Датчик руху об’єктів

6
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМ. ІГОРЯ СІКОРСЬСКОГО
Приладобудівний факультет
Кафедра приладів і систем орієнтації і навігації
До захисту допущено
Завідувач кафедри
Н.І. Бурау
(підпис)
(ініціали, прізвище)
“ ”
20 р.
Дипломна робота
освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр
(назва ОКР) зі спеціальності 151 Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології
(код та назва напряму підготовки або спеціальності) на тему: Датчик руху об’єктів
Виконала: студентка 3 курсу, групи ПГ-п61
(шифр групи)
Афзель Сабіна Сохелівна
(прізвище, ім’я, по батькові)
(підпис)
Керівник доц, к.т.н Півторак Діана Олександрівна
(посада, науковий ступінь, вчене звання, прізвище та ініціали)
(підпис)
Рецензент доц, к.т.н. Маркіна Ольга Миколаївна
(посада, науковий ступінь, вчене звання, науковий ступінь, прізвище та ініціали)
(підпис)
Засвідчую, що у цій дипломній роботі немає запозичень з праць інших авторів без відповідних посилань.
Студент
(підпис)
Київ – 2019р.

7
ВІДОМІСТЬ ДИПЛОМНОЇ РОБОТИ
№ з/
п
Ф
о р
м ат
Позначення
Найменування
К
іл ьк
іс ть л
и ст
ів
Примітка
1
А4
Завдання на дипломний проект
1 2
А4
Дипломна робота
71 3
А1
Структурна схема приладу
1 4
А1
Принцип роботи приладу
1 5
А1
Ілюстрація приладу
1 6
А4
Анотація
2 7
А4
Рецензія
1 8
9
ПІБ
Підп.
Дата
Розробн.
Афзель С.С.
Відомість дипломного проекту
Лист
Листів
Керівн.
Півторак Д.О.
1 1
Н/контр.
НТУУ
КПІ
Каф.
ПСОН
Гр ПГп-61
Зав.каф.
Бурау Н.І.

8
АНОТАЦІЯ
У даній дипломній роботі було розроблено прилад – комбінований датчик руху, шляхом поєднання ултразвукового датчика та інфрачервоного.
В першому розділі дипломної роботи були розглянуті різні типи датчиків руху: контактні, інфрачервоні, ультразвукові, мікрохвильові, радіохвильові та комбіновані. Наведено їх принципові схеми роботи, визначено недоліки та переваги, також розглянуто особливості конструкцій та монтажу.
У другому розділі була розроблена структурна схема приладу, розглянуто та проведено порівняння елементів конструкції комбінованого датчика: датчиків руху, мікроконтролерів та плат. Було обрано типи та моделі датчиків: ультразвуковий HC-SR04 та інфрачервоний HC-SR501, обрано мікроконтроллер Arduino та вид плати Arduino Nano. Також у другому розділі було розроблено програмний код у програмному середовищі Arduino IDE для приладу та наведено схему підключення елементів. В останньому підрозділі проектується корпус комбінованого датчика.
Ключові слова: Arduino, Arduino IDE, Arduino Nano, ультразвуковий датчик, ультразвуковий далекомір, інфрачервоний датчик, піроелектричний датчик, датчик руху, комбінований датчик руху, розробка приладу.

9
ABSTRACT
In this diploma a device - a combined motion sensor - was develope by combining an ultrasonic sensor and an infrared sensor.
In the first section of the diploma various types of motion sensors were considered: contact, infrared, ultrasonic, microwave, radiowave and combined. The basic schemes of work are given, deficiencies and advantages are specified, features of designs and installation are also considered.
In the second section, a structural diagram of the device was developed and a comparison of the elements of the design of the combined sensor was given: motion sensors, microcontrollers and boards was made. Ultrasonic HC-SR04 and infrared
HC-SR501, Arduino microcontroller and Arduin Nan board type were chosen as models of sensors. Also, in the second section, the software code in the Arduino
IDE software environment for the device was developed and the connection scheme for the items is shown. In the last unit the projector body of the combined sensor is projected.
Keywords: Arduino, Arduino IDE, Arduino Nano, ultrasound sensor, ultrasound range finder, infrared sensor, pyroelectric sensor, motion sensor, combined motion sensor, device development.

10
ЗМІСТ
ВСТУП…………………………………………………………………………..…8
РОЗДІЛ 1.Основна частина………………………………………………………9 1.1. Класифікація датчиків руху…………………………………………………9 1.1.1. Інфрачервоний датчик руху………………………………………......12 1.1.2. Ультразвуковий датчик руху…………………………………………14 1.1.3. Радіохвильовий датчик руху……………………………………….…17 1.1.4. Мікрохвильовий датчик руху…………………………………….......20 1.1.5. Комбінований датчик руху…………………………………………...23 1.1.6. Порівняльний аналіз датчиків руху………………………………….27 1.1.7. Висновки до розділу 1………………………………………………...29
РОЗДІЛ 2. Вибір елементної бази та проектування комбінованого датчика руху…………………………………………………....30 2.1. Розробка структурної схеми комбінованого датчику…………..……...30 2.2. Вибір елементної бази комбінованого датчика руху…………….…......31 2.2.1. Вибір датчиків руху…………………………………………..…...33 2.2.2. Вибір мікроконтролера ……………………………………...........34 2.2.3. Вибір плати Arduino ………………………………………............34 2.3. Характеристики елементів комбінованого датчика…………………….35 2.3.1. Огляд програмного середовища Arduino IDE 1.6.4……………....35 2.3.2. Огляд піроелектричного датчика HC-SR501………………….….39 2.3.3. Огляд ультразвукового далекоміра HC-SR04……………….……42 2.3.4. Огляд мікроконтролера Arduino Nano……………………………45 2.4. Проектування комбінованого датчика руху………………………....…..48 2.4.1. Розробка програмного коду приладу……….…………………….48 2.4.2. Розробка корпусу комбінованого датчику руху………………….53 2.4.3. Висновки до розділу 2……………………………………………..57
ВИСНОВКИ………..………….…………………………………………………59
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ…………………………….……..60

12
ВСТУП
Датчики руху знайшли використання у різних системах. У системах охорони, для виявлення проникнення на територію сторонніх осіб. Також вони використовуються для автоматизації систем освітлення, що дозволяє скоротити витрати на електроенергію. Аналізуючи дані про датчики руху, можна сказати, що вони будуть використовуватись активніше в наступні кілька років, особливо у країнах Європи.
Датчики руху можуть контролювати визначений об’єм усередині приміщення, або зовні, на вулиці. Функціонування датчика руху базується на деяких принципах фізики. В залежності від конструкції датчики руху можуть реагувати на температура, звук, масу, вібрацію або магнітне поле.
Основна мета даних приладів, в охоронній системі – повідомлення про дії, відповідно до програми, яка заздалегідь встановлюється на пристрій, на спеціальний пристрій керування.
На сьогодні, в сучасних житлових будинках або у виробничих спорудах, підприємствах не можливо уявити систему безпеки без наявності у ній датчиків руху. Їх використання на закінчується на створенні безпечних умов для життя. Датчики руху активно використовують у системах освітлення, для управління штучного світла, що не тільки підвищує комфортність життя, а також є економічним та енергетично вигідним. Також нерідко датчики руху можна зустріти на виробництвах для автоматизації процесу виконання технологічних задач.

13
РОЗДІЛ 1.ОСНОВНА ЧАСТИНА
1.1. Класифікація датчиків руху
Датчик руху - це пристрій для отримання інформації про стан контрольованої ним системи, що обробляє дані про зміну характеристик досліджуваної області в сигнал, зручний для подальшого використання.
Функції, які виконують датчики руху[1]:

Виявлення рухів людини на визначеній території;

Повідомлення про пошкодження віконних та балконних конструкцій;

Повідомлення про спроби проникнення;
Принцип роботи датчиків руку полягає у наступному;

У конструкції приладу розміщується датчик, який реагує на тепло людини, після чого спрацьовує визначена заздалегідь система сповіщення;

На території, що контролюється датчиком, при виявленні рухів людини, здійснюється замикання силового ланцюга;

Виконання контрольних функцій в місці установки без перерви, виявляючи сторонній об’єкт – основний принцип роботи датчиків руху;

У площі роботи охоплюваній датчиком, теплове поле змінюється при виявленні достатнього за масою об’єкта;

Для спрацювання датчиків необхідно, щоб об’єкт був у стані руху.

За допомогою датчиків проводиться управління електронними приладами – системою освітлення, роботою техніки, системою охорони та ін.
На усіх датчиках руху регулюються наступні налаштування:

Проміжок часу відключення.

Освітленість, для регулювання роботи датчика у різний період.

Поріг чутливості, чим вища чутливість, тим швидше буду спрацьовувати прилад.

14
Найбільш використовуваними датчиками є [1]:

ультразвукові (УЗ);

інфрачервоні (ІЧ);

мікрохвильові (СВЧ);

комбіновані;

контактні датчики

лазерні датчики, фотодатчики
Датчики руху розрізняють за принципом дії. Від цього залежить їх робота, точність спрацювання та особливості використання. У кожного з них
є сильні та слабкі сторони. Від конструкції і виду датчика напряму залежить його кінцева вартість [1].
Інфрачервоні датчики руху
спрацьовують від теплового випромінювання, реагують на зміну температури у спектрі його роботи. Коли людина потрапляє у поле зору такого датчика, він спрацьовує на теплове випромінення тіла людини.
Ультразвукові датчики руху слідкують за об’єктами за допомогою хвиль ультразвуку. Датчик спрацьовує при пересуванні людей у зоні його контролю.
Їх встановлюють в системах, що здійснюють контроль за сліпими зонами. У житлових приміщення найчастіше використовуються на сходах.
Конструкція мікрохвильового датчика рухуподібно до попередніх.
Датчик складається з випромінювача та приймача. Випромінювач генерує сигнал з високими частотами, а приймач, відповідно їх приймає. Коли людина проходить повз датчика, то частота змінюється. Приймач працює таким чином, при зміні частоти, сигнал посилюється і передається на виконавчий прилад, наприклад, реле і відбувається увімкнення навантаження [1].
Комбіновані датчики руху створюються за рахунок поєднання двох типів датчиків, наприклад, шляхом поєднання інфрачервоного та ультразвукового датчика, або мікрохвильового та ультразвукового. Основною метою такого поєднання є підвищення точності спрацьовування, оскільки

15 обидва датчики маю то свої переваги та недоліки, а таким чином, переваги поєднуються, а недоліки компенсуються. Що робить комбіновані датчики привабливими для користувачів [1].
Конструкція лазерного датчику та фотодатчику руху виглядає наступним чином: є випромінювач, наприклад, інфрачервоний світлодіод і приймач - фотодіод аналогічного спектру. Це дуже простий датчик і реалізація може бути у 2 варіантах. Перший варіант - випромінювач і приймач монтується у контрольованій зоні, навпроти один одного. Коли приймач перекривається і випромінювання на нього не потрапляє, тоді спрацьовує датчик і вмикається реле. Такий принцип роботи можна використовувати у сигналізаціях.
У другому способі випромінювач і фотодіод встановлюють поряд, коли людина знаходиться у зоні, яка охоплюється датчиком, випромінювання відбивається від неї і потрапляє на фотодіод. Такий датчик має назву - датчик перешкод [1].
Найпростіший тип контактного датчика руху, це використання кінцевого вимикача чи геркона. Геркон (герметичий контакт) – перемикач, який спрацьовує, коли з’являється магнітне поле. При встановленні геркона або кінцевого вимикача з нормально-розімкнутими контактами, наприклад, на двері, то коли ви її відкриєте і увійдете у приміщення, то контакти замкнуться та увімкнуть реле, а воно увімкне світло [2].
На сьогоднішній день використання датчики руху знайшли застосування у багатьох сферах, але найбільш використовуються в охоронних та світлових системах.
Для охоронних систем використовуються усі типи датчиків руху в залежності від потреб. Якщо це житлове приміщення, то більш за все використовуються інфрачервоні датчики. Вони мають невисоку ціну та достатню точність. Якщо необхідна підвищена безпека, то використовуються

16 комбіновані датчики та мікрохвильові. В складських приміщеннях, великої площі використовуються мікрохвильові датчики [2].
1.1.1. Інфрачервоний датчик руху
Інфрачервоний датчик руху - це електронний пристрій із здатністю реагувати на зміну інтенсивності фонового теплового випромінювання в зоні його дії. Тепловим випромінюванням наділені всі об’єкти, не тільки людина.
При переміщенні об’єкту достатнього розміру з достатньою швидкістю, через робочу зону інфрачервоного датчика, то відбувається спрацьовування та датчик передає сигнал на електронну схему керування для виконання наступних попередньо визначених дій, визначеними пристроями. Пристроєм може бути вимикач або регулятор освітлення приміщення або охоронна сигналізація та інше [1]. Схему роботи інфрачервоного датчика наведено на рисунку 1.1. [2].
Рис.1.1. Схема роботи інфрачервоного датчика руху
Датчики даного типу можуть знайти використання у різних системах для різних цілей автоматизації, як у житлових будинках, так і на виробничих та

17 будь-яких підприємствах та об’єктах. По області використання інфрачервоних датчиків немає обмежень.
В основі конструкції інфрачервоного датчика лежать піроприймачі, що служать для розпізнавання інфрачервоного випромінювання та мультилінза, яка складається з множини маленьких лінз. Кожна мікролінза працює зі своїм сегментом та охоплює свою власну частину об’єму робочого середовища,
Звідси випливає що чим більше сегментів знаходиться у мультилінзи тим чутливішим буде датчик [2].
В конструкції інфрачервоного датчика використовуються здвоєні або навіть дві пари здвоєних піроелементів, це робиться для того щоб спрацювання приладу було більш точним, для того щоб виключити хибні спрацювання включаючи світові перешкоди які викликаються зміною температури фону [2].
При використанні двох пар здвоєних піроелемнтів повністю виключаються можливості хибних спрацювань. Такі конструкції в останніх моделях інфрачервоних датчиків [2].
При встановленні
інфрачервоного датчика руху необхідно дотримуватися певних правил. По-перше на датчик не повинен потрапляти прямий потік світла від лампи або від іншого джерела, при такому освітленні правильна робота приладу неможлива. По-друге у зоні контролю датчика не повинно бути ніяких перешкод, зайвих предметів, наприклад: люстри, колони, високі елементи декору, високі меблі та інші об’єкти ,що можуть перешкоджати роботі пристрою. Перешкоди, які виконані зі скла також будуть заважати нормальній роботі інфрачервоного датчику, оскільки інфрачервоне світло не проходить через скло. Якщо так трапилося, що знаходиться предмет, що заважає, який потрапив у зону дії датчика то, це може створити сліпу зону у якій не буде фіксуватися приміщення об’єктів, оскільки інфрачервоне світло, елементарно не потрапить на лінзу датчика.

18
Головною характеристикою інфрачервоного датчика руху, є його радіус виявлення людини, яка знаходиться у стані руху. Радіус переміщення об’єкту повинен обов’язково до стягати до куті приміщення, а якщо навпаки то у приміщенні необхідно буде встановити два або три таких датчика [2-3].
Кожен інфрачервоний датчик наділений власною круговою діаграмою виявлення та у випадку, якщо однієї такої діаграми недостатньо для перекриття всього простору, то необхідно встановити декілька датчиків, щоб
їх діаграми виявлення перекривали один одну, це забезпечить якість системи безпеки та автоматизації в цілому.
Інфрачервоні датчики можуть бути абсолютно різних видів.
Найпростіші з них реагують тільки на переміщення, але існують датчики більш функціональні, з розширеними властивостями та можливостями.
Наприклад є такі моделі ІС датчиків, які можуть спостерігати за освітленням, якщо люди присутня у зоні охоплення. Датчик може вимикати або вмикати штучне освітлення, коли природного освітлення від вікон достатньо або навпаки [2].
1.1.2. Ультразвуковий датчик руху
Ультразвуковий датчик (УЗ) знайшов використання у різних системах: системах безпеки, охоронних системах та системах освітлення. Він виявляє рухи за допомогою ультразвукових хвиль. Ультразвуковий датчик працює за будь-яких погодних умов.
Даний прилад має змогу працювати, як всередині приміщення так і зовні.
Він виявляє об’єкт за допомогою аналізу відбиття хвилі ультразвуку[3].
Ультразвукові датчики руху поділяються на такі види [3]:

настінні внутрішні;

настінні зовнішні;

стельові;

кутові;

19
Перераховані типи датчиків відрізняється по типу монтажу. При виборі такого приладу необхідно заздалегідь визначити місце встановлення датчика.
Якщо датчик планується встановлюватися для контролю зовнішнього середовища, то для такого підійдуть настінні зовнішні моделі. А якщо для внутрішнього використання, то необхідно використовувати стельові або кутові прилади. Схема роботи ультразвукового датчика відображена на рисунку 1.2. [3].
Рис.1.2. Схема роботи ультразвукового датчика руху
Також датчики класифікуються за своєю конструкцією. Вуличні моделі виготовляються у захисному корпусі, який буде захищати прилад від погодних явищ і можливих фізичних впливів. Захисний корпус запобігатиме потраплянню на схемотехніку пилу та вологи. У житлових приміщеннях встановлюють побутові прилади, вони не мають високої степені захисту тому, що в ній немає потреби [3].
Ультразвукові датчики включають у себе генератор звукових хвиль, які працюють на частотах від 20 до 60 кГц. Генератор випромінює ультразвукові

20 хвилі, які при виявленні об’єкту відбуваються від нього та повертається на приймач датчика. При виявленні руху об’єкта частина відбитої хвилі змінюється, що приймач розпізнає та подає сигнал сповіщення про порушення на керуючий пристрій [3].
Конструктивні особливості ультразвукових датчиків полягають в тому, щокорпус приладу виконаний з високоякісного пластику або металу.
Матеріал залежить від призначення використання датчику. Також у конструкції передбачений захист лінзи від механічних пошкоджень. В такому випадку використовується міцне гартоване скло. Такі характеристики залежить від виробника та призначення приводу. Монтаж конструкції частіше виконується на кронштейн що входить у комплектацію [4].
Датчик реагує на переміщення та передає інформацію про це на реле.
Реле може бути підлягати регулюванню, яка піддається налаштуванням вручну. Можна задати термін при закінченні якого буде відбуватися необхідне спрацьовування датчика.
Безпровідні моделі ультразвукових датчиків оснащені автоматикою, яка виконує контроль за територією охоплення без втручання людини. Такі датчики працюють без підключення до мережі.
Дуже важливо виконати налаштування датчика правильно. Якщо допустити помилку, то він буде реагувати навіть на незначні переміщення та викликати хибні спрацьовування. Також при неправильному врегулюванні датчик може спрацьовувати на порив вітру або приближена я до приміщення тварини. По такими причепи необхідно дотримувалися інструкцій при налаштуванні або викликати спеціаліста [4].
При розміщенні ультразвукових датчиків руху дуже важливо, щоб вони не потрапляли під потоки світла ламп, а на їх шляху не траплялися перешкоди.
Не можна встановлювати в радіусі дії масивні предмети, вони можуть заважати при огляді зони контролю. Опалювальні прилади, такі, як каміни, кондиціонери та ін. можуть впливати на роботу датчика, оскільки нагрітому

21 повітрю притаманні коливання, що може сприйматися за рух об’єкта і викликати порушення безпеки[4].
Якщо датчики встановлюються на вулиці, необхідно заздалегідь зробити план території, накреслити зони роботи пристрою. На шляху датчика немає бути інших споруд та будівель, дерев та яскравих пристроїв направлених на нього.
Основні переваги:

Достатньо висока точність;

Функціональність;

Працює за будь-яких погодних умов;

Комфортність у використанні;

Економічні;

Доступна ціна;
Недоліки:

Складність монтажу;

Можуть викликати дискомфорт у домашніх тварин;

Можливість хибних спрацювань;