Внешний вид пироэлектрического датчика движения изображен на
рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 - Общий вид датчика движения
Датчик движения фактически разделен на две части. Две части датчика
установлены таким образом, что если одна половина улавливает больший
уровень излучения, чем другая, выходной сигнал будет генерировать
значение high или low.
Сам модуль, на котором установлен датчик движения, состоит из одной
электрической обвязки: предохранители, резисторы и конденсаторы. В
большинстве недорогих ПИР-датчиках используются недорогие чипы
BISS0001.
Одна из базовых моделей пироэлектрических датчиков выглядит
показан на рис. 2.6.
Рисунок 2.6 - Вид пироэлектрического датчика
ПИР датчики отлично подходят для проектов, в которых необходимо
определять мнимость или отсутствие человека в пределах определенного
рабочего пространства. Кроме перечисленных выше преимуществ подобных
датчиков, они имеют большую зону чувствительности [10].
Схематично принцип работы ПИР показано на рисунке 2.7.
Рисунок 2.7 - Принцип работы пироэлектрического датчика
Чувствительные элементы ПИР датчика устанавливается в
металлический герметичный корпус, который защищает от шумов, перепадов
температур и влажности [24]. Конструкция и внутренняя схема датчика
показана на рисунках 2.8 и 2.8 соответственно.
Рисунок 2.8 - Конструкция пироэлектрического датчика
Рисунок 2.9 - Внутренняя схема подключения датчика Модуль имеет два
режима работы:
1. Режим H - в этом режиме при срабатывании датчика несколько раз подряд
на его выходе (на OUT) остается высший уровень.
2. Режим L - в этом режиме на выходе при срабатывании датчика появляется
отдельный импульс.
На датчике установлено несколько органов управления и настройки.
Установлены клеммы для переключения режимов работы. Обозначение
клемм: L, MD, H. Также на плате есть два подстроечные резисторы: одним
(Sx) регулируется чувствительность (от 3 до 7 м), другим устанавливается
время, в течение которого при обнаружении движения на OUT будет
логическая единица от 5 до 300 сек).
Инфракрасные датчики движения практически одинаковы по своей
структуре. Основные отличия – чувствительность, которая зависит от
качества чувствительных элементов [16]. При этом роль играет оптика.
На рисунке 2.17 приведен пример линзы из пластика. В большинстве
ПИР датчиков используются линзы Френеля. Линзы Френеля концентрируют
излучение, значительно расширяя диапазон чувствительности пиродатчиков.
Принцип действия линзы Френеля показано на рисунке 2.10.
Рисунок 2.10 - Линза Френеля
Для обеспечения достаточного количества зон чувствительности линза
разделяется на несколько секций, кожная представляет собой отдельную
линзу Френеля [21].
Рисунок 2.11 - Внешний вид линзы Френеля
На рисунке 2.11 показаны отдельные секции - линзы Френеля.
В результате формируется целый набор чувствительных участков,
которые взаимодействуют между собой (рис. 2.12).
Рисунок 2.12 - Чувствительные части Линзы
Инфракрасный датчик движения HC-SR501 имеет один 3-х контактный
штыревой интерфейс для подключения к МК [30].
Контакты:
OUT (выходной сигнал) для обмена данными между датчиком и
микроконтроллером;
VCC - напряжение питания;
GND - общий контакт.
Схема подключения пироэлектрического датчика движения к Arduino
показана на рисунке 2.13.
Рисунок 2.13 - Схема включения датчика движения
Питание датчика осуществляется или от Arduino контроллера.
Напряжение питания датчика 4,5 - 20. Как аналог можно использовать
ультразвуковой датчик движения HC-SR04.
Фоторезисторы дают возможность определять интенсивность
освещения. Они маленькие и недорогие, требуют мало энергии, легки в
использовании, практически не подвержены износу. Именно поэтому они
часто используются в игрушках, гаджетах и устройствах.
Для данной схемы был выбран фоторезистор GL5516. Схематическое
изображение и габаритные размеры которого представлены на рисунке 2.14.
Рис 2.14 - Габаритные размеры фоторезистора GL5516
В таблице 2.1 приведены параметры фоторезистора GL5516.
Таблица 2.1 - Параметры фоторезистора GL5516
Тип
радиоэлемента
Диапазон
номинальных
значений,
Ом
Мощность,
Вт
Максимально
допустимое
напряжение,
Вт
Диапазон
рабочих
температур, С
GL551
6
6 ∙10
-4 -
1 ∙10
-4
90 150 -30 …+ 70
В качестве активного элемента, на котором рассеивается часть энергии,
использовано транзистор КТ503Д с n-p-n переходом. Также в схеме
использован р-n-p транзистор КТ825Г. Оба транзистора размещены в корпусе
SOT-23. Общий вид корпуса SOT-23 показан на рис 2.16
Рисунок 2.16 - Общий вид корпуса SOT-23
Параметры транзистора КТ503Д наведет в таблице 2.2.
Таблица 2.2 - Параметры транзистора КТ503Д
Наименование Ukbo(i)
В
Ukeo(i)
В
Ikmax(i)
мА
Pkmax
Вт
h21e Ikbo
мкА
Fгр
МГц
тип
КТ503Д 80 60 150
(300)
0,35 40-
120
≤ 1 ≥
350
n-p-
n
где Ukb сборы-максимально долбимое напряжение коллектор-база;
Ukb(i) – максимальное допустимое импульсное напряжение коллектор-
база;
Ukeo - максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер;
Ukeo(i) - максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-
эмиттер;
Ikmax - максимально допустимый постоянный ток коллектора;
Ikmax(i) - максимально допустимый импульсный ток коллектора;
Pkmax максимально допустимая постоянная рассеивающую мощность
без теплоотвода;
Pkmax(t) - максимально допустимая постоянная рассеивающую
мощность коллектора с теплоотводом;
h21e - статический коэффициент передачи тока биполярного
транзистора в схеме с совместным эмиттером;
Ikbo - обратный ток коллектора;
fгр - предельная частота коэффициента передачи тока в схеме с
совместным эмиттером.
Транзистор КТ825Г имеет параметры представленные в таблице 2.3.
Таблица 2.3 - Параметры транзистора КТ825Г
Наименовани
е
Ukbo(i)
В
Ukeo(i)
В
Ikmax(i)
мА
Pkmax
Вт
h21e Ikbo
мкА
Fгр
МГц
тип
КТ825Г 10 70 20 125 750 ≤ 10 ≥ 4 n-p-n
В качестве транзистора с обратным диодом использован IRF9530NS.
Общий вид и габаритные размеры которого представлены на рисунке 2.17.
Рисунок 2.17 - Габаритные размеры транзистора IRF9530NS
В таблице 2.4 приведены параметры транзистора этой серии.
Таблица 2.4 - Параметры транзистора IRF9530NS
Наименовани
е
Uds, В Id,A Ugs, В Rdc, Ом Pd, Вт Тип
корпуса
IRF9530NS 100 14 ± 20 0,2 79 D2PAR
где, Uds - максимальное напряжение ток-утечка;
Id-максимальный ток-утечка при 25 °С;
Ugs - максимальное напряжение затвор-утечка;
Rdc - сопротивление канала в открытом состоянии;
Pd - максимальная рассеиваемая мощность.
Для реализации возможности присоединения к разрабатываемого блока
осветительных приборов были использованы клеммные колодки RC-0086,
которые имеют следующие характеристики:
номинальное напряжение: 300 В;
номинальный ток: 16 А;
корпус: РВТ.
Для подключения питания используется разъем pj003C.
2.3 Расчеты подтверждающие работоспособность прибора
Выбрав элементную базу, и проведя расчеты печатного монтажа,
необходимо произвести расчеты, подтверждающие работоспособность
проекта.
В ходе эксплуатации на устройство постоянно действуют различные
дестабилизирующие факторы, действие которых впоследствии может
негативно повлиять на работоспособность прибора, или вовсе привести его в
нерабочее состояние. Таким образом, необходимо рассчитать время
безотказной работы устройства и интенсивность отказов, что позволит
следить за корректной работой устройства и его функциональностью.
Далее производится расчет надежности схемы устройства по
случайным отказам. Расчет такого типа выполняется опираясь на схему
электрическую принципиальную, и учитывает не только интенсивность
отказов элементов всех типов, но и эксплуатационные условия.
Интенсивность отказов рассчитывается дальше по формуле [7].
где -выходная интенсивность отказов элемента;
N - количество коэффициентов;
Кn - коэффициент воздействия.
Также важной составляющей есть коэффициент, который учитывает условия
эксплуатации. Этот коэффициент будет иметь одинаковое значение для всех
элементов устройства:
К1= К1 ∙ К2 ∙ К3,
где К1= 16 - коэффициент условий использования наземной
аппаратуры;
К2= 1,2 - коэффициент, который учитывает показатели температуры и
влажности;
К3= 1,05 - коэффициент, характеризующий высоту.
Для конденсатора, используются в схеме коэффициент нагрузки будет:
КН = Umax/ Uдоп = 6,3/12 = 0,525.
Интенсивность отказов будет:
Поскольку резисторы, работающие в сигнальных кругах маломощны,
то коэффициент нагрузки будет в любом случае не более 0,1. Тогда
интенсивность отказов для этих резисторов:
Коэффициент нагрузки диодов рассчитывается, как отношение
максимального тока через него в схеме:
Максимальное значение мощности может рассеиваться на транзисторе
типа IRF9530NS и составляет 79 Вт, тогда коэффициент нагрузки будет иметь
значение:
Тогда, учитывая нагрузку и рабочую температуру, коэффициент Кр =
0,1, отсюда интенсивность отказов будет следующей: