Haben Sie sich jemals gefragt, wie automatische Türen wissen, wann Sie sich nähern? Oder wie sich das Licht in Ihrem Flur nachts von selbst einschaltet, wenn Sie vorbeigehen? Das sind keine Zaubertricks – sie verwenden ein cleveres Gerät namens PIR-Sensor!
Ein PIR (Passiv-Infrarot)-Sensor ermöglicht es Ihnen, zu erkennen, wenn sich eine Person oder ein Tier in den Erfassungsbereich des Sensors hinein- oder herausbewegt. Er ist ein unverzichtbares Werkzeug für die Bewegungserkennung in einer Vielzahl von Anwendungen, von Sicherheitssystemen bis hin zur Heimautomatisierung.
Einer der beliebtesten PIR-Sensoren unter Hobbyisten ist der HC-SR501, und das aus mehreren guten Gründen:
- Er verbraucht sehr wenig Strom (weniger als 2mA).
- Er ist erschwinglich (kostet normalerweise weniger als 5 $).
- Er kann Bewegung in einer Entfernung von bis zu 7 Metern erkennen.
- Er lässt sich sehr einfach in Ihre Projekte integrieren.
Bevor wir uns mit allen technischen Details befassen, wollen wir die Grundlagen verstehen, wie ein PIR-Sensor eigentlich funktioniert. Dies wird Ihnen helfen, zu verstehen, warum sie so nützlich sind und wie sie sich in Ihren Projekten verhalten.
Wie funktioniert ein PIR-Sensor?
Alles um uns herum – einschließlich unserer Körper – gibt Wärmeenergie als Infrarot-Strahlung ab. Dies geschieht, solange Objekte wärmer sind als der absolute Nullpunkt (0 Kelvin oder -273,15°C). Je wärmer ein Objekt ist, desto mehr Infrarot-Strahlung gibt es ab. Wir können diese Strahlung mit unseren Augen nicht sehen, da sie sich im Infrarot-Teil des Lichtspektrums befindet, jenseits dessen, was Menschen visuell wahrnehmen können.
Ein einfacher Infrarot-Empfänger kann das Vorhandensein von Infrarot-Strahlung erkennen, aber um Bewegung zu erkennen, benötigen wir etwas, das Änderungen des Infrarot-Levels wahrnehmen kann. Genau das tun PIR (Passiv-Infrarot)-Sensoren! Sie sind speziell dafür konzipiert, Änderungen der Infrarot-Strahlung zu erkennen, die entstehen, wenn sich warme Objekte, wie Menschen, innerhalb ihres Erfassungsbereichs bewegen.
Ein PIR-Sensor besteht aus zwei Hauptteilen:
- Pyroelektrischer Sensor: Dies ist das Herzstück des Geräts, das als rundes Metallstück mit einem rechteckigen Kristall in der Mitte erscheint.
- Fresnel-Linse: Eine spezielle Linse, die Infrarot-Signale sammelt und auf den pyroelektrischen Sensor fokussiert.
Der Pyroelektrische Sensor
Der pyroelektrische Sensor hat ein Fenster mit zwei rechteckigen Schlitzen aus einem Material (normalerweise Silizium mit einer Spezialbeschichtung), das Infrarot-Strahlung durchlässt. Hinter diesem Fenster befinden sich zwei separate Infrarot-erkennende Elektroden – eine erzeugt einen positiven Ausgang, während die andere einen negativen Ausgang erzeugt.
Wenn sich nichts in der Nähe des Sensors bewegt, erfassen beide Teile die gleiche Menge an Infrarot-Strahlung, sodass sie sich gegenseitig aufheben und kein Signal erzeugt wird.
Wenn sich jedoch ein warmes Objekt wie eine Person im Erfassungsbereich des Sensors bewegt, erkennt ein Teil eine Änderung der Infrarot-Strahlung vor dem anderen. Dies erzeugt einen Unterschied in den Signalen zwischen den beiden Teilen, den der Sensor als Bewegung erkennt.
Die Fresnel-Linse
Die Fresnel-Linse mag nicht so aussehen, als würde sie viel tun, aber sie erhöht tatsächlich die Reichweite und das Sichtfeld des PIR-Sensors erheblich.
Eine Fresnel-Linse besteht aus Kunststoff mit einer Reihe konzentrischer kreisförmiger Rillen, die hineingeschnitten sind. Jede Rille fungiert als brechende Oberfläche, die parallele Lichtstrahlen auf einen Brennpunkt fokussiert, ähnlich wie eine normale optische Linse, jedoch in einem viel flacheren Design.
Um die Erfassungsreichweite und das Sichtfeld zu vergrößern, ist die Linse in mehrere Abschnitte unterteilt, wobei jeder Abschnitt als eigene individuelle Fresnel-Linse fungiert.
Diese verschiedenen Abschnitte schaffen verschiedene Erfassungszonen, die sich überlappen. Aus diesem Grund scheinen die Zentren der Linsen in verschiedene Richtungen zu zeigen – jede lenkt Infrarot-Strahlung aus einem anderen Bereich zum PIR-Sensorelement, wodurch der Sensor einen viel größeren Bereich abdecken kann.
Dieses clevere Design ist der Grund, warum PIR-Sensoren Bewegung über einen Raum hinweg erkennen können, obwohl das eigentliche Sensorelement im Inneren recht klein ist.
HC-SR501 PIR-Sensor Hardware-Übersicht
Eines der besten Dinge am HC-SR501 PIR-Sensor ist, dass er sofort einsatzbereit ist – keine komplizierte Einrichtung erforderlich. Alles, was Sie tun müssen, ist, ihn an Strom (zwischen 4,5 V und 20 V) und Masse anzuschließen. Wenn der Sensor Bewegung erkennt, geht sein Ausgangssignal auf HIGH. Wenn keine Bewegung vorliegt, bleibt der Ausgang auf LOW.
Aufgrund dieser einfachen Funktionalität können Sie den HC-SR501-Sensor verwenden, um alle Arten von coolen Aktionen in Ihren Projekten auszulösen! Zum Beispiel könnten Sie Lichter ein- oder ausschalten, einen Ventilator starten, eine gruselige Halloween-Dekoration aktivieren oder sogar ein Bild von einem unerwarteten Besucher aufnehmen.
Was diesen Sensor noch besser macht, ist, dass er sehr wenig Strom (weniger als 2mA) verbraucht und Bewegung in einer Entfernung von bis zu 7 Metern (etwa 21 Fuß) erkennen kann.
BISS0001 PIR Controller
Im Inneren des Sensors befindet sich ein spezieller Chip namens BISS0001 PIR Controller. Er nimmt Signale vom pyroelektrischen Sensor (dem Teil, der tatsächlich Infrarot-Strahlung von warmen Körpern erkennt) auf und verarbeitet sie, um einen digitalen Ausgang zu erzeugen.
Dieser Chip ist bekannt für seine ausgezeichnete Rauschunempfindlichkeit, was ihn zu einem der zuverlässigsten PIR-Controller macht, die Sie bekommen können. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, können Sie das BISS0001-Datenblatt nachschlagen.
Spannungsversorgung
Das Modul verfügt über einen eingebauten präzisen 3,3V-Spannungsregler, sodass Sie es mit jeder DC-Spannung zwischen 4,5 und 20 Volt versorgen können. Die meisten Leute verwenden 5V, da dies bei Arduino-Projekten üblich ist.
Es gibt auch eine Schutzdiode (manchmal als Sicherheitsdiode bezeichnet), die Ihren Sensor schützt, wenn Sie versehentlich die Stromversorgung falsch herum anschließen. Das bedeutet, selbst wenn Sie einen Fehler bei der Verkabelung machen, wird Ihr Sensor nicht beschädigt.
Empfindlichkeitseinstellung
Auf der Rückseite des PIR-Sensors finden Sie ein kleines Potentiometer, mit dem Sie die Empfindlichkeit des Sensors für Bewegung einstellen können.
Durch Drehen dieses Reglers können Sie steuern, wie weit der Sensor Bewegung erkennen kann. Wenn Sie das Potentiometer im Uhrzeigersinn drehen, wird der Sensor empfindlicher und kann Bewegung aus größerer Entfernung erkennen, bis zu 7 Meter. Wenn Sie es gegen den Uhrzeigersinn drehen, wird es weniger empfindlich und erkennt nur Bewegung, die näher ist, bis zu etwa 3 Metern.
Diese Einstellung ist äußerst hilfreich, wenn Sie Ihr Projekt feinabstimmen möchten. Wenn Sie beispielsweise ein bewegungsaktiviertes Licht für einen kleinen Flur bauen, möchten Sie möglicherweise die Empfindlichkeit verringern, damit es nicht auslöst, wenn jemand in einem anderen Raum vorbeigeht.
Zeitverzögerungseinstellung
Auf der Rückseite des PIR-Sensors finden Sie ein weiteres Potentiometer, mit dem Sie die Zeitverzögerung einstellen können.
Diese Zeitverzögerung steuert, wie lange der Ausgang des Sensors nach der Erkennung von Bewegung auf HIGH (oder „EIN“) bleibt. Sie können diese Verzögerung auf nur 1 Sekunde oder bis zu 3 Minuten einstellen. Wenn Sie das Potentiometer im Uhrzeigersinn drehen, verlängert sich die Verzögerung. Drehen Sie es gegen den Uhrzeigersinn, wird die Verzögerung kürzer.
Auswahl des Auslösemodus (Jumper)
Der PIR-Sensor hat zwei verschiedene Arten, auf die Erkennung von Bewegung zu reagieren:
- Einzel-Auslösemodus (L): In diesem Modus löst der Sensor auch bei kontinuierlicher Bewegung nur einmal aus.
- Mehrfach-Auslösemodus (H): In diesem Modus führt kontinuierliche Bewegung dazu, dass der Sensor mehrmals auslöst.
Der Sensor verfügt über einen Jumper (oder manchmal eine Lötbrücke), mit dem Sie zwischen diesen beiden Modi wählen können:
- L (Einzel-Auslösemodus): Wenn Sie diesen Modus wählen, geht der Ausgang sofort nach der Erkennung von Bewegung auf HIGH und bleibt für die mit dem Zeitverzögerungspotentiometer eingestellte Dauer auf HIGH. Während dieser Zeit ignoriert der Sensor jede neue Bewegung. Erst nach Ablauf der Verzögerung (der Ausgang geht wieder auf LOW) beginnt der Sensor wieder mit der Bewegungserkennung. Wenn sich nach Ende der Verzögerung immer noch jemand bewegt, löst der Sensor erneut aus. Das bedeutet, dass einige Bewegungen während der Verzögerungszeit komplett ignoriert werden können.
- H (Mehrfach-Auslösemodus): In diesem Modus geht der Ausgang ebenfalls auf HIGH, wenn Bewegung erkannt wird, und bleibt für die mit dem Zeitverzögerungspotentiometer eingestellte Zeit auf HIGH. Aber anders als im Einzel-Auslösemodus ignoriert der Sensor neue Bewegung nicht. Stattdessen setzt er jedes Mal, wenn er neue Bewegung erkennt, den Timer zurück. Das bedeutet, der Ausgang bleibt so lange auf HIGH, wie kontinuierliche Bewegung vorhanden ist. Sobald jegliche Bewegung aufhört, geht der Ausgang nach Ablauf der Verzögerungszeit wieder auf LOW. Dieser Modus ist ideal, um Lichter in einem Raum eingeschaltet zu lassen, solange sich jemand bewegt.
Optionale Komponenten – Thermistor und LDR
Das HC-SR501-Modul verfügt über Lötpads für zwei optionale Komponenten, die normalerweise als „RT“ und „RL“ gekennzeichnet sind. Auf einigen Platinen können diese Bezeichnungen unter der Fresnel-Linse auf der anderen Seite versteckt sein.
- RT: Dieses Pad dient zum Anschluss eines Thermistors, einem speziellen Widerstand, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Das Hinzufügen eines Thermistors hilft dem HC-SR501, die Genauigkeit bei extremen Temperaturen zu verbessern.
- RL: Dieses Pad dient zum Anschluss eines Light Dependent Resistor (LDR), einem lichtabhängigen Widerstand oder Fotowiderstand. Ein LDR ändert seinen Widerstand je nachdem, wie viel Licht auf ihn fällt. Wenn Sie einen LDR hinzufügen, können Sie das Modul so einstellen, dass es nur funktioniert, wenn es dunkel ist, was perfekt für Projekte wie bewegungsaktivierte Nachtlichter oder Sicherheitssysteme ist, die nur nach Sonnenuntergang laufen.
Technische Spezifikationen
Hier sind die Spezifikationen des HC-SR501:
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Betriebsspannung | 4,5 V – 20 V (typisch 5 V) |
| Maximaler Stromverbrauch | < 2 mA |
| Zeitverzögerung | ~ 1 Sekunde bis 3 Minuten |
| Erkennungsentfernung | 3 – 7 Meter (9 – 21 Fuß) |
| Erfassungswinkel | 120 Grad (typisch) |
Pinbelegung des HC-SR501 PIR-Sensors
Der HC-SR501 PIR-Sensor verfügt über einen einfachen 3-Pin-Anschluss, den Sie mit Ihren Projekten verbinden müssen. Da die Beschriftungen für diese Pins oft unter der Fresnel-Linse versteckt sind, kann es ohne Diagramm etwas schwierig sein, zu wissen, welcher Pin welcher ist.
- VCC: Dies ist der Stromversorgungs-Pin für den Sensor. Sie können diesen Pin an eine Stromquelle anschließen, die zwischen 4,5 und 20 Volt liefert. Die meisten Leute verwenden 5 Volt, da dies bei Arduino oder ähnlichen Mikrocontrollern üblich ist.
- Output: Dies ist der 3,3V TTL-Logik-Ausgangspin. Wenn der Sensor Bewegung erkennt, geht dieser Pin auf HIGH (ca. 3,3 Volt). Wenn keine Bewegung erkannt wird, bleibt der Pin auf LOW (ca. 0 Volt).
- GND: Dies ist der Masse-Pin.
Verwendung des PIR-Sensors als eigenständige Einheit
Eines der besten Dinge am HC-SR501 PIR-Sensor ist, dass er sehr gut alleine funktioniert, ohne einen Mikrocontroller zu benötigen. Aber Sie können ihn noch mehr coole Sachen machen lassen, indem Sie ihn an einen Arduino oder ein ähnliches Gerät anschließen.
Beginnen wir mit einem einfachen Experiment, um zu zeigen, wie nützlich dieser Sensor ganz allein sein kann.
Die Verkabelung ist super einfach! Verbinden Sie einfach Batterien (z.B. ein 5V-Batteriepack) mit den VCC- und GND-Pins des Sensors. Verbinden Sie dann eine kleine rote LED mit dem Ausgangspin. Fügen Sie schließlich einen 220Ω-Widerstand zwischen der LED und dem Ausgangspin hinzu, um den Strom zu begrenzen (dies schützt die LED vor dem Durchbrennen).
Das ist alles! Wenn der PIR-Sensor nun jemanden erkennt, der sich bewegt, geht der Ausgangspin auf „HIGH“ (oder schaltet sich EIN), und die LED leuchtet auf.
Sie könnten den Ausgang des PIR-Sensors sogar direkt mit einem Relaismodul verbinden, wenn Sie größere Geräte steuern möchten, z. B. eine Lampe EIN- oder AUSschalten, wenn jemand vorbeigeht.
Wichtiger Tipp: Nachdem Sie den Stromkreis eingeschaltet haben, müssen Sie etwa 30-60 Sekunden warten, damit sich der PIR-Sensor an die normale Infrarot-Energie im Raum gewöhnen kann. Während dieser Aufwärmzeit sehen Sie möglicherweise, dass die LED ein paar Mal blinkt. Sobald die LED ausgeschaltet bleibt, versuchen Sie, vor dem Sensor zu gehen oder Ihre Hand zu winken, um ihn auszulösen. Sie sollten sehen, wie die LED aufleuchtet, wenn sie Ihre Bewegung erkennt!
Verkabelung eines PIR-Sensors mit einem Arduino
Nachdem wir nun verstanden haben, wie der PIR-Sensor allein funktioniert, schließen wir ihn an einen Arduino an, um noch mehr coole Sachen zu machen!
Das Anschließen des PIR-Sensors an einen Arduino ist ziemlich einfach. Verbinden Sie einfach den VCC-Pin des PIR-Sensors mit dem 5V-Pin des Arduino, den GND-Pin mit der Masse (GND) des Arduino und den Ausgangspin mit dem digitalen Pin 8 am Arduino.
Damit der HC-SR501 am besten mit Ihrem Arduino funktioniert, sollten Sie:
- Den Jumper auf die H-Position (Mehrfach-Auslösemodus) einstellen.
- Die Zeitverzögerung auf mindestens 3 Sekunden einstellen, indem Sie das Zeitverzögerungspotentiometer ganz gegen den Uhrzeigersinn drehen.
- Das Empfindlichkeitspotentiometer auf das gewünschte Niveau einstellen (wenn Sie sich nicht sicher sind, stellen Sie es einfach in die Mitte).
Hier ist eine schnelle Übersicht über die Pinverbindungen:
| HC-SR501 PIR-Sensor | Arduino |
|---|---|
| VCC | 5V |
| GND | GND |
| OUT | Digital Pin 8 |
Sobald alles richtig angeschlossen und die Einstellungen angepasst sind, können Sie Ihren Code hochladen und Ihren PIR-Sensor mit Ihrem Arduino verwenden!
Arduino Beispielcode
Der Code ist sehr einfach. Er überwacht lediglich, ob der Eingang an Pin #8 HIGH oder LOW ist. Wenn Bewegung erkannt wird (Pin ist HIGH), schaltet er eine LED an Pin 13 ein und gibt eine Nachricht über den seriellen Monitor aus. Wenn die Bewegung endet (Pin geht auf LOW), schaltet er die LED aus und gibt eine entsprechende Nachricht aus.
int ledPin = 13; // choose the pin for the LED int inputPin = 8; // choose the input pin (for PIR sensor) int pirState = LOW; // we start, assuming no motion detected int val = 0; // variable for reading the pin status void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); // declare LED as output pinMode(inputPin, INPUT); // declare sensor as input Serial.begin(9600); } void loop(){ val = digitalRead(inputPin); // read input value if (val == HIGH) { // check if the input is HIGH digitalWrite(ledPin, HIGH); // turn LED ON if (pirState == LOW) { Serial.println("Motion detected!"); // print on output change pirState = HIGH; } } else { digitalWrite(ledPin, LOW); // turn LED OFF if (pirState == HIGH) { Serial.println("Motion ended!"); // print on output change pirState = LOW; } } }Mit dem Sensor nach oben gerichtet, versuchen Sie, Ihre Hand darüber zu bewegen. Wenn Bewegung erkannt wird, sollten Sie eine „Motion Detected!“ Nachricht im seriellen Terminal sehen.
Wichtige Überlegungen bei der Entwicklung PIR-basierter Anwendungen
Wenn Sie Projekte mit dem HC-SR501 PIR-Sensor entwerfen, gibt es zwei spezielle Verzögerungszeiten, die Sie verstehen müssen. Diese Verzögerungen beeinflussen die Funktionsweise des Sensors und könnten Sie überraschen, wenn Sie nichts davon wissen!
Sperrzeit (Lockout Time)
Nachdem der Ausgang des Sensors von HIGH zurück auf LOW geht (was bedeutet, dass er keine Bewegung mehr erkennt), macht der Sensor eine kurze Pause von etwa 2 Sekunden, während der er jegliche neue Bewegung vollständig ignoriert. Dies wird als „Sperrzeit“ oder „Lockout Time“ bezeichnet.
Zum Beispiel, nehmen wir an, Sie haben die Zeitverzögerung Ihres Sensors auf 3 Sekunden eingestellt, und der Jumper befindet sich in der 'L'-Position (Einzel-Auslösemodus). Wenn Sie Ihre Hand vor dem Sensor winken, geht der Ausgang für 3 Sekunden auf HIGH. Nach Ablauf dieser 3 Sekunden kehrt der Ausgang auf LOW zurück. Dann gibt es eine 2-sekündige „Sperrzeit“. Wenn Sie sich während dieser 2-sekündigen Pause bewegen, wird der Sensor dies überhaupt nicht erkennen!
Einschaltverzögerung (Power-On Delay)
Wenn Sie den HC-SR501-Sensor zum ersten Mal mit Strom versorgen, benötigt er etwa 30 bis 60 Sekunden, um sich vorzubereiten. Während dieser Zeit lernt er die normale Infrarot-Energie im Raum kennen.
Der Sensor kann während dieser Zeit einige Fehlalarme auslösen (die LED könnte blinken). Daher sollten Sie während der ersten Minute nach dem Einschalten jegliche Signale des Sensors ignorieren. Versuchen Sie auch, sich während dieser Zeit nicht zu viel vor dem Sensor zu bewegen. Wenn während dieser Periode zu viel Bewegung auftritt, lernt der Sensor den Raum nicht richtig kennen und funktioniert später möglicherweise nicht korrekt.
Das Verständnis dieser beiden speziellen Verzögerungszeiten hilft Ihnen, bessere Projekte mit Ihrem PIR-Sensor zu entwerfen und Verwirrung zu vermeiden, wenn es so aussieht, als würde er keine Bewegung erkennen, obwohl er sollte!
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Hier beantworten wir einige gängige Fragen zum HC-SR501 PIR-Sensor.
Was ist eine PIR-Einstellung?
Eine "PIR-Einstellung" bezieht sich in der Regel auf die verschiedenen konfigurierbaren Parameter des PIR-Sensors, insbesondere des HC-SR501. Dazu gehören die Einstellung der Empfindlichkeit (wie weit der Sensor erkennt), die Einstellung der Zeitverzögerung (wie lange der Ausgang nach Erkennung HIGH bleibt) und die Auswahl des Auslösemodus (Einzel- oder Mehrfachauslösung mittels Jumper).
Wie schließe ich den HC-SR501 an?
Der HC-SR501 hat drei Pins: VCC (Stromversorgung, 4,5-20V), GND (Masse) und OUT (Ausgangssignal). Für eine eigenständige Verwendung verbinden Sie VCC und GND mit einer Stromquelle und den OUT-Pin (über einen Widerstand) mit einem Gerät wie einer LED oder einem Relais. Für die Verwendung mit einem Mikrocontroller wie Arduino verbinden Sie VCC mit 5V, GND mit GND und OUT mit einem digitalen Eingangspin des Mikrocontrollers.
Kann der HC-SR501 im Freien verwendet werden?
Der HC-SR501 ist nicht wetterfest. Er sollte vor Feuchtigkeit und extremen Temperaturen geschützt werden. Direkte Sonneneinstrahlung oder starke Wärmequellen können ebenfalls zu Fehlalarmen führen, da sie Infrarot-Strahlung emittieren.
Warum löst mein PIR-Sensor ständig aus oder gar nicht?
Ständiges Auslösen (Fehlalarme) kann durch Wärmequellen (Heizungen, direkte Sonneneinstrahlung), Luftzug (der warme/kalte Luft bewegt) oder elektrische Störungen verursacht werden. Stellen Sie sicher, dass der Sensor stabil montiert ist und keine direkten Wärmequellen oder Luftzüge im Erfassungsbereich sind. Wenn der Sensor gar nicht auslöst, überprüfen Sie die Verkabelung, die Stromversorgung und stellen Sie sicher, dass die Empfindlichkeit hoch genug eingestellt ist und Sie während der Aufwärmzeit nicht im Erfassungsbereich waren.
Was ist der Unterschied zwischen L- und H-Modus?
Im L-Modus (Einzel-Auslösung) löst der Sensor nur einmal pro Bewegungserkennung aus und ignoriert während der eingestellten Zeitverzögerung weitere Bewegungen. Im H-Modus (Mehrfach-Auslösung) wird der Timer bei jeder erkannten Bewegung zurückgesetzt, sodass der Ausgang HIGH bleibt, solange kontinuierliche Bewegung vorhanden ist. Der H-Modus ist oft besser für Anwendungen, bei denen das Licht eingeschaltet bleiben soll, solange jemand im Raum ist.
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