Proto Knowledge
Sensor ปกรณ ลิ้มพรจิตรวิไล
PIR
โมดูลตรวจจับความเคลื่อนไหว ดวยรังสีอินฟราเรด
หนึ่ง ใน ตัวต รวจจับ ที่ มี การ ใช้งาน อย่าง กว้างขวาง มา รู้จัก กัน ให้ ลึก อีก นิด เพื่อ การ น�าไป ใช้งาน ให้ ได้ ประโยชน์ สูงสุด
“เชื่ อ ว า คุ ณ ๆ คงเคยเข า ไปใช บ ริ ก ารร า นสะดวกซื้อ เมื่อเดินเขาไป จะไดยินเสียงติ๊งตอง แจงการเขามาของคุณๆ ใหพนักงานในรานทราบ และเสียงทักทาย ก็จะดังตามมา ทั้ง ที่พวกเขาอาจไมไดเห็นคุณๆ ดวยซ�้า เคารูไดอยางไร หนาที่นี้ ตกเป น ของตั ว ตรวจจั บ การเคลื่ อ นไหวครั บ แล ว มั น ท� า งานอย า งไร ตามผมมาครับ จะพาไปรูจัก”
ความเคลื่อนไหวตรวจจับไดอย่างไร? สิ่งมีชีวิตไมวาจะเปนมนุษยหรือสัตวเลือดอุนในภาวะ ที่ยังมีชีวิตอยู จะมีการกระจายพลังงานความรอนออกมาจาก ตัวเองในรูปของการแผรังสีอินฟราเรดอยูตลอดเวลา โดยจะมี ปริมาณมากหรือนอยขึ้นอยูกับสภาพของรางกายในขณะนั้น เมื่อมีการเคลื่อนไหวปริมาณของการแผรังสีก็จะเปลี่ยนแปลง รังสีอินฟราเรดจากมนุษยหรือสัตวเลือดอุนที่มีระดับความ เขมสูงสุดจะมีความยาวคลื่นประมาณ 9.4 ไมโครเมตร ตัวตรวจจับความเคลื่อนไหวของสิ่งมีชีวิตหรือที่เรียก วา โมชั่นเซนเซอร (motion sensor) ที่ไดรับความนิยม และใชงานงายคือ ตัวตรวจจับแบบอินฟราเรด ซึ่งใชหลักการ
52
The Prototype Electronics
เลนสไฟรเนล ตัวกรองแสงอินฟราเรด +Vcc
รังสีอินฟราเรด ที่มาจากพลังงาน ความรอน
วงจรขยาย สัญญาณ โมดูลPIR
ตรวจจับ ที่ เรียกวา ไพโรอิ เล็ก ตริก (pyro-electric) อัน เปนการ ตรวจจับ การ แผรังสี อินฟราเรด หาก ระดับ ของ การ แผรังสี ไม เปลี่ยนแปลง แสดงวา สิ่งมีชีวิต ที่ ตองการ ตรวจจับ นั้น ไมมี การ เคลื่อนไหว แต ถาหาก มี การ เคลื่อนไหว เกิดขึ้น ระดับ ของ การ แผรังสี อินฟราเรด จะ เปลี่ยนแปลง จึง เรียกตัว ตรวจจับ แบบนี้ วา PIR (Passive InfraRed sensor) ใน รูป ที่ 1 เปน ไดอะแกรม แสดง หลักการ ท�างาน พื้น ฐาน ข อง ตั ว ต รวจจั บ พ ลั ง งาน ค วาม ร อ น จ าก ม นุ ษ ย ห รื อ สัตว เลือดอุน เมื่อ เกิด การ เคลื่อนไหว ท�าใหเกิด การ แผรังสี อินฟราเรด ขึ้น รังสี จะ ถู กรวม หรือ โฟกัส ไป ยัง ตัว ตรวจ จับหลัก โดย ใช เลนส แบบ พิเศษ ที่ เรียกวา เลนสไฟรเนลหรือเฟรสนัล (Fresnellens) จากนั้ น ตั ว ต รวจ จั บ หลั ก จ ะ ท� า การ ข ยาย สัญญาณ แลว สงไปยัง วงจร เปรียบเทียบ เพื่อ สราง สัญญาณ เอาตพุต ตอไป ใน รู ป ที่ 2 แสดง ส ถานการณ ที่ แ หล ง ก� า เนิ ด รั ง สี อิ น ฟราเรด (อาจ เ ป น ม นุ ษ ย ห รื อ สั ต ว เ ลื อ ดอุ น ) เกิ ด ก าร เคลื่อนไหว ภายใน ระยะ ท�าการ ของ ตัว ตรวจจับ จะ ท�าให โมดูล ตรวจจับ PIR ตรวจจับ พบ การ แผรังสี อินฟราเรด ที่ แตกตา งกัน จึง ใหสัญญาณ เอาตพุต เปน ลอจิก สูง (high) อยู ชั่ว ขณะ เมื่อ ตรวจจับ พบ การ เคลื่อนไหว จากนั้น กลับ มา เปน ลอจิก ต�่า (low) จนกวา จะ ตรวจจับ พบ การ เปลี่ยนแปลง ของ ระดับ รังสี อินฟราเรด อีกครั้ง
เลนสไฟรเนลพระเอกผูป ดทองหลังพระ เลนส ไฟ รเนล เปน เลนส แบบ พิเศษ ที่ ไดรับ การ คน คิด จาก นัก ฟสิกส ชาว ฝรั่งเศส ชื่อ ออกัสติน ชอง ไฟรเนล (Augustin-Jean Fresnel) โดย แนวคิด ของ เลนส แบบนี้ คือ เปน เลน ส แบบ ขั้นบันได ที่ ยอมให แสง ผาน ได มาก และ จาก ทุกทิศทาง ดัง มี โครงสราง ตาม รูป ที่ 3 ทั้งนี้ เนื่องจาก ตัว เลนส ได ถูก สราง ขึ้น โดย ลด เนื้อ วัสดุ ใน สวน ที่ ไมมีผล กับ การ หักเห ของ แสง ลง ไป ท�าให สามารถ ท�า เลนส ขนาดใหญ ที่ มี น�้าหนัก เบา ได เดิมที
วงจร เปรียบเทียบ
เอาตพุต
รูปที่ 1 ไดอะแกรมการท�างานของตัวตรวจจับการแผ่รังสี อินฟราเรดซึ่งใช้ตรวจจับความเคลื่อนไหว
แหลงกําเนิดรังสีอินฟราเรด (เชนคนหรือสัตว)เกิดการเคลื่อนที่ เลนสไฟรเนล สัญญาณเอาตพุต
รูปที่ 2 แสดงการท�างานของโมดูล PIR เมื่อน�ามาใช้ในการ ตรวจจับความเคลื่อนไหว เลนส ไ ฟ ร เนล นี้ ไ ด รั บ ก าร อ อกแบบ เ พื่ อ ให น� า มาใช ใน การ กระจาย ใน ประภาคาร เพื่อให สามารถ มองเห็น ประภาคาร ได จาก ระยะไกล ตอมา ได มี การ พัฒนา ให มี ขนาด เล็กลง แลว น�า มา ครอบ หลอดไฟ เพื่อ ท�าเปน ตะเกียง ท�าให ตะเกียง สามารถ สองแสง ได สวาง และ มองเห็น ได จาก ระยะไกล ดัง รูป ที่ 4 แตเมือ่ นาํ มาใชในโมดูลตรวจจับPIRตัวเลนสไฟร เนลจะถูกใชงานในลักษณะกลับกัน คือ ใช เลนส ไฟ รเนล ใน การ รวม แสง เขา มาจาก ทุกทิศทาง เพื่อ โฟกัส ลง ไป ยัง สวน ตรวจ จับ แสง อินฟราเรด ของ โมดูล ตรวจจับ PIR เพื่อ ใหการ ตรวจจับ การ เปลี่ยนแปลง ของ รังสี อินฟราเรด มี ความ ไว สูง ภาพตัดขวางของเลนสไฟรเนล ลักษณะของเลนสไฟรเนลที่มีการสราง เปนโดมเพื่อครอบตัวตรวจจับPIR ทําใหสามารถรับแสงไดจากทุกทิศทาง ทั้งดานหนาและดานขาง
รูปที่ 3 โครงสร้างและหน้าตาของเลนส์ไฟรเนลซึ่งน�ามาใช้ในโมดูล PIR The Prototype Electronics
53
Sensor : PIR
รูปที่ 3 โครงสร้างและหน้าตาของเลนส์ไฟรเนลซึ่งน�า มาใช้ในโมดูล PIR
โมดูล ZX-PIR มีขาตอใชงาน 3 ขาดังนี้ ตําแหนง -
ชื่อขา
คําอธิบาย
GND
ใชตอกับกราวด
+
V+
ใชตอกับไฟเลี้ยงในยาน +3.3V ถึง +5V 100uA
OUT
Output
เปนขาเอาตพตุ ของโมดูล ใชตอ กับ ไมโครคอนโทรลเลอรหรืออินพุต ของวงจรขับโหลดใดๆ
ดานหลังของโมดูล ZX-PIR มีจั๊มเปอร 1 ตัวส�าหรับ ก�าหนดโหมดการท�างาน มีรายละเอียดดังนี้
รูปที่ 4 ตัวอย่างตะเกียงที่ใช้เลนส์ไฟรเนลในการเพิ่ม อัตราการส่องสว่าง
ตําแหนง ชื่อขา
คําอธิบาย
H
Retrigger หรือกระตุนซ้�า
เอาตพุต จะ รักษา สถานะ ลอจิก สูง หรือ HIGH ไว อยาง ตอเนื่อง เมื่อ ตรวจจับ พบ การ เคลื่อนไหว อยาง ตอเนื่อง หาก ตรวจจับ ไมได หรือ ไมมี การ เคลื่อนไหว เกิดขึ้น สถานะ ลอจิก ที่ เอาตพุต จะ เปน ลอจิก ต่�า หรือ LOW
L
มาตรฐาน
เอาตพุต เปน ลอจิก สูง หรือ HIGH เมื่อ โมดูล สามารถ ตรวจ จับความ เคลื่อนไหว ได จากนั้น จะ กลับ มา เปน ลอจิก ต่�า หรือ LOW ถาหาก ตรวจจับ พบ ความ เคลื่อนไหว อยาง ตอเนื่อง เอาตพุต จะ มี ลักษณะ เปน เหมือน สัญญาณ พัลส หาก ตรวจจับ ไมได หรือ ไมมี การ เคลื่อนไหว เกิด ขึ้น สถานะ ลอจิก ที่ เอาตพุต จะ เปน ลอจิก ต่�า หรือ LOW.
คุ³สมบัติของโมดูลตรวจจับZX-PIR อุปกรณตรวจจับความเคลื่อนไหวที่น�ามาเสนอเพื่อ เปนตัวอยางในที่นี้คือ โมดูลZX-PIR ซึ่งใชตัวตรวจจับที่เรียก วา PIR ซึ่งสามารถตรวจจับการแผรังสีอินฟราเรด โดยท�า งานรวมกับเลนสชนิดพิเศษที่เรียกวา เลนสไฟรเนล ซึ่งท�าหนา ที่รวมรังสีอินฟราเรดที่ตัวตรวจจับไดรับ เพื่อสงผานไปยังตัว ตรวจจับ PIR เพื่อท�าการประมวลผลตอไป ในรูปที่ 5 แสดง ลักษณะทางกายภาพของโมดูล ZX-PIR และขาตอใชงาน
คุ³สมบัติทางเทคนิคที่ควรทราบมีดังนี้ • ระยะการตรวจจับสูงสุด 20 ฟุต • เมื่อตรวจพบความเคลื่อนไหวจะใหแรงดันเอาตพุตที่สภ
าวะสูงที่ขาเอาตพุต
1.27นิ้ว (32.2มม.)
ตัวตรวจจับการเปลี่ยนแปลง ของรังสีอินฟราเรดติดตั้งอยูภายใน เลนสเฟรสเนล 0.96นิ้ว (24.3มม.) 1นิ้ว (25.4มม.)
1.10นิ้ว (28มม.) OUT
+
-
จั๊มเปอรเลือกโหมดการทํางาน H:โหมดกระตุนซ้ํา L:โหมดมาตรฐาน
• ใชเวลาในการปรับตัวเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงชวง 10 ถึง 60 วินาทีหลังจากไดรับไฟเลี้ยง
• ใชไฟเลีย้ งในยาน +3.3 ถึง +5V กระแสไฟฟานอยกวา
100 mA
54
The Prototype Electronics
รูปที่ 5 แสดงขนาด, ส่วนประกอบและการจัดขา และหน้าตาของโมดูล ZX-PIR
การใชงาน
เนื่องจาก เอาตพุต ของ โมดูล ZX-PIR เปน สัญญาณ ดิจิตอล ที่ มี สอง สถานะ คือ ลอจิก สูง หรือ “1” และ ลอจิก ต�่า หรือ “0” จึง สามารถ เชื่อม ตอ กับ ขา พอรต ดิจิตอล ของ ไมโคร คอนโทรลเลอร ได ทุก ตระกูล โดย ต อ ง ก� า หนด ใ ห ข า พ อร ต ที่ เ ชื่ อ ม ต อ นั้ น เ ป น อิ น พุ ต ดิจิตอล กอน และ ไม ตอง ตอตัว ตานทาน พูลอัป ที่ ขา พอรต ของ ไมโคร คอนโทรลเลอร ซึ่ง น�ามา ตอ กับ โมดูล ZX-PIR ดัง รูป ที่ 6 เนื่องจาก เอาตพุต ของ ZX-PIR ไม สามารถ จาย กระแส ได มาก พอที่จะ ควบคุม ให ขา พอรต เปน ลอจิก “0” ใน ภาวะ ที่ ไม สามารถ ตรวจจับ การ เคลื่อนไหว ได หาก มี การ ตอตัว ตานทาน พูลอัป ที่ ขา พอรต ของ ไมโคร คอนโทรลเลอร +5V ZX-PIR
ไมโครคอนโทรลเลอร
+ OUT
INPUT
รูปที่ 6 ตัวอย่างการเชื่อมต่อโมดูล ZX-PIR กับไมโคร คอนโทรลเลอร์
ที่ไมโครคอนโทรลเลอรตองเขียนโปรแกรมเพื่อตรวจ จับการเปลี่ยนแปลงทางลอจิกของขาพอรตที่ตอกับโมดูล ZXPIR ในกรณีทเี่ ลือกจัม๊ เปอรของZX-PIRมาทีต่ าํ แหนง L จะมีลักษณะการท�างานดังนี้ หากผูใชงานนั่งนิ่งๆ หางจาก โมดูล ZX-PIR ระยะประมาณไมเกิน 1 เมตร โดยไมมีคนหรือ สัตวอยูบริเวณโดยรอบรัศมีประมาณ 8 เมตร โมดูล ZX-PIR จะตรวจจับการเคลื่อนไหวไมได เอาตพุตของ ZX-PIR เปนลอ จิก “0” หากมีการเคลื่อนไหวขึ้น โมดูล ZX-PIR จะตรวจจับ การเคลื่อนไหวได เอาตพุตของ ZX-PIR เปนลอจิก “1” ชั่ว ขณะประมาณ 4 วินาที แลวกลับมาเปนลอจิก “0” หากมีการ ขยับตัวหรือเคลื่อน ไหวอยางตอเนื่อง ที่เอาตพุตของ ZX-PIR จะเปนลอจิก “0” และ “1” สลับกันเปนจังหวะ และเปนลอจิก “0” คางเมื่อหยุดการเคลื่อนไหว
ในกรณีที่เลือกจั๊มเปอรของZX-PIRมาที่ตําแหนง H หากมีการเคลื่อนไหวขึ้น โมดูล ZX-PIR จะตรวจจับการ เคลื่อนไหวได เอาตพุตของ ZX-PIR เปนลอจิก “1” ถาหากมี การขยับตัวหรือเคลื่อนไหวอยางตอเนื่อง ที่เอาตพุตของ ZXPIR จะเปนลอจิก “1” คาง และเปนลอจิก “0” เมื่อหยุดการ เคลื่อนไหว รูปที่ 7 แสดงลักษณะของสัญญาณเอาตพุตที่ไดจาก โมดูล ZX-PIR เมื่อก�าหนดต�าแหนงจั๊มเปอรแตกตางกัน สัญญาณเอาตพุตของโมดูลZX-PIRเมื่อตรวจจับความเคลื่อนไหวได กรณีจั๊มเปอรอยูที่Lเมื่อตรวจจับความเคลื่อนไหวไดตอเนื่อง ที่เอาตพุตจะเปนลอจิก"1"และ"0"สลับกัน กรณีจั๊มเปอรอยูที่Hเมื่อตรวจจับความเคลื่อนไหวไดตอเนื่อง ที่เอาตพุตจะเปนลอจิก"1"ตอเนื่อง
รูปที่ 7 แสดงสัญญาณเอาต์พุตของโมดูล ZX-PIR เมื่อก�าหนดการต่อจั๊มเปอร์ในลักษณะต่างๆ จากข อ มู ล ที่ น� า เสนอมาทั้ ง หมดจะเห็ น ได ว า การ ตรวจจับความเคลื่อนไหวดวยโมดูล PIR นี้ ความไวหรือประ สิ ท ธภาพในการท� า งานจะขึ้ น กั บ เลนส ไ ฟรเนลเป น ส� า คั ญ ทางดานการน�าไปใชงานนั้นจะเห็นไดวางายมาก หากแต ตองใหความใสใจในดานการติดตั้งตัวตรวจจับในต�าแหนงที่ เหมาะสม นาชื่นชมความพยายามของมนุษยเราอยางยิ่ง ที่ พยายามสรางสิ่งประดิษฐที่นํามาใชในการตรวจจับปริมาณ ทางวิ ท ยาศาสตร แม ว า จะเป น ความเคลื่ อ นไหวของสิ่ ง มี ชีวิต และตองขอบคุณธรรมชาติที่ไดรังสรรคใหเกิดคุณสมบัติ ที่พิเศษแตกต า งในแต ล ะองค ป ระกอบของสิ่ ง มี ชี วิ ต แล ว พบกั น ในโอกาสต อ ไปครั บ กั บ เรื่ อ งราวของตั ว ตรวจจั บ อิเล็กทรอนิกสในแบบอื่นๆ
www.tpemagazine.com
The The Prototype Prototype Electronics Electronics
55