سنسورهای مادون قرمز پسیو

"سنسورهای مادون قرمز پسیو" وسایل الکترونیکی هستند که تشعشعات اینفرارد از اجسام و اهداف را در میدان دیدش اندازه گیری می کند. به این سنسورها "سنسورهای PIR" گفته می شود که از مخفف Passive InfraRed sensors گرفته شده است.

PIR ها گاهی برای آشکارسازی اهداف متحرک بکار می روند، به این صورت که منبع انتشار اینفرارد با یک دما، مانند بدن، از جلوی منبع اینفرارد دیگر با دمای دیگر، مانند دیوار عبور می کند و بر اساس این تغییر آشکار سازی صورت می گیرد.

همه اشیاء اینفرارد (مادون قرمز) تشعشع می کنند. این تشعشع از دید انسان نامرئی است ولی می تواند با وسایل الکترونیکی که برای این هدف ساخته شده اند، آشکار شود. عبارت "پسیو" در این سنسور به این معنی است که این سنسور از خود هیچ نوع انرژی ساتع نمی کند، و فقط تشعشعات اینفرارد را از قسمت جلوئی سنسور (Sensor Face) دریافت می کند. در هسته یا مرکز PIR یک یا دسته ای از سنسورهای نیمه هادی وجود دارد، که مساحت تقریبی آن یک چهارم اینچ مربع است. این ناحیه از مواد گرما برقی (pyroelectric) ساخته شده است.

سنسورهای فعلی روی چیپ ها از مواد گرما برقی طبیعی یا مصنوعی و معمولا به صورت یک غشا یا لایه نازک ساخته می شوند. بعضی از ترکیبات عبارتند از: گالیوم نیترید (GaN)، کاسیم نیترات (CsNO3)، پلى وينيل فلوراید، مشتقات فنیل پیرازین و لیتیوم تانتالیک (LiTaO3) که مانند کریستال است و خواص پیرو الکتریک و پیزو الکتریک -ويژگى برخى کريستالها که به هنگام اعمال ولتاژ به انها تحت فشار قرار مى گيرند يا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانيکى يک ولتاژ توليد مى کنند- را با هم دارد.

سنسور PIR اغلب به عنوان قسمتی از مدارات مجتمع ساخته می شود و ممکن است شامل یک، دو، سه یا چهار "پیکسل"، شامل مساحتهای مساوی از مواد گرما برقی باشد. ممکن است سنسورها را به صورت جفتهائی به ورودیهای مخالف تقویت کننده های تفاضلی متصل کنند. در چنین ترکیبی اندازه گیریهای PIR ها یکدیگر را خنثی کرده و در نتیجه اندازه متوسط دمای میدان دید از سیگنال الکتریکی برداشته می شود. این به سنسور اجازه می دهد تا در مقابل آشکارسازی خطا که ناشی از تشعشعات نوری یا روشنائی های بزرگ است، مقاومت کند. نورهای روشن پیوسته می تواند این سنسور را اشباع کرده و باعث می شود تا سنسور نتواند اطلاعات بیشتری را ثبت کند. در عین حال این ترکیب تفاضلی، تداخل مد مشترک را مینیمم می کند که مانع از راه اندازی ناشی از میدانهای الکتریکی نزدیک به وسیله می شود. به هر حال این ترکیب نمی تواند دما را اندازه گیری کند و مختص آشکار سازی اشیاء متحرک است.

آشکارسازهای مبتنی بر سنسورهای PIR

در این آشکار سازها معمولا سنسور PIR روی برد مدار چاپی سوار است که دارای تجهیزاتی برای تفسیر سیگنال دریافتی می باشد. مدار اصلی در محفظه ای قرار دارد که در مکانی قرار می گیرد که در میدان دید سنسور قرار نگیرد. اینفرارد می تواند از پنجره به سنسور برسد چون پلاستیک بکار رفته در آن از دید اینفرارد شفاف است و برای حفاظت سنسور از گرد و غبار و حشرات که باعث پوشاندن میدان دید می شوند، بکار می رود.

مکانیسم کوچکی برای متمرکز کردن انرژی اینفرارد دور دست به سطح سنسور بکار می رود. به این صورت که پنجره فوق الذکر را از لنزهای فشرده شده ای می سازند و گاهی اوقات از آینه های سهموی برای این کار استفاده می کنند. همچنین یک پنجره فیلتر برای محدود کردن طول موج ورودی بین 14-8 میکرومتر قرار می گیرد که مهمترین تشعشعات اینفرارد انسان در آن قرار دارد و قویترین آنها 9/4 میکرومتر است.

وسیله PIR می تواند به عنوان یک دوربین بکار رود که می تواند مقدار انرژی متمرکز شده اینفرارد را به سطح خود در خود برای چند لحظه نگه دارد. یک بار که توان به PIR اعمال شد، انرژی برای چند لحظه در حالت سکون می ماند و می تواند یک رله کوچک را تحریک کند. این رله می تواند دسته ای از اتصالات الکتریکی را کنترل کند که به ورودی هشدار یک آشکار ساز متصل است. اگر انرژی تمرکز شده در طول زمان تغییر کند این وسیله حالت هشدار را تغییر می دهد. این رله معمولا یک رله نرمال بسته (NC) یا فرم B است. برای اطلاعات بیشتر در مورد رله این مقاله را مطالعه نمائید.

یک شخص که وارد میدان دید سنسور شده آشکار می شود در صورتیکه انرژی اینفرارد ارسالی بدن متجاوز با قسمتی از مدار که انرژی محیط قبلی دیده شده توسط سنسور را از محیط حفاظت شده را دارد، تداخل پیدا کند. حالا این بخش از چیپ نسبت به وقتیکه شخص وجود نداشت گرمتر شده است. حال اگر متجاوز حرکت کند یک نقطه داغ را روی سطح سنسور توسط آینه متمرکز کننده جابجا می کند. این حرکت انرژی رله را تخلیه و اتصال هشدار را برقرار می کند. به طور عکس اگر شخص سعی کند با گرفتن یک عایق حرارتی از روبروی سنسور عبور کند، یک نقطه سرد را روی سطح سنسور جابجا کرده و انرژی رله را تخلیه و هشدار را فعال می کند. تنها راه این است که عایق همدما با میدان دید قبلی سنسور باشد.

سازندگان این سنسور پیشنهادات زیادی برای مکان نصب درست، برای جلوگیری از هشدار اشتباه دارند. آنها پیشنهاد می دهند که سنسور PIR را در مسیری که از شیشه دیده شود قرار ندهید. اگر چه طول موجهای حساس دستگاه از شیشه به راحتی نفوذ نمی کنند، ولی منابع اینفرارد قوی مانند موتور ماشینها یا بازتاب نور آفتاب می توانند با گول زدن دستگاه، هشدار اشتباه (بدون متجاوز) را فعال کنند. البته شخصی که بتواند از پشت سنسور عبور کند نیز نمی تواند آشکار شود.

همچنین توصیه شده که سنسور PIR در نزدیکی کانالهای هوا قرار نگیرد. زیرا با اینکه تشعشع اینفرارد هوا بسیار کم است ولی با خنک شدن پلاستیک محافظ و یا لنز می توانند به عنوان هدف خنک تلقی شده و هشدار را اشتباها فعال نمایند.

سنسورهای PIR با ترکیبات مختلف کاربردهای فراوانی دارد. اکثر کاربرد این سنسور در سیستمهای حفاظتی خانه است و رنجی در حدود 10 متر دارند. بعضی PIR های بزرگتر با یک آینه می توانند تغییرات اینفرارد را در 30 متری یا بیشتر حس کنند. همچنین PIR هائی وجود دارند که با آینه های چند جهتی می توانند میدان دید عریض تری در حدود 110 درجه یا برعکس باند باریک را حس کنند.

کنترل کننده های از راه دور حرارتی مبتنی بر سنسورهای PIR

طراحان از خاصیت اندازه گیری از راه دور سنسورهای PIR استفاده کرده و با استفاده از خروجی "غیر تفاضلی" سنسور برای کنترل حرارت استفاده می کنند. سیگنال خروجی با سیگنال کالیبره شده بر اساس جنس و حرارت دیده شده توسط سنسور، مقایسه می شود. بدون کالیبراسیون PIR فقط می تواند تغییرات دمائی را به ما نشان دهد و نمی تواند دمای حقیقی آن را به ما بدهد.

LM75






LM75 یک اندام حسی درجه حرارت با مبدل آنالوگ به دیجیتال تغییرات دلتا ـسیگما و آشکار ساز دیجیتالی افزایش بیش از حد دما از طریق رابط I2C میباشد این سنسور قادر به خواندن دما در کسری از ثانیه است. آی سیLM75 میتواند به عنوان کلید حرارتی مستقل نیز عمل کند برای چنین کاری میتوان محدوده بالایی و پایینی دما برای تغییر وضعیت کلید را برنامه ریزی کرد .وقتی دمای اندازی گیری شده از محدوده تعیین شده خارج شود ، خروجی مدار در سطح منطقی پایین قرار میگیرد این خروجی را میتوان به عنوان وقفه برای کامپیوتر یا میکرو کنترلر به کار برد هنگام روشن شدن مدار ، محدوده های بالایی و پایینی حرارتی بر روی 75درجه و 80 درجه تنظیم میشود .

این سنسور به صورت SMT و برای کار با ولتاژ تغذیه 3/3 تا 5 ولت ساخته شده است . و میتواند دمای مورد نظر را با تفکیک پذیری نیم درجه از ۵۵ - تا ۱۲۵ + درجه سانتی گراد اندازه گیری کرد یکی از دیگران محاسن این سنسور این است که جریان لازم برای کارش در حدود ۲۵۰ میکرو آمپر است که این جریان در بعضی موارد به یک میلی آمپر هم میرسد . و در حالت خاموش در حدود یک میکرو آمپر جریان میکشد . در زیر شمای پایه های سنسور را مشاهده میکند . که تک تک آنها را برای شما تشریح میکنیم . همان طور که در شکل مشاهده میشود پایه های ۴ و ۸ پایه هایی تغذیه سنسور هستند و بنا به مدل سنسور از ۳.۳ تا ۵ ولت تغییر میکنند . در ضمن برای تغذیه حتما یک خازن 1. میکرو فاراد با ید به پایه 8 وصل شود .

پایه شماره ۳ میتواند هم به عنوان یک وقفه برای پروسسور استفاده شود هم میتواند محدوده بالایی را مشخص کند یعنی این که وقتی دما به محدوده بالایی ( ۷۵ درجه) رسید این سنسور این پایه را صفر میکند ( این پایه ACTIVE LOW است .)

همان طور که در مباحث ذکر شد این سنسور از پروتکل I2C استفاده کرده یعنی برای استفاده از این سنسور باید بتوانید با این سنسور ارتباط سریال داشته باشید که این یکی از محاسن این سنسور است . این سنسور ۸ پایه دارد .

*
پایه شماره ۱ و ۲ یعنی SDA و SCL پایه های ارتباط I2C سنسور هست که اقلب به میکرو ای که قادر به ارتباطات اینترفیس باشد وصل میشود .

*
پایه های ۵ و ۶ و ۷ این سه پایه یعنی A0 و A1 و A2 این سه پایه ادرس های اینترفیس سنسور هستند در پروتکل I2C فرمانده که میتواند یک میکرو باشد برای ارتباط با فرمانبر ها آنها را با یک اسم میشناسد که این است 8 بیت که 7 بیت اول نام سنسور است و بیت 8 به سنسور اعلام میکند که گیرنده باشد یا فرستنده . 4 بیت اول اسم سنسور 1001 است و غیر قابل تغییر است و سه بیت کم ارزش توسط این سه پایه تعریف میشود . که بهتر است هر سه صفر یا یک باشند .

همان طور که گفته شد بعد از ارتباط با سنسور و صدا کردن آن توسط بیت هشتم وضعیت سنسور را تعیین میکنیم یعنی به سنسور اعلام میکنیم که اطلاعات بفرستد یا اطلاعات بگیرد . که ما این وضعیت را 1 قرار داده و سنسور را فرستنده میکنیم تا میزان دما را برای ما بفرستد .

اصول و مبانی ترمیستورها

ترمیستور از مواد نیمه هادی ساخته می شود. ترمیستور از اکسید فلزاتی چون منگنز، نیکل، کبالت، مس و یا آهن همراه با سیلیکون ساخته می گردد. رنج دمای آن 50- تا 150 و نهایت 300 درجه سانتیگراد می باشد. در بیشتر مصارف مقاومت آن در دمای 25 درجه سانتیگراد( در RTD مقاومت آن نسبت به صفر درجه محاسبه می شد در ترمیستورها نسبت به 25 درجه سانتیگراد محاسبه می شود.) بین 100 تا 100کیلو اهم می باشد. البته ترمیستورهایی با مقاومت اولیه پایین تر از 10اهم و بالاتر از 40مگا اهم نیز استفاده می شود.

ترمیستورها به دو نوع تقسیم می شوند(Negative Temperature Coefficient NTC که با افزایش دما مقاومت آن کاهش می یابد و(Positive Temperature Coefficient) PTC که با افزایش دما مقاومت آن کاهش می یابد.

ترمیستور نوع NTC حساسیت 3- % تا 6- دارد که در مقایسه با RTD خیلی بالاتر است که باعث گشته سیگنال پاسخ بهتری نسبت به ترموکوپل و RTD داشته باشد، از جهت دیگر حساسیت پایین RTD و ترموکوپل آنها را انتخاب خوبی برای دماهای بیش از 260 درجه سانتیگراد کرده است و این محدودیتی برای ترمیستور است.

در سال 1833 میشل فاراده فیزیکدان و شیمی دان انگلیسی گزارشی در مورد رفتار نیمه هادی سولفید نقره داد، که این جرقه اولیه پیدایش ترمیستور بود. به خاطر محدودیتی که ترمیستور در سختی تولید و کاربرد در صنعت داشت تولید تجاری و استفاده از آن تا صد سال بعد انجام نشد و از سال 1980 استفاده از ترمیستور به صورت گسترده شروع شد.

مدار بهسازی

برای تبدیل مقاومت ترمیستور به ولتاژ می توان از مدار پل استفاده نمود ولی به دلیل مشخصه غیر خطی ترمیستور، خطای غیر خطی مدار پل تاثیر می گذارد که در صورت استفاده از مدار پل باید این موضوع لحاظ شود.

روش دیگر استفاده از مدار تقسیم ولتاژ است.که به دلیل مقاومت زیاد ترمیستور راه حل مناسبی می باشد.

روش دیگر استفاده از مدار زیر است.میکروکنترلر PIC12C508 که توضیح داده می شود.



روش دیگر استفاده از مدار پایین است که روشی مشابه تقسیم ولتاژ می باشد. در این روش OP. Amp با نسبت مقاومت ترمیستور به Rs ولتاژ خروجی را تولید می کند.



یک کار دیگر استفاده از مدار مجتمع AD7711 است که یک A/D می باشد.





روش دیگر استفاده از مداری با IC ، AD7705 می باشد.