Датчики

1. LED

2. Инфракрасный датчик движения (PIR)

Датчики движения на основе пироэлектрического эффекта (PIR, passive infrared motion sensor) часто используются в охранных системах и в быту для обнаружения движения в помещении. Например, на принципе детектирования движения основано автоматическое включение света в подъезде.

Пироэлектрический сенсор позволяет фиксировать движение тёплых объектов: людей и животных. Подобные датчики используются на раздвижных дверях, открывающихся автоматически при приближении человека.

Выводом с сенсора является простой бинарный цифровой сигнал: пока движения нет сигнальный контакт установлен в логический ноль. Как только фиксируется движение, сигнальный контакт устанавливается в логическую единицу на небольшой промежуток времени.

1. Принцип работы пироэлектрических датчиков движения

Датчик движения - датчик в котором установлен пироэлектрический датчик. Сверху пироэлектрик окружен полусферой, разбитой на несколько сегментов. Каждый сегмент этой сферы представляет собой линзу, которая фокусирует тепловое излучение на разные участки ПИР-датчика. Часто в качестве линзы используют линзу Френеля.

Предположим, что датчик установлен в пустой комнате. Каждый чувствительный элемент получает постоянную дозу излучения, а значит и напряжение на них имеет постоянное значение (левый рисунок).

Как только в комнату заходит человек, он попадает сначала в зону обзора первого элемента, что приводит к появлению положительного электрического импульса на нем (центральный рисунок).

Человек движется, и его тепловое излучение через линзы попадает уже на второй PIR-элемент, который генерирует отрицательный импульс. Электронная схема датчика движения регистрирует эти разнонаправленные импульсы и делает выводы о том, что в поле зрения датчика попал человек. На выходе датчика генерируется положительный импульс (правый рисунок).

Вот несколько ситуаций и мест, где может пригодиться датчик движения:

• автоматическое включение света в подъезде дома, в ванной комнате и туалете, перед входной дверью в помещение;
• сигнализация в помещении и во дворе;
• автоматическое открывание дверей;
• автоматическое включение охранной видеокамеры.

2. Характеристики HC-SR501

• Напряжение питания: 3–5 В
• Потребляемый ток: 50 мкА
• Угол наблюдения: 110°
• Расстояние наблюдения: до 7м
• Габариты: 28×36 мм
• Вес: 25 г

Настройка HC-SR501

У датчика HC-SR501 имеется два переменных резистора и перемычка для настройки режима. Один из потенциометров регулирует чувствительность прибора. Чем она больше, тем дальше «видит» датчик. Также чувствительность влияет на размер детектируемого объекта. К примеру, можно исключить из срабатывания собаку или кошку.

Второй потенциометр регулирует время срабатывания T. Если датчик обнаружил движение, он генерирует на выходе положительный импульс длиной T.

Наконец, третий элемент управления — перемычка, которая переключает режим датчика. В положении L датчик ведет отсчет Т от самого первого срабатывания. Допустим, мы хотим управлять светом в ванной комнате. Зайдя в комнату, человек вызовет срабатывание датчика, и свет включится ровно на время Т. По окончании периода, сигнал на выходе вернется в исходное состояние, и датчик будет ждать следующего срабатывания.

В положении H датчик начинает отсчет времени T каждый раз после обнаружения движения. Другими словами, любое шевеление человека вызовет обнуление таймера отсчета Т. По-умолчанию, перемычка находится в состоянии H.

Источник

3. Зуммер (buzzer)

Зуммер (buzzer)

4. Тактовая кнопка

Тактовая кнопка

Выключатель — это прибор, который позволяет замыкать и размыкать электрическую цепь. При этом, смена состояния выключателя может происходить разными способами, в зависимости от типа устройства. Механические выключатели наиболее распространены, и используются непосредственно человеком. К такому типу относятся различные тумблеры, кнопки, клавиши и рубильники.

Тактовая кнопка — простой, всем известный механизм, замыкающий цепь пока есть давление на толкатель. На изображении снизу показаны ножки кнопки, стрелки одного цвета предназначены для подключения. Когда кнопка нажата, пины, изображенные синими стрелками, соединяются с пинами, изображенными красными стрелками.

Кнопки с 4 контактами стоит рассматривать, как 2 пары рельс, которые соединяются при нажатии.

---

Эффект дребезга

При замыкании и размыкании между пластинами кнопки возникают микроискры, провоцирующие до десятка переключений за несколько миллисекунд. Явление называется дребезгом (англ. bounce). Это нужно учитывать, если необходимо фиксировать «клики».

---

Схема подключения

Подключать кнопку напрямую крайне не рекомендуется из-за дребезга контактов.

Пока кнопка нажата, выходное напряжение Vout = Vcc, но пока она отпущена, Vout ≠ 0. Кнопка и провода в этом случае работают как антенна, и Vout будет «шуметь», принимая случайные значения «из воздуха». Пока соединения нет, необходимо дать резервный, слабый путь, делающий напряжение определённым. Для этого используют резистор.

---

Схема с подтягивающим резистором

• Есть нажатие: Vout = 0
• Нет нажатия: Vout = Vcc

---

Схема со стягивающим резистором

• Есть нажатие: Vout = Vcc
• Нет нажатия: Vout = 0

---

Источник

5. DHT22

Датчик температуры и влажности DHT22

6. HC-SR04

Ультразвуковой датчик расстояния

Ультразвуковой датчик расстояния (дальномер) - это устройство для измерения расстояния до некоторого предмета.

Диапазон измерений составляет HC-SR04: от 2 см до 400 см.

Принцип работы ультразвукового датчика HC-SR04 основан на измерении времени прохождения отраженного звука. То есть датчик отправляет звуковой сигнал в заданном направлении, затем ловит отраженное эхо и вычисляет время полета звука от датчика до препятствия и обратно.

Зная скорость распространения ультразвука в воздухе (примерно 340м/с) и время запаздывания между излученным и принятым сигналом, легко рассчитать расстояние до акустической преграды.

Технические характеристики HC-SR04

Напряжение питания	+5В – постоянный ток
Сила тока покоя	< 2 мА
Рабочая сила тока	15 мА
Эффективный рабочий угол	< 15°
Расстояние измерений	от 2 см до 400 см (1 – 13 дюймов)
Разрешающая способность	0.3 см
Угол измерений	30 градусов
Ширина импульса триггера	10 микросекунд
Размеры	45 мм x 20 мм x 15 мм

Пины:

VCC	+5 вольт (постоянный ток) -  положительный контакт питания
Trig	Триггер (INPUT) -  цифровой вход. Для запуска измерения необходимо подать на этот вход логическую единицу на 10 микросекунд. Следующее измерение рекомендуется выполнять не ранее чем через 50 мс.
Echo	Эхо (OUTPUT) -  цифровой выход. После завершения измерения, на этот выход будет подана логическая единица на время, пропорциональное расстоянию до объекта.
GND	Земля - отрицательный контакт питания

NB! Выходной сигнал датчика (ECHO) на HC-SR04 рассчитан на 5В. Однако входной  сигнал на GPIO рассчитан на 3,3 В. Отправка сигнала 5V на этот незащищенный входной порт 3.3V может повредить контакты GPIO! Нам нужно будет использовать небольшую цепь делителя напряжения, состоящую из двух резисторов, чтобы снизить выходное напряжение датчика до того, с которым может справиться Raspberry Pi.

Разделители напряжения. Разделитель напряжения состоит из двух резисторов (R1 и R2), последовательно соединенных с входным напряжением (Vin), который необходимо уменьшить до нашего выходного напряжения (Vout). В нашей схеме Vin будет ECHO, который должен быть уменьшен с 5V до Vout 3.3V. Следующая схема и простое уравнение могут применяться ко многим приложениям, где необходимо уменьшить напряжение.

Калькуляция

Необходимо создать импульс на Trig для начала измерения, и замерить длину импульса на Echo, чтобы потом вычислить дистанцию.

Так как время, затрачиваемое импульсом, на самом деле является движением  ультразвуковых сигналов туда и обратно, в то время как нам нужна только половина этого. Поэтому время берется время / 2.

Расстояние = Скорость * Время / 2

Скорость звука = 343 м / с или 34300 см / с.  Таким образом,

Расстояние = 17150 * Время (единица измерения)

Источник

7. SG-90

Сервопривод SG-90

Общее устройство и принцип работы

Логика работы сервопривода довольно проста. На вход подается управляющий ШИМ сигнал, который сравнивается с сигналом, генерируемым системой обратной связи. И если длительность импульса сигнала обратной связи оказывается короче длительности импульса ШИМ сигнала, то двигатель вращается в одном направлении, а если длиннее, то в противоположном. Если же импульсы сигналов совпадают, то двигатель остается неподвижным.

Важным моментом здесь является то, что длительность импульсов обратной связи регулируется встроенным потенциометром, положение вала которого устанавливается валом двигателя через зубчатую передачу: куда вал двигателя, туда и ручка потенциометра. Таким образом за любом движением вала двигателя последует изменение длины импульсов сигала обратной связи. Эта сцепка и образует обратную связь. Увидеть ее можно на схеме устройства серводвигателя выше.

Стоит отметить, что сам двигатель постоянного тока приводится в движение тоже импульсным сигналом. Длина импульса этого сигнала есть разность длины импульса входного ШИМ сигнала и импульса обратной связи. Отсюда становится вполне очевидно, почему двигатель остается неподвижным, когда длины импульсов равны. Однако на практике, по причине плохого качества сигнала, погрешности, изношенности потенциометра и инерции может возникать дребезг, приводящий к хаотичным, небольшим по амплитуде подергиваниям двигателя (в англ. терминологии – jitter). Для борьбы с этим явлением управляющей электронике задается условие, согласно которому слишком маленькие разности между импульсами игнорируются и не приводят к генерации импульсов управления двигателем. Например, могут игнорироваться все разности короче 4 мкс. Эта зона нечувствительности получила название «мертвая зона» (в англ. терминологии – deadband).

Направление вращения вала двигателя задается полярностью напряжения сигнала.

Основные характеристики сервоприводов

Тип сервопривода: аналоговые и цифровые

Главное отличие между аналоговыми и цифровыми сервоприводами состоит в способе обработки управляющего сигнала и сигнала обратной связи. В остальном их устройство и принципы работы совпадают.

Большинство аналоговых моделей, в силу особенностей устройства плат их управления, способны принимать и обрабатывать управляющие импульсы с частотой 50 Гц, то есть каждые 20 мс. Как следствие и сигналы на двигатель тоже отправляются каждые 20 мс. Это значит, что чем ближе вал к своему «пункту назначения», заданному управляющим ШИМ сигналом, тем слабее сигнал, посылаемый на двигатель, ведь длина его импульсов сокращается по мере приближения к заданной позиции. Поэтому при малых отклонениях двигатель уже не может развивать большой момент силы. Кроме того нельзя забывать про наличие у сервоприводов «мертвых зон».

В цифровых сервоприводах эти недостатки в значительной степени устраняются доработкой платы управления, а именно – применением специальных микроконтроллеров. Данное техническое решение позволяет увеличить частоту сигналов до 200 Гц и более. В результате сервопривод становится более шустрым: быстрее реагирует на внешние воздействия и развивает необходимый крутящий момент, мертвые зоны становятся намного короче.

Цифровые сервоприводы решают проблемы, связанные с низкой частотой сигналов, но вместе с тем становятся сложнее в производстве, а потому – дороже. Кроме того они потребляют больше энергии, чем аналоговые.

Угол поворота

Одной из характерных особенностей большинства сервоприводов является ограниченный угол поворота вала. Это объясняется использованием потенциометра в качестве датчика положения. Среди сервоприводов, распространенных в любительской сфере, наиболее часто встречаются модели с допустимым углом поворота 60°—180°, хотя можно встретить и приводы рассчитанные на 360°.

Момент силы (крутящий момент)

С практической точки зрения этот параметр говорит нам, какого веса тяжесть способен удерживать сервопривод на плече указанной длины. Например, сервопривод с моментом силы 2 кгс∙см может удерживать груз весом 2 кг на горизонтальном рычаге длиной 1 см.

Более строгая формулировка звучит следующим образом: момент силы есть векторная физическая величина, равная векторному произведению вектора силы и радиус-вектора, проведённого от оси вращения к точке приложения этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.

Единица измерения данной величины в системе СИ — ньютон-метр [Н∙м], но на практике часто можно встретить другую единицу — килограмм-силы-сантиметр [кгс∙см]. Также кгс∙см часто записывают как кг∙см.

1 кгс∙см ≈ 0,098 Н∙м.

Скорость

Скорость сервопривода традиционно измеряется в секундах на 60° [сек/60°]. Эта величина говорит о том, за сколько секунд выходной вал сервопривода повернется на 60°.

Стоит отметить, что обычно более скоростные приводы имеют меньший момент силы, и наоборот – более мощные серводвигатели крутятся медленнее, чем менее мощные.

Мертвая зона

Как уже было описано выше, мертвые зоны предусмотрены с целью предотвращения возможного «дребезжания» (jitter) двигателя. Однако слишком большие мертвые зоны отрицательно сказываются на точности позиционирования вала привода. Слишком же короткие мертвые зоны могут недостаточно эффективно справляться со своей задачей.

Обычно «ширина» мертвой зоны указывается в микросекундах. Например, наличие мертвой зоны в 4 мкс говорит о том, что всякая разность импульсов управляющего сигнала и сигнала обратной связи короче 4 мкс будет игнорироваться платой управления и не будет приводить к генерации сигнала управления двигателем.

Спецификация SG-90:

Вес серво	9 грамм
Размеры	21.5мм X 11.8мм X 22.7мм
Напряжение питания	4,8 ... 6 В
Момент (усилие)	1.2 кг*см при напряжении 4,7В
Время поворота на 60°	0,12 сек. при напряжении 4,7В
Рабочая температура	-30°C … +60°C
Длина кабеля	23 см
Материал шестерней	Нейлон
Механика	Аналоговая
Dead-set	7 мкс

 Подключение к контроллеру Arduino:

• Pin Brown = connect to - / GND
• Pin Orange = connect to +5V
• Pin Yellow = in this example connect to Digital port

Источник

8. DS18B20

Диапазон измеряемых температур	−55…+125 °C
Точность	±0,5°C (в пределах −10…+85 °C)
Время получения данных	750 мс при 12-битном разрешении; 94 мс при 9-битном разрешении
Напряжение питания	3–5,5 В
Потребляемый ток при бездействии	750 нА
Потребляемый ток при опросе	1 мА

9. Датчик влажности почвы

Компактный простой датчик влажности почвы (гигрометр), состоящий из двух частей: электродной пары и платы, обрабатывающей сигнал. Методика замера влажности основывается на способности влажной почвы проводить электрический ток. Чем выше влажность, тем выше проводимость. Для получений искомых значений необходимо погрузить электроды во влажную почву и измерить протекающий ток. При работе с датчиком не стоит забывать о неизбежной электролитической каррозии электродов. Из-за негативного ее влияния на датчик, включать его рекомендуется только на время измерений.

Для снятия показаний датчик имеет аналоговый и цифровой выходы. Пороговое значение для цифрового выхода настраивается подстроечным резистором.

Контактная группа модуля:

• VCC – «+» питания
• GND – «земля», «-» питания
• + – контакт для подключения электродов
• – – контакт для подключения электродов
• DO – цифровой выход
• AO – аналоговый выход.

Датчик влажности почвы

• Рабочее напряжение: 3,3 — 5 В
• Максимальная глубина погружения в почву: 40 мм
• Максимальный потребляемый ток: 50 мА
• Используется стабильный LM393 чип
• Панель PCB
• Размер: 3х1,5 см
• Размер сенсора (зонда): 6х3 см
• Длина кабеля: 21 см
• Описание интерфейса (4 контакта):
  -VCC: 3.3V-5V
  -GND: GND
  -DO: цифровой выходной интерфейс (0 и 1)
  -АО: аналоговый выходной интерфейс
• Два режим выхода: аналоговый и цифровой
• Индикатор питания (красный) и индикатор цифрового выхода (зеленый)
• Построен на компараторе LM393

10. Вентилятор

Вентилятор