為對照。這圖面已經過修改以及更正,因此跟您手中拿到的 PIR 線路並不一定一樣,只適用於賣場所販售的 PIR 模組。不過除了線路,下面說明的東西觀念上都是一樣的,稍做數字上的修改就可以了。
人體紅外線感應 ( PIR ) 模組電路圖

PIR 模組輸入電壓與觸發後輸出電壓:

( 接下來說的都是指賣場中的 ) PIR 模組使用 7133-1 做為降壓晶片,將輸入電壓調低至 3.3 V 做為 BISS0001 ( PIR motion detector IC, PIR 動作偵測 IC ) 的輸入電壓

從 PIR 模組背面找到 7133-1,從 "7133-1 - Low Power LDO 資料手冊" 的 Page 2 Absolute Maximum Ratings, Supply Voltage -0.3V to 26V,知道 PIR 模組輸入電壓的極限值
7133-1 Low Power LDO 晶片位置

而在 Page3, Electrical Characteristics 資料表,可知建議輸入電壓最大到 24V;因為試過使用 3V3 電壓輸入能夠正常輸出電壓準位訊號,因此將 PIR 模組輸入電壓下限設為 3V3。這就表示 PIR 模組,不管是在輸入電壓的選擇 ( 3V3 or 5V0) 或是觸發訊號的接收,都可與樹莓派做很好的搭配。
7133-1, +3.3 Output Type - Electrical Characteristics
使用高電壓做為輸入時,請注意 PIR 模組的溫昇情況,避免損壞或降低使用壽命!

PIR 模組觸發訊號輸出與輸入電壓 (3V3) 有關,因而得知當感應輸出時,觸發訊號高低電壓準位訊號符合 3V3 TTL 輸出。


延遲時間 ( Tx ) 和封鎖時間 ( Ti ):

下面是 BISS0001 的接腳圖與說明
BISS0001 接腳名稱
BISS0001 接腳說明

延遲時間是由接在 P3 與 P4 的電阻和電容來決定,由於其中又裝設了可變電阻,因此可以調整;封鎖時間則是由接在 P5 與 P6 的電阻和電容來決定,是固定值。

延遲與封鎖時間與 PIR 模組感應後觸發模式有關係,而 PIR 模組可經由設置 Jumper 的位置做調整,出貨預設是在不可重複觸發的位置
PIR 模組觸發模式設定說明

下面是兩個觸發模式的波形圖,左邊的紅字是波形的描述 ( A、CDS 和 VO 是接腳名稱 )。不可重複觸發必須要在封鎖時間之後才能再次被觸發;而可重複觸發模式只要 PIR 模組有感應,就會一直維持備輸出的狀態
不可重複觸發模式波形圖
可重複觸發模式波形圖

請參考下面一部份的電路圖並對照英文版的 BISS0001 Page 1 的最下面說明,延遲時間 ( Tx ) 和封鎖時間 ( Ti )  的近似計算公式如下:

Tx ( min )24576 x ( R13 + R_DELAYTIME ) x C6 = 24576 x ( 10000 + 0 ) x ( 0.01 x 10-6 ) = 2.4576

Tx ( max ) ≅ 24576 x ( R13 + R_DELAYTIME ) x C6 = 24576 x ( 10000 + 1000000 ) x ( 0.01 x 10-6 ) = 248.2176 秒

所以可調整的延遲時間為 2.4576 秒至 248.2176 秒。

Ti24 x R12 x C12 = 24 x 1000000 x ( 0.1 x 10-6 ) = 2.4

因為 P5 與 P6 之間是使用固定電阻與電容,因此無法手動調整封鎖時間,若要修改請自行重新焊接適當的電阻以及電容。

上面計算中,R (電阻) 單位是 Ohm ( 歐姆 )、C ( 電容 ) 單位是 F (法拉 );電容值 103 ( 0.01 uF )、104 ( 0.1 uF ),電阻值 105 ( 1M = 1000,000 ),計算時要先做換算。
PIR 模組部分電路圖 - 延遲時間和封鎖時間

預設的 PIR 模組沒有裝設 CDS ( 光敏電阻 ),使用光敏電阻可以讓 PIR 模組的輸出只在環境暗到某一程度下才能作動,例如晚間
CDS ( 光敏電阻 ) 在 PIR 模組上的焊接位置

裝上 CDS 後,那要在多暗的環境下才能觸發 ? 查看電路圖中 BISS0001 P9 ( CDS ) 與之相接的 R3 與 CDS,PIR 模組與環境中亮度的關係就是由這兩個控制。

CDS 所接收到的光線越強,電阻越低;反之,就會越高。當 BISS0001 P9 接收到高準位時,PIR 模組就能在感應到人體時產生輸出訊號,由於輸入到 BISS0001 的電壓是 3V3,高準位的訊號必須大於 0.2 VDD 才會有作用,經由分壓的關係式,可以計算出大約的 CDS 數值

0.2 x 3.3 = ( 3.3 x CDS ) / ( 1000 + CDS ) 可得 CDS = 250 K 歐姆

CDS 所接收到的環境光線必須要使得其電阻值達到 250K 歐姆,PIR 模組才能正常作動;使用電錶配合環境光線的調整,就能知道測試時要調多暗,不然 PIR 模組做測試時會測不出任何結果的!
PIR 部分電路圖 - CDS

準備材料:
  • 1  pcs  x  [ 麵包板 ]

  • 1  pcs  x  [ 人體紅外線感應 ( PIR ) 模組 ]

  • 3  pcs  x  [ 杜邦線 (母對母) ]

  • 排針數根
  • 雙頭長排針 ( 2P x 1, 1P x 1 ) ,連接杜邦線到麵包板

  • 直流電源
  •  建議使用 5V 或是使用 3 顆乾電池取代

牽線:

PIR 模組簡易測試線路如下圖所示

請照著上圖佈線在麵包板上,完成後開電,必須等待至少 20 秒的穩定時間後,PIR 模組才能正常動作。這段時間內,PIR 模組會間隔性的輸出,所以紅色 LED 會有幾次的亮滅,屬正常動作。
人體紅外線感應 ( PIR ) 模組簡易測試線路

其他注意事項:
  • 溫度補償(可選擇,須自行再安裝):在夏天當環境溫度升高至30~32℃,探測距離稍變短,溫度補償可作一定的性能補償。

  • 應盡量避免燈光等乾擾源近距離直射模塊表面的透鏡,以免引進干擾信號產生誤動作。

  • 使用環境盡量避免流動的風,風也會對感應器造成干擾。

  • PIR 感應模組安裝建議

    LHi 778 採用雙探頭,探頭的窗口為長方形,探頭位於較長方向的兩端。

    當人體從左到右或從右到左走過時,紅外線光譜到達雙探頭的時間、距離有差值;差值越大,感應越靈敏。

    當人體從正面走向探頭,或從上到下或從下到上方向走過時,雙探頭檢測不到紅外線光譜距離的變化,無差值,因此感應不靈敏或不工作。

    所以安裝 PIR 模組時應使探頭的方向與人體活動最多的方向盡量相平行,保證人體經過時先後被探頭所感應。為了增加感應角度範圍,賣場 PIR 模組採用圓形透鏡,也使得探頭四面都感應,但左右兩側仍然比上下兩個方向感應範圍大、靈敏度強,安裝時仍須盡量按以上要求。


人體紅外線感應模組配合兩通道光隔離繼電器模組控制交流設備:

延用上面的電路,加上賣場的兩通道光隔離繼電器模組與交流 LED 燈,就可以實現門口燈的功能;若是只想在晚間才會開關燈的話,請焊接附在其中的 CDS ( 光敏電阻 ) 在 PIR 模組上。
使用 PIR 模組控制燈泡亮滅
照著上面的接線,利用麵包板做為 DC 電源的中繼站,其它的使用杜邦線座連接;最後燈泡部分要使用交流電,若無經驗請找有經驗的人幫您確認接線沒問題後才可開交流電開始做電路測試。

開啟 4.5 V 電源後,請等待 20 秒至 60 秒的時間,等 PIR 模組穩定。穩定之後就會看到繼電器的 IN1 的指示燈是亮起的,但 LED 燈是熄滅的。由於繼電器是低態動作,因此為了讓 PIR 輸出( 高準位 ) 時 LED 燈才開啟,因此 LED 燈是接到繼電器的 K1-NC 與 K1-COM 兩個接點,也就是像下圖一樣,繼電器上 IN1 的指示燈熄滅時,LED 燈就會亮起。
實際接線圖
以上就是人體紅外線感應 ( PIR ) 模組的使用方法與簡易實用電路的說明。接下來,若是將上述電路用到樹莓派上,妳會怎麼做 ? 或是做出什麼變化呢 ?


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<< 網頁相關資料下載連結 >>
  • 7133-1 - Low Power LDO 資料手冊 ( PDF )
  • PIR 模組降壓 IC,轉換輸入電壓為 3.3V 的晶片。3.3V 電壓是提供給 BISS0001 晶片用的

  • BISS0001 - Mrcro Power PIR Motion Detector IC ( 中文PDF英文PDF )
  • PIR 模組控制 IC資料手冊。兩份文件(中英文),其中以英文資料手冊說明最詳細;中文文件所使用的 IC 接腳定義,使用於部落格文章中

  • LHi778 - Pyroelectric Infrared Detector, Dual Element Detector ( PDF )
  • PIR 模組感測頭 LHi778 的資料手冊

3 則留言:

  1. 請問一下有辦法將延遲時間Tx調成比預設值還要小嗎? (小於2.4576秒)

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  2. 您好:

    請參考這網頁中的這張電路圖"PIR 模組部分電路圖 - 延遲時間和封鎖時間"以及上方的說明公式:
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    延遲時間 ( Tx ) 的近似計算公式如下:

    Tx ( min ) ≅ 24576 x ( R13 + R_DELAYTIME ) x C6 = 24576 x ( 10000 + 0 ) x ( 0.01 x 10-6 ) = 2.4576 秒
    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
    由上面公式可以得知,改變 R13 電阻值或是 C6 電容值就可以改變 Tx 的時間。

    例如,將 R13 改為 5K Ohm 的祖值,原本的 Tx 最小可延遲時間就會由 2.4576 秒減少為 1.2288 秒。

    公式與說明都在網頁上,可自行再確認您所要的 Tx 延遲時間是多少,再選擇適當的阻、容值就可達到您要的 Tx 延遲時間。

    電路圖上面的電阻標號對應於此組 PIR 上面的標號,直接解焊在焊上新的電阻就可以了!

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  3. 您好,我有在露天拍賣留言
    我想做一個感測到人體就會發出警報的裝置,但我僅學過基本的電子學,對於樹莓派那些東西都不太了解,這樣可以做得出來嗎?
    若將LED燈改為蜂鳴器,直接參考您部落格裡面{[PIR]簡易人體紅外線感應 (PIR) 模組測試電路}的麵包板線路接法,是可行的嗎?
    另外想請問PIR是否能做到精度控制範圍?如果到夏天溫度高或是我拿一碗熱湯靠過去會不會也被觸發?

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