Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider

Einleitung

Das Bewegungsmelder-Modul basiert auf Infrarot-Technologie, einem automatischen Steuermodul und LHI778 Sonden-Design. Das gewährleistet hohe Empfindlichkeit, hohe Zuverlässigkeit und einen Ultra-Niederspannungs-Betriebsmodus. PIR steht für Passiv-Infrarot.

Es ist weit verbreitet in verschiedenen elektrischen Auto-Sensing Geräten, vor allem in batteriebetriebenen automatisch gesteuerten Produkten.

Das Modul ist auch mit einer so genannten Fresnellinse ausgestattet, einer speziellen Art von Filter, der die Infrarotstrahlung auf den Sensor fokussiert.

Besonderheiten

Hohe Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit
Eingelöteter Jumper zur Einstellung der Temperaturkompensation
Direkte Schaltung von Relais
Ideal zur Verwendung mit Mikrocontrollern-Boards
Das perfekte Modul für jeden Haushalt

Technische Daten

Tabelle 1: Eigenschaften des Bewegungsmelders HC-SR501
Eigenschaft	Daten
Modell	HC-SR501
Material	Langlebiges Staku-Laminat (CCL)
Objektiv-Durchmesser	23 mm
Betriebsspannung	5 V DC
Logikpegel	3,3 V DC
Stromaufnahme	65 mA
Ruhestrom	<50 µA
Sperrzeit	200 ms
Block-Zeit	einstellbar: 2,5 s-10 s
Erfassungsbereich	<120 °
Schaltabstand	max. 7 m
Trigger-Methoden	einstellbar: L - deaktivieren, einmalig, H - Wiederholungstrigger aktivieren
Betriebstemperatur	-15 °C bis +70 ℃
Warmlaufzeit	Nach Anschluss an die Stromversorgung braucht das Modul 30 – 60 Sekunden bis es einsatzbereit ist. In dieser Zeit geht OUT ein paar Male auf HIGH.
Abmessungen	33 mm x 25 mm x 30 mm
Artikelnummer	SEN-HC-SR501
EAN	4250236820361

Pinbelegung

Pin	Belegung
1	Versorgungsspannung (VCC)
2	Ausgang (OUT)
3	Masse (GND)

Datenblätter

Messschaltung

Schließen Sie den Bewegungsmelder gemäß Abb. 3 an den Arduino. Wählen Sie einen beliebigen digitalen Eingang für das Schaltsignal. In diesem Beispiel ist es D2. Die komplette Messschaltung wird in Abb. 4 dargestellt.

Funktionsprinzip

Ich fange mal mit dem Namen an, denn der verrät schon einiges über die Funktionsweise. Für die Abkürzung „PIR“ habe ich zwei Erklärungen gefunden: meistens Passive Infrared Sensor, seltener Pyroelectric Infrared Sensor. Passiv bedeutet, dass der Sensor selbst keine Signale aussendet, so wie es beispielsweise die Entfernungssensoren HC-SR04 und VL53L0X tun, die ich in meinen letzten Beiträgen beschrieben habe. Oder der Mikrowellen-Radar Sensor RCWL-0516, über den ich in meinem nächsten Beitrag schreiben werde. Infrarot bedeutet, dass der HC-SR501 Signale im Infrarotwellenlängenbereich, also im Bereich der Wärmestrahlung, empfängt und auswertet. Dadurch ist er besonders zur Detektion von Personen oder Tieren geeignet.

Pyroelektrischer Effekt

Der pyroelektrische Effekt ist etwas schwerer zu erklären bzw. zu verstehen. Es gibt chemische Verbindungen, die aufgrund ihrer Kristallstruktur einen permanenten Dipol besitzen, d.h. die eine Seite ist positiv geladen, die andere negativ. Wer sich an den Chemieunterricht erinnert, der weiß vielleicht noch, dass z.B. Wassermoleküle Dipole sind, da die Wasserstoffatome und der Sauerstoff unterschiedlich stark an den Elektronen „ziehen“. Das ist bei pyroelektrischen Verbindungen so ähnlich, nur dass es hier nicht um Moleküle, sondern um ganze Kristalle geht. Die Natur mag keine Potentialunterschiede, da sie energetisch ungünstig sind. Deshalb sammeln sich auf den Polen entgegengesetzte Ladungen aus der Umgebung.

Und jetzt kommt der relevante Punkt, den man sich beim PIR zu Nutze macht. Der pyroelektrische Effekt ist temperaturabhängig, und zwar unter anderem weil sich der Kristall mit steigender Temperatur ausdehnt und sich damit das Dipolmoment ändert. Dadurch hat man bei Temperaturänderung auf einmal zu viele oder zu wenige Ausgleichsladungen und das Gleichgewicht muss sich neu einstellen. Verbindet man nun beide Pole leitend miteinander, stellt man einen Potentialsprung bzw. einen Stromfluss fest.

Man kann den Kristall übrigens auch durch Druck verformen und so das Gleichgewicht stören. Das ist der piezoelektrische Effekt. Jeder pyroelektrische Kristall ist deshalb auch piezoelektrisch. Umgekehrt nicht, aber das auszuführen würde dann doch den Rahmen sprengen. Wer mehr über Pyroelektrizität wissen möchte, kann sich hier auch der Website des Zentrums für Pyroelektrizität informieren (was es alles gibt!) oder auf Wikipedia.

Primärsensor des HC-SR501

Trifft die Infrarotstrahlung von zu detektierenden Lebewesen oder Gegenständen auf einen pyroelektrischen Kristall, dann wärmt sich dieser auf und es kommt zu der oben beschriebenen Potentialänderung. Das allein wäre aber zu fehleranfällig für die Bewegungserkennung. Zwei Maßnahmen verstärken den Effekt im PIR und machen die Detektion sicherer:

Die weiße Kappe auf dem PIR ist keine Schutzkappe, sondern besteht aus einer Reihe von Sammellinsen. Diese konzentrieren die Strahlung, was die Empfindlichkeit erhöht, und sie sorgen für eine Segmentierung des Erfassungsbereichs. Eine Person, die am Sensor vorbei geht, wird so nacheinander von unterschiedlichen Segmenten erfasst.
Man verwendet zwei Kristalle und verschaltet sie so, dass sie Potentialsprünge in unterschiedliche Richtungen verursachen. Zudem sind die Kristalle nebeneinander angeordnet, so dass eine vorbeilaufende Person die Kristalle zeitlich versetzt anregt. Dieser Effekt wird durch die Segmentierung der Kappe verstärkt. Erst so bekommt man Signale die sich deutlich vom Hintergrund bzw. Änderungen des Hintergrundes abheben. Die Auswertung erfolgt über Komparatorschaltungen, die in dem auffälligen BISS0001 Chip auf dem Modul untergebracht sind.

Das Herzstück des Moduls ist der eigentliche Infrarotsensor, den man auch separat kaufen kann.

Einstellungen des HC-SR501

Empfindlichkeit

Die Länge des Signals wird am mit „T“ (Time) gekennzeichneten Poti eingestellt. Eine Drehung im Uhrzeigersinn verlängert das Signal. Das mit „S“ (Sensitivity) gekennzeichnete Poti ist für die Empfindlichkeit zuständig. Auch hier erhöht eine Drehung im Uhrzeigersinn den Wert. Bei einigen Modulen gibt es keine Kennzeichnung, die Potis sind aber immer wie oben abgebildet angeordnet.

Haltezeit

Trigger-Methode

Am Jumper oben rechts lassen sich die Betriebsmodi „Single Trigger“ und „Reapeatable Trigger“ einstellen. Ist der mittlere Kontakt mit „H“ verbunden, ist der Repeatable Trigger Modus eingestellt. Entsprechend ist der Single Trigger Modus eingestellt, wenn er mit „L“ verbunden ist. Nach einer Bewegungsdetektion geht der OUT Pin für die eingestellte Zeit auf HIGH. Ist der Repeatable Trigger Modus aktiv, dann können während dieser Zeit der Signalausgabe weitere Bewegungen detektiert werden. Bei jeder Bewegung beginnt die Ausgabezeit wieder bei Null. Bei kontinuierlicher Bewegung bleibt das OUT Signal also kontinuierlich HIGH. Beim Single Trigger Modus kann hingegen während der Signalausgabe keine Bewegung detektiert werden. Dementsprechend geht bei dieser Einstellung das OUT Signal auch bei kontinuierlicher Bewegung zwischenzeitlich auf LOW.

Bei den Modulen ohne Pins am Jumper ist der Repeatable Trigger Modus voreingestellt. Um zu wechseln müsst Ihr nicht nur den mittleren Kontakt mit „L“ verbinden, sondern auch die Leitung zu „H“ kappen. Das kann man mit einer Rasierklinge oder einem Cuttermesser mit frischer Klinge machen (Vorsicht!). Ist das OUT Signal auf LOW gegangen, dann ist der HC-SR501 für eine kurze Zeit gesperrt und kann keine Bewegungen detektieren. Dieses Verhalten ist unabhängig vom Modus.

Das folgende Schema veranschaulicht das noch einmal. Bei beiden Modi führt die Bewegung 1 zum Auslösen eines Signals. Während der anschließenden Sperrzeit („locked“) bleibt die Bewegung 2 wirkungslos. Bewegung 3 verursacht wieder eine normale Auslösung. Den Unterschied macht die Bewegung 4. Im Single Trigger Modus bleibt sie folgenlos, im Repeatable Trigger Modus wird die Signalausgabe verlängert.

Sperrzeiten

Weiterführende Links

Das Funktionsprinzip wir von Wolle sehr gut erläutert.

→ zurück zum Hauptartikel: Sensoren

Bewegungsmelder, PIR-Sensor - HC-SR501

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