Перейти к содержанию

PIR-датчики движения: как работают и как подключить PaPIRs

PIR-датчик видит не человека, а изменение теплового излучения, когда тёплое тело переходит из одной зоны линзы в другую. Разбираем по спецификациям Panasonic PaPIRs, как устроены зоны и почему важен путь движения, чем EKMC на 170 мкА отличается от батарейного EKMB на 1 мкА, как подключить выход к микроконтроллеру и что даёт ложные срабатывания.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

PIR-датчик (passive infrared, пассивный инфракрасный) — датчик движения, который реагирует на изменение теплового излучения в поле зрения. Сам он ничего не излучает: линза собирает излучение из нескольких десятков зон на пироэлектрический элемент, и когда тёплое тело переходит из зоны в зону, на элементе появляется сигнал, а встроенный компаратор превращает его в цифровой импульс. Этот принцип и определяет все свойства датчика: он видит движение поперёк зон, плохо видит движение прямо на себя и совсем не видит неподвижного человека.

Коротко

  • Пироэлектрический элемент даёт заряд только при изменении своей температуры: неподвижный человек или нулевая разность температур с фоном сигнала не дают.
  • PaPIRs EKMC1601111 и EKMB1101111: дальность до 5 м при разности температур 4 °C и до 7 м при 8 °C, зона 94° × 82°, 64 зоны.
  • Ток: EKMC — 170 мкА при 3,0–6,0 В, батарейный EKMB — 1,0 мкА в режиме сна при 2,3–4,0 В.
  • Выход — до 100 мкА при Vout ≥ Vdd − 0,5 В: только вход микроконтроллера или ключ.
  • После включения выход не определён до 30 с (EKMC) и до 210 с (EKMB).
  • Лучше всего датчик видит движение поперёк — вдоль осей X и Y; движение прямо к датчику может не обнаружиться.

Как устроен пироэлектрический датчик

Пироэлектрик — материал, поляризация которого зависит от температуры. Когда инфракрасное излучение нагревает элемент, поляризация меняется, на поверхности появляются несвязанные заряды, и их превращают в электрический сигнал (Panasonic, 2022). Пока температура элемента постоянна, заряд стабилен и сигнала нет — поэтому датчик реагирует на изменение потока излучения, а не на его величину.

В PaPIRs стоят четыре элемента из танталата лития толщиной 50 мкм с прорезями шириной 60 мкм, которые мешают теплу уходить, а элемент вместе со специализированной микросхемой — усилителем и компаратором — помещён в металлический корпус TO-5, экранирующий от радиопомех. Цифровой выход включается, когда усиленный аналоговый сигнал превышает порог.

Зоны и полярность. Пластиковая линза — это несколько десятков маленьких линз (у PaPIRs до 52), каждая проецирует на элементы свою зону пространства. Зоны поляризованы: соседние дают сигналы противоположного знака. Человек, проходящий поперёк, по очереди пересекает «плюсовые» и «минусовые» зоны, и сигнал чередуется. Если же цель одновременно входит в зону «+» и зону «−», сигналы гасят друг друга, и на предельной дальности обнаружение может стать невозможным (EKMC160111, разд. 4-6).

Направление движения. Panasonic рекомендует ставить датчик так, чтобы ожидаемое движение шло вдоль осей X или Y — поперёк зон. Движение туда-обратно вдоль оси Z, прямо на датчик, может не обнаруживаться (разд. 4-7): тело почти не переходит из зоны в зону.

Параметры EKMC и EKMB

Обе спецификации описывают стандартный тип линзы с цифровым выходом; разница — в питании и токе.

ПараметрEKMC1601111 (VZ, 170 мкА)EKMB1101111 (WL, 1 мкА)
Напряжение питания3,0–6,0 В (предел 7,0 В)2,3–4,0 В (предел 4,5 В)
Ток потребления170 мкА, до 300 мкАсон 1,0 мкА (до 1,6), ожидание 1,9 мкА (до 3,0)
Дальность при 1,0 м/сдо 5 м при ΔT = 4 °C, до 7 м при ΔT = 8 °Cто же
Зона обнаружения94° (±47°) × 82° (±41°), 64 зоныто же
Выходдо 100 мкА, Vout ≥ Vdd − 0,5 Вто же
Стабилизация после включениядо 30 с25 с типично, до 210 с
Рабочая температура−20…+60 °C, без конденсации и инеято же

Дальность нормирована для цели размером около 700 × 250 мм — человека, — движущейся со скоростью 1,0 м/с, и зависит от разности температур тела и фона ΔT. Летом, когда фон почти равен температуре тела, дальность меньше; при большой разнице, наоборот, зона может расшириться за пределы указанной (разд. 6-1). Для медленных движений Panasonic выпускает линзы другого типа, нормированные для цели 200 × 200 мм и скорости 0,5 м/с (каталог 2025).

Режимы EKMB. Пока выход выключен, датчик спит и потребляет около 1 мкА. Сработав, он переходит в режим ожидания (около 1,9 мкА) и держит выход включённым примерно 2,6 с; это время зависит от числа срабатываний за период. После выключения выхода идёт маска около 1,3 с, когда выход принудительно выключен и движение не обнаруживается. Программа не должна считать, что выход повторяет движение без задержек.

Подключение к микроконтроллеру

Выход цифровой: включён, пока датчик видит движение, выключен — когда нет. Ток выхода — не больше 100 мкА при напряжении не ниже Vdd − 0,5 В, поэтому датчик подключают ко входу микроконтроллера, питая оба от одного напряжения.

Подключение PIR-датчика Panasonic PaPIRs к микроконтроллеруВывод Vdd датчика соединён с питанием микроконтроллера, GND — с общим проводом, цифровой выход OUT — со входом GPIO. Между Vdd и GND рядом с датчиком стоит конденсатор C1. Выход отдаёт не больше 100 мкА при напряжении не ниже Vdd − 0,5 В, поэтому к нему подключают вход микроконтроллера или ключ, а не нагрузку.EKMC / EKMBPaPIRs, цифровой выходVddGNDOUTМКVCCGNDGPIOC1EKMC: 3,0–6,0 В · EKMB: 2,3–4,0 ВIout ≤ 100 мкА, Vout ≥ Vdd − 0,5 ВПосле подачи питания выход до 30 с (EKMC) или до 210 с (EKMB) не определён —программа пропускает это время; ёмкость C1 Panasonic не указывает
Подключение PaPIRs к микроконтроллеру по спецификациям EKMC160111 и EKMB110111: питание и общий провод общие с микроконтроллером, выход OUT — на вход GPIO, конденсатор C1 по питанию у датчика
  • Питание. Panasonic требует стабилизированного питания и конденсатора на выводе питания датчика, но ёмкость не указывает; обычно ставят блокировочный конденсатор у самых выводов. Помехоустойчивость по питанию — импульсы до ±20 В длительностью 50 нс или 1 мкс; от более сильных выбросов ставят защиту.
  • Время стабилизации. После подачи питания программа игнорирует выход 30 с у EKMC и до 210 с у EKMB: в это время его состояние не определено.
  • Прерывание. Удобно повесить выход на вход с прерыванием по фронту и будить микроконтроллер из сна только при движении.
  • Нагрузка. Светодиод, реле или модуль включают через транзисторный ключ; базовый резистор рассчитывают так, чтобы ток базы не превышал 100 мкА выхода, — в этом поможет калькулятор ключа на транзисторе.
  • Провода. Если датчик вынесен, Panasonic требует экранированный кабель минимальной длины; помехи от статического электричества, молний, телефонов и радиостанций вызывают ложные срабатывания.

Батарейное устройство. EKMB в режиме ожидания потребляет 1,9 мкА: даже если бы он не засыпал никогда, это 1,9 мкА · 8760 ч ≈ 17 мА·ч в год (наш расчёт). Основной расход тогда — микроконтроллер и радиомодуль; полный срок работы оценивают в калькуляторе срока службы батареи. EKMC с его 170 мкА — около 1,5 А·ч в год, это вариант для питания от сети.

Ложные и пропущенные срабатывания

Panasonic перечисляет случаи, когда датчик реагирует не на человека или пропускает его (разд. 6-1):

Что происходитПочему
Срабатывание без людеймелкие животные в зоне; солнце, лампа накаливания, фары или яркий луч на датчике; потоки тёплого и холодного воздуха от кондиционера и отопления; пар увлажнителя
Пропускстекло, акрил и подобные материалы между целью и датчиком; цель неподвижна или движется слишком быстро; ΔT мала
Зона шире ожидаемойбольшая разница температур тела и фона
Одиночный импульс сам по себеприрода пироэлектрического элемента: изредка он даёт самопроизвольный сигнал

От последнего Panasonic советует защищаться счётом импульсов: например, считать движением только два и больше срабатываний за несколько секунд. Конкретные числа выбирают под задачу — за это платят задержкой реакции.

Для охранных и других систем, где важна безопасность, Panasonic напоминает: отказы датчика — короткое замыкание, обрыв, перегрев, и аппаратура должна сохранять безопасность при любом из них (разд. 5). Самодельная охранная сигнализация на одном PIR-датчике — не замена сертифицированной.

Монтаж и обращение

  • Окно в корпусе. Вершина линзы должна выступать над корпусом больше чем на 1,3 мм, а отверстие — повторять форму линзы с конусом или быть шире (разд. 7). Стекло и акрил перед линзой не ставят.
  • Место. Не направлять датчик на окна, лампы накаливания и решётки вентиляции; ставить так, чтобы люди проходили поперёк зон.
  • Пайка. Только ручная: паяльник не горячее 350 °C, не дольше 3 с. Датчик крепят на печатной плате; уронили — не использовать.
  • Статическое электричество. Датчик может повредить разряд ±200 В — не трогать выводы руками, работать с защитой от ESD.
  • Линза. Полиэтиленовая и мягкая: не давить, не мыть растворителями и спиртом, держать чистой — грязь снижает чувствительность.
  • Среда. Влажность 15–85 % без конденсации, давление 86–106 кПа; датчик не защищён от воды и пыли, не любит едких газов и солевого тумана. Хранить при +5…+40 °C и влажности 30–75 % и использовать в течение года после поставки.

Типичные ошибки

  • Выход считают «датчиком присутствия». Человек за столом почти не двигается, и через несколько минут свет гаснет. Таймер выключения делают с запасом или добавляют датчик для малых движений.
  • Датчик смотрит вдоль коридора. Люди идут прямо на него, по оси Z, — обнаружение ненадёжно. Ставят сбоку, чтобы путь пересекал зоны.
  • Первые секунды и минуты после включения. Выход не определён до 30 с у EKMC и до 210 с у EKMB (типично 25 с) — без паузы в программе каждое включение питания даёт ложное срабатывание.
  • Нагрузка на выходе. Светодиод прямо на OUT тянет больше 100 мкА, выход проседает, и микроконтроллер на той же линии видит неверный уровень.

Тепловое излучение можно не только замечать, но и измерять — об этом статья «Бесконтактные ИК-термометры и тепловизионные матрицы». Другие датчики — в разделе «Датчики».

Частые вопросы

Почему PIR-датчик не видит человека, который стоит неподвижно?

Потому что пироэлектрический элемент реагирует только на изменение теплового излучения. Panasonic прямо пишет, что датчик может не сработать без движения или без разности температур между человеком и фоном. Если человек замер, поток излучения на элементе перестаёт меняться и сигнал пропадает. Для обнаружения присутствия нужны другие принципы или датчики для малых движений.

Можно ли питать PIR-датчик от батарейки?

Да, если взять батарейную серию. EKMB1101111 потребляет 1,0 мкА в режиме сна и 1,9 мкА после срабатывания при питании 2,3–4,0 В — около 17 мА·ч в год даже при постоянном токе ожидания. EKMC1601111 потребляет 170 мкА, это рассчитано на питание от сети или большого аккумулятора.

Можно ли подключить светодиод или реле прямо к выходу датчика?

Нет. Выход PaPIRs отдаёт не больше 100 мкА при напряжении не ниже Vdd − 0,5 В. Этого хватает для входа микроконтроллера или базы транзисторного ключа с резистором, но не для светодиода, реле или модуля. Нагрузку включают через транзистор или MOSFET.

Почему датчик движения срабатывает сам по себе?

Panasonic называет причины: солнечный свет, лампы накаливания и фары, попадающие на датчик, потоки тёплого и холодного воздуха от кондиционера и отопления, пар увлажнителя, мелкие животные, помехи по питанию и радиопомехи. Кроме того, пироэлектрический элемент изредка даёт самопроизвольный импульс, и для строгих применений Panasonic советует счёт импульсов: считать движением только несколько срабатываний подряд.

Видит ли PIR-датчик через стекло?

Как правило, нет: Panasonic предупреждает, что стекло, акрил и подобные материалы между целью и датчиком могут не пропустить инфракрасное излучение. Датчик ставят за открытым отверстием в корпусе, а вершина его линзы должна выступать над корпусом больше чем на 1,3 мм.

Источники

  1. Panasonic. PIR Motion Sensor «PaPIRs» EKMC160111: Specifications, Ver. 6.3, issued Dec. 1st, 2020 — разд. 2 — VZ series, стандартный тип, 170 мкА, цифровой выход; линзы белая (EKMC1601111), чёрная, жемчужно-белая; разд. 4-1 — при 25 °C и 5 В: до 7 м при разности температур 8 °C и до 5 м при 4 °C, скорость 1,0 м/с, цель — человек около 700 × 250 мм; разд. 4-2 — питание −0,3…7,0 В, −20…+60 °C; разд. 4-3 — Vdd 3,0–6,0 В, ток 170 мкА, до 300 мкА, выходной ток до 100 мкА при Vout ≥ Vdd − 0,5 В, время стабилизации после включения до 30 с, зона 94° × 82°, 64 зоны; разд. 4-4 — до 30 с выход не определён; разд. 4-6 — нагрузка между OUT и GND, зоны поляризованы (+ и −), одновременный вход в + и − гасит сигнал; разд. 4-7 — движение вдоль осей X или Y, по оси Z (к датчику) может не обнаруживаться; разд. 5 — отказы: короткое замыкание, обрыв, нагрев, защитные цепи в аппаратуре безопасности; разд. 6-1 — не обнаруживает без движения и без разности температур, срабатывает на животных, солнце, лампы накаливания, фары, потоки тёплого и холодного воздуха, пар увлажнителя; стекло и акрил мешают; редкие самопроизвольные срабатывания — счёт импульсов; разд. 6-2 — 15–85 %, 86–106 кПа, не защищён от воды и пыли; разд. 6-3 — паяльник не горячее 350 °C не дольше 3 с, только ручная пайка, статическое электричество ±200 В, экранированный короткий кабель, защита от импульсных перенапряжений, стабилизированное питание, помехоустойчивость ±20 В (импульсы 50 нс или 1 мкс), конденсатор на выводе питания, полиэтиленовая линза, хранение +5…+40 °C, 30–75 %, использовать в течение года; разд. 7 — вершина линзы выше корпуса больше чем на 1,3 мм
  2. Panasonic. PIR Motion Sensor «PaPIRs» EKMB110111: Specifications, Ver. 6.1, issued Jul. 1st, 2019 — WL series, стандартный тип, 1 мкА, цифровой выход; разд. 4-1 — при 3 В те же 7 м (8 °C) и 5 м (4 °C), 1,0 м/с; разд. 4-2 — питание −0,3…4,5 В; разд. 4-3 — Vdd 2,3–4,0 В, ток в режиме сна 1,0 мкА (до 1,6), в режиме ожидания 1,9 мкА (до 3,0), выход до 100 мкА при Vout ≥ Vdd − 0,5 В, время стабилизации 25 с типично, до 210 с, 94° × 82°, 64 зоны; разд. 4-4 — сон при выключенном выходе, ожидание после включения выхода, время удержания около 2,6 с (зависит от числа срабатываний), маска около 1,3 с — выход принудительно выключен
  3. Panasonic. PIR Motion Sensors 2025: каталог PaPIRs (July 2025, 202508-4ZT) — серии EKMB (WL) с цифровым выходом для батарейных устройств — 1, 2 и 6 мкА, EKMC (VZ) с цифровым и аналоговым выходом — 170 мкА; типы линз — стандартный, низкопрофильный, дальнего действия, для малых движений; для малых движений цель 200 × 200 мм и скорость 0,5 м/с, ΔT ≥ 4 °C, пересечение одной зоны; чувствительность зависит от условий, рекомендуется испытание в реальных условиях
  4. Panasonic. An integrated lens sensor helping to reduce manpower in development: PaPIRs — 100+ Million Units Produced (2022) — датчик реагирует на изменение инфракрасного излучения; изменение температуры пироэлектрического элемента меняет его поляризацию и даёт заряд; линза собирает излучение из зон, внутри до 52 линз; четыре элемента из танталата лития толщиной 50 мкм с прорезями шириной 60 мкм; элемент и специализированная микросхема с усилителем и компаратором в металлическом корпусе TO-5 для защиты от радиопомех; цифровой сигнал — когда аналоговый превышает порог

Нашли ошибку?

Смотрите также