Παθητικοί αισθητήρες υπέρυθρων – PIR Sensors

Οι περισσότεροι χρησιμοποιούμε παθητικούς αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας καθημερινά.

  • Έχετε μπει σε τουαλέτες όπου δεν υπάρχουν διακόπτες για το φως και παρόλα αυτά τα φώτα ανοίγουν μόνα τους;
  • Έχετε πλησιάσει σε εισόδους σπιτιών όπου ως δια μαγείας το φως ανοίγει αυτόματα;
  • Έχετε μπει σε κατάστημα ή σούπερ μάρκετ όπου οι πόρτες ανοίγουν μόνες τους;

Σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις η ανθρώπινη παρουσία γίνεται αντιληπτή από παθητικούς αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας.

Ένας πιτσιρίκος ανακαλύπτει τους αισθητήρες PIR – Φωτογραφία από GIPHY

Τι είναι η υπέρυθρη ακτινοβολία;

Όλα τα αντικείμενα που έχουν θερμοκρασία μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδέν (περίπου -273 βαθμοί Κελσίου) εκπέμπουν θερμότητα σε μορφή ακτινοβολίας. Η ακτινοβολία αυτή δεν είναι ορατή από το ανθρώπινο μάτι, αλλά μπορεί να γίνει αντιληπτή από το δέρμα μας. Αν για παράδειγμα καθίσουμε κοντά σε μια σόμπα, ή σε ένα τζάκι μπορούμε να αισθανθούμε την ακτινοβολία η οποία μας ζεσταίνει.

Την ύπαρξη της υπέρυθρης ακτινοβολίας ανακάλυψε τυχαία το 1800 ο Γουίλιαμ Χέρσελ, ενώ εκτελούσε ένα πείραμα για να μετρήσει την θερμοκρασία των χρωμάτων στο φως. Χρησιμοποιώντας ένα πρίσμα, χώρισε τις ακτίνες του ήλιου στο χρωματικό φάσμα όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Όταν μια δέσμη φωτός διέρχεται μέσα από ένα πρίσμα, δημιουργεί χρωματική διασπορά. Από την Βικιπαίδεια

Ο Χέρσελ έβαλε διαφορετικά θερμόμετρα πάνω στις διαφορετικές αποχρώσεις του φάσματος και παρατήρησε ότι το κόκκινο χρώμα είναι το πιο ζεστό, ενώ το βιολετί το πιο κρύο. Ένα από τα θερμόμετρα το τοποθέτησε κατά λάθος λίγο πιο έξω από το κόκκινο χρώμα και τυχαία παρατήρησε πως είχε ακόμα πιο μεγάλη θερμοκρασία.

Τυχαία ο Χέρσελ αντιλαμβάνεται πως πρέπει να υπάρχει και μια αόρατη ακτινοβολία που γίνεται αντιληπτή ως θερμότητα. Από την σελίδα: https://phys.org/news/2012-09-webb-telescope-video-viewers-visible.html

Σήμερα πλέον γνωρίζουμε πως το ορατό φως είναι ένα μικρό μόνο μέρος του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Εκτός από αυτό, υπάρχει η υπέρυθρη ακτινοβολία η οποία γίνεται αντιληπτή ως θερμότητα, τα μικροκύματα, και τα ραδιοκύματα, τα οποία έχουν μικρότερη συχνότητα από το ορατό φως. Από την άλλη πλευρά, με μεγαλύτερες συχνότητες, είναι η υπεριώδης ακτινοβολία (είναι υπεύθυνη για τα εγκαύματα που παθαίνουμε το καλοκαίρι από την έκθεση στον ήλιο), οι ακτίνες X (οι οποίες χρησιμοποιούνται όταν βγάζουμε ακτινογραφίες) και οι ακτίνες Γ.

Το φάσμα του ορατού φωτός είναι ένα μικρό μέρος του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Από την Βικιπαίδεια.

Απεικονίζοντας την υπέρυθρη ακτινοβολία

Για την απεικόνιση της υπέρυθρης ακτινοβολίας, την οποία δεν μπορούμε να δούμε με γυμνό μάτι, χρησιμοποιούμε ειδικές κάμερες υπερύθρων. Οι κάμερες αυτές ξεκίνησαν να αναπτύσσονται από το 1929 για στρατιωτικούς σκοπούς. Έχουν έναν ειδικά σχεδιασμένο φακό, ο οποίος επιτρέπει στις υπέρυθρες ακτίνες να περνάν από μέσα του και να φτάνουν σε ένα πλέγμα αισθητήρων. Η απεικόνιση γίνεται είτε χρησιμοποιώντας αποχρώσεις του γκρι, είτε τα χρώματα του ορατού φάσματος, αντιστοιχίζοντας το κόκκινο στα πιο θερμά και το βιολετί στα πιο κρύα αντικείμενα.

Απεικόνιση της θερμοκρασίας που μεταδίδεται από το laptop στο σώμα του ανθρώπου
Απεικόνιση της θερμοκρασίας στο ίσιωμα των μαλλιών μιας γυναίκας
Το γυαλί μπλοκάρει τις υπέρυθρες ακτίνες

Αισθητήρες PIR

Οι παθητικοί αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας (Passive InfraRed sensors – PIR) είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς και έχουν και αρκετά οικονομικές υλοποιήσεις. Μια ιδιαίτερα δημοφιλής υλοποίηση είναι η μονάδα HC-SR501, η οποία κοστίζει περίπου 1,7 ευρώ σε ελληνικά καταστήματα και 0,8 ευρώ από το ebay (τιμές Δεκεμβρίου 2018).

Η μονάδα PIR Motion Detector HC-SR501

Ανατομία της μονάδας

Στη καρδιά της μονάδας βρίσκεται ένα ζεύγος αισθητήρων, οι οποίοι είναι φτιαγμένοι από υλικά τα οποία είναι ευαίσθητα στην υπέρυθρη ακτινοβολία, όπως Κοβάλτιο, Φθαλοκυανίνη, Νιτρίδιο γαλλίου κ.α. Οι δύο αυτοί αισθητήρες βρίσκονται κλεισμένοι ερμητικά μέσα σε ένα μεταλλικό κουτί, το οποίο έχει ένα παράθυρο από σιλικόνη και από το οποίο μπορεί να περάσει η υπέρυθρη ακτινοβολία. Το μεταλλικό κουτί είναι τοποθετημένο στην πλακέτα της μονάδας και καλύπτεται από ένα πλαστικό περίβλημα, το οποίο αποτελείται από αρκετούς φακούς Fresnel.

Κάτω από το πλαστικό περίβλημα με τους φακούς Frensel υπάρχει το μεταλλικό κουτί στο οποίο βρίσκονται οι δυο αισθητήρες.

Αρχή λειτουργίας του αισθητήρα

Οι αισθητήρες PIR λέγονται παθητικοί γιατί δεν εκπέμπουν κάποιο σήμα για να προχωρήσουν στην ανίχνευση της επιστροφής του, όπως συμβαίνει για παράδειγμα με τους αισθητήρες υπερήχων (στέλνουν υπερήχους και περιμένουν να τους λάβουν πίσω), ή τους αισθητήρες αποφυγής εμποδίων (στέλνουν υπέρυθρες ακτίνες και περιμένουν να τις λάβουν πίσω). Η φύση των υλικών από τα οποία αποτελούνται δημιουργεί μικρά ηλεκτρικά φορτία, όταν αυτά εκτίθενται σε υπέρυθρες ακτίνες. Συγκεκριμένα η υλοποίηση της μονάδας HC-SR501 έχει ως εξής:

  • Οι δυο αισθητήρες είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους με τέτοιον τρόπο, ώστε όταν ο ένας λαμβάνει διαφορετική ποσότητα υπέρυθρης ακτινοβολίας από τον άλλο, δημιουργούν έναν παλμό HIGH, τον οποίο στέλνουν από την έξοδο της μονάδας προς το Arduino, ή οποιοδήποτε άλλο υπολογιστή είναι συνδεδεμένος.
  • Έτσι όταν ο χώρος που εποπτεύει ο αισθητήρας παραμένει σταθερός και δεν υπάρχει κίνηση αντικειμένων που μεταδίδουν θερμότητα, δεν ανιχνεύονται διαφορές στην υπέρυθρη ακτινοβολία ανάμεσα στα δυο στοιχεία.
  • Όταν όμως κάποιο θερμό σώμα (πχ άνθρωπος ή ζώο) περάσει μπροστά από τον αισθητήρα, τότε θα δημιουργηθεί κάποια στιγμή μια διαφορά στην ποσότητα της υπέρυθρης ακτινοβολίας που ανιχνεύει το κάθε στοιχείο και ο αισθητήρας θα στείλει σήμα HIGH στην έξοδο του.
Ο γκρι τοίχος εκπέμπει σταθερά μια χαμηλή υπέρυθρη ακτινοβολία. Όταν κάποιος άνθρωπος περάσει από μπροστά δημιουργεί στιγμιαία διαφορές στις τιμές υπερύθρων που λαμβάνονται από τα δυο στοιχεία του αισθητήρα.

Η σημασία του πλαστικού περιβλήματος

Το πλαστικό περίβλημα που υπάρχει στην μονάδα και καλύπτει τη μεταλλική κατασκευή με τους αισθητήρες, είναι έτσι σχεδιασμένο ώστε να αυξάνει την εμβέλεια και την γωνία στην οποία μπορεί η μονάδα να ανιχνεύσει την κίνηση, από τις υπέρυθρες ακτίνες. 

Ο αισθητήρας HC-SR501 έχει ωφέλιμη γωνία ανίχνευσης περίπου 120 μοίρες και μπορεί να ανιχνεύσει κινήσεις σε απόσταση 7 μέτρων

Αν παρατηρήσουμε προσεκτικά το πλαστικό περίβλημα θα δούμε ότι σε κάθε πλευρά του υπάρχουν φακοί, που εστιάζουν τις υπέρυθρες ακτίνες πάνω στον αισθητήρα της μονάδας. 

Το πλαστικό περίβλημα του αισθητήρα. Φωτογραφία από Ardafruit

Οι φακοί αυτοί ονομάζονται Φρενέλ (Fresnel) από το όνομα του Γάλλου μηχανικού που τους σχεδίασε και κατασκεύασε την δεκαετία του 1820. Η βασική τους χρήση αρχικά ήταν στους φάρους, για να μεταδίδουν το φως σε μεγάλες αποστάσεις μέσα στην θάλασσα.

Ρύθμιση της μονάδας

Η μονάδα HC-SR501, στο κάτω μέρος της πλακέτας, διαθέτει δύο ποτενσιόμετρα, με τα οποία μπορούμε να ρυθμίσουμε την ευαισθησία του αισθητήρα (πόσο μακριά ανιχνεύει την κίνηση) και την διάρκεια κατά την οποία το σήμα θα παραμένει υψηλό (HIGH) όταν ανιχνεύεται κάποια κίνηση.

1: Ρύθμιση ευαισθησίας. Συχνά αναφέρεται ως Sensitivity ή Sx 2: Ρύθμιση χρονικής διάρκειας κατά την οποία το σήμα παραμένει HIGH κατά την ανίχνευση. Συχνά αναφέρεται ως Time ή Tx.

Σύνδεση του αισθητήρα στο Arduino

Η συνδεσμολογία του αισθητήρα με το Arduino είναι αρκετά απλή. Η μονάδα διαθέτει 3 pins.

  • Το pin VCC της μονάδας συνδέεται  στα 5V του Arduino
  • Το pin GND της μονάδας συνδέεται στην γείωση (GND) του Arduino
  • Το pin OUT της μονάδας συνδέεται σε κάποιο από τα digital pins του Arduino

Όταν ο αισθητήρας ανιχνεύσει κάποια κίνηση το pin OUT παράγει έναν παλμό HIGH, ενώ σε διαφορετική περίπτωση η έξοδος του είναι LOW. Στο παρακάτω σχέδιο έχω συνδέσει τον αισθητήρα στο digital pin 2 του Arduino, ενώ έχω προσθέσει και ένα led φωτάκι στο digital pin 13.

Το πρόγραμμα που χρησιμοποιώ είναι αρκετά απλό:

  • Διαβάζω διαρκώς την είσοδο στο digital pin 2 και
  • Αν είναι HIGH γράφω και στο digital pin 13 HIGH (για να ανάψω το led)
  • Αλλιώς αν είναι LOW γράφω στο digital pin 13 LOW (για να σβήσω το led)