Παθητικοί αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας – PIR

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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. 

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. 

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.

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. 

Πάμε να προσθέσουμε τον αισθητήρα στο Pictoblox

Θα συνεχίσουμε το προηγούμενο εργαστήριο στο οποίο χρησιμοποιήσαμε τον αισθητήρα υπερήχων και θα προσθέσουμε και τον αισθητήρα PIR.

Προσθέστε τον αισθητήρα υπερήχων στην κατασκευή του διαδρόμου όπως φαίνεται στις παρακάτω εικόνες.

Σύνδεση με το Arduino

Συνδέστε τον αισθητήρα PIR ώστε το VCC να πηγαίνει στο 5V, το GND στο GND και το OUT στην υποδοχή D7

Προγραμματισμός

Χρησιμοποιώντας το προηγούμενο πρόγραμμα, προσθέστε ένα νέο σενάριο στο οποίο ο χαρακτήρας σας θα ελέγχει αν ο αισθητήρας PIR στέλνει σήμα ότι εντόπισε κίνηση και θα μας το αναφέρει.

Πηγαίνοντας παραπέρα

Μπορούμε να μετατρέψουμε το πρόγραμμα και την κατασκευή μας έτσι ώστε αντί να μας ενημερώνει ο χαρακτήρας μας στο Pictoblox να ανάβουμε λαμπάκια;

Χρησιμοποιώντας την παρακάτω εικόνα ως οδηγό προσπαθήστε να φτιάξετε ένα κύκλωμα και ένα πρόγραμμα το οποίο θα ανάβει το πράσινο λαμπάκι όταν ο αισθητήρα PIR αντιληφθεί κίνηση και το μπλε λαμπάκι όταν ο αισθητήρα υπερήχων αντιληφτεί εμπόδιο σε απόσταση μικρότερη των 30 εκατοστών.