พาสซีฟอินฟราเรดดีเท็กเตอร์

พาสซีฟอินฟราเรดดีเท็กเตอร์(Passive Infrared detector - PIR)

ในปัจจุบันวงการอิเล็กทรอนิกส์ได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วและต่อเนื่อง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆได้มีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว PIR(Passive Infrared detector) ก็เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อีกประเภทหนึ่งที่มีความสามารถในการตรวจจับรังสีอินฟราเรด ที่แผ่ออกมาจากตัวคนหรือสัตว์ นับว่าเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีประโยชน์มากๆ ในการนำไปพัฒนาและประยุกต์ใช้งานร่วมกับอุปกรณ์อื่นๆโดยจะนำมาประยุกต์ใช้กับการทำหุ่นยนต์จึงได้ตั้งชื่อว่าหุ่นยนต์ตรวจจับความเคลื่อนไหว

1. เพื่อให้เข้าใจพื้นฐานทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ยิ่งขึ้น

2. เพื่อใช้เป็นแนวทางในการศึกษาและพัฒนาทางด้านอิเล็กทรอนิกส์

3. สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้

PIR ดักจับทุกความเคลื่อนไหวเป็นอุปกรณ์สำหรับดักจับความเคลื่อนไหวที่มีชื่อเต็มว่า ไพโรอิเล็กตริก เป็นอุปกรณ์จำพวก พาสซีฟอินฟราเรดดีเท็กเตอร์ (Passive Infrared detector - PIR) หรือตัวตรวจจับรังสีอินฟราเรดแบบหนึ่ง โดยตัวมันจะทำงาน เมื่อมันตรวจจับพบความเปลี่ยนแปลงของรังสี อินฟราเรดที่แผ่ออกมาตัวคนหรือสัตว์ ในขณะที่มีการเคลื่อนไหว ในตัวคนหรือสัตว์จะมีรังสีความร้อนแผ่ออกมารอบๆตัวในปริมาณที่แน่นอนอยู่จำนวนหนึ่ง เมื่อเกิดการเคลื่อนไหวหรือเคลื่อนที่ก็จะทำให้อุณหภูมิในบริเวณนั้นเกิดการเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้คลื่นรังสีความร้อนที่ว่านี้แผ่กระจายออกมา มีความยาวคลื่นประมาณ 0.74-300 ไมโครเมตร อันเป็นแถบ

ความถี่ในย่านอินฟราเรดพอดีภายใน PIR ประกอบด้วยเลนส์ที่เรียกว่า ฟรีสเนลเลนส์ (fresnel lenses) ซึ่งเป็นเลนส์ที่มีขนาดเล็กจำนวน มากเพื่อสร้างแพตเทิร์นการแทรกสอด (interfered) ของเเสงย่านอินฟราเรด ขณะที่ยังไม่มีใครเข้ามาในรัศมีรูปแบบการแทรกสอดของ แสงนั้นจะมีแพตเทิร์นหยุดนิ่งคงที่ แต่เมื่อวัตถุนั้นมีการเคลื่อนไหวเกิดขึ้น แพตเทิร์นการแทรกสอดของคลื่นแสงที่ปรากฏบนตัวเซนเซอร์PIR ก็จะเปลี่ยนไปเป็นสัญญาณไฟฟ้า ตามการเคลื่อนไหวนั้นออกมาทางขา เอาต์พุต แล้วจะถูกป้อนเข้าสู่ไอซี MPCC เพื่อทำการขยายสัญญาณต่อ

ตัวตรวจจับ มีโครงสร้างภายในที่สำคัญคือ ตัวเซนเซอร์ไวแสง ที่ทำจากผลึกของลิเทียมซัลเฟต 2 ชุด และเฟต 1ตัวประกอบ เข้าด้วยกันในตัวถังแบบ TO-5 ชิ้นของผลึกแร่ขนาด 2*1มิลลิเมตรต่ออนุกรมกันอยู่แต่ต้องต่อกลับขั้วเมื่อสัญญาณรังสีสามารถผ่านกระจกมา ตกกระทบที่ชิ้นสารทั้งสอง ก็ทำให้เกิดความแตกต่างขึ้นตามสัญญาณที่ตกมาตกกระทบ จากนั้นต้องทำการขยายสัญญาณให้แรงขึ้น ก่อนนำไปประยุกต์ใช้งานสัญญาณที่ตรวจจับได้ จะมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 1-15 ไมโครเมตร ความถี่จากผลของการตรวจจับความเคลื่อนไหวจะอยู่ในช่วง 0.3-3 เฮิรตซ์ มีความแรงเพียง 1 มิลลิโวลต์พีกทูพีก ดังนั้นจึงต้องมีการต่อวงจรขยายสัญญาณ ซึ่งในอดีตมักจะใช้ไอซีออปแอมป์ที่มีอัตราขยายสูงๆแต่ผลที่ได้คือ วงจรขนาดใหญ่ที่มีอุปกรณ์มากมาย มีความยุ่งยากมากในการสร้างค่อนข้างมากมาในยุคนี้ต้อง เลือกใช้อุปกรณ์ให้ถูกกับงาน สำหรับ PIR ต้องใช้ไอซีพิเศษเฉพาะงานที่เรียกว่า Master PIR Control Chip หรือ MPCC

ไอซี MPCC จะเข้ามาทดแทนวงจรออปแอมป์ที่ยุ่งยาก ทั้งยังเข้ามาช่วยเพิ่มความสามารถในการตรวจจับให้แก่ PIR ด้วย ไอซี MPCC เบอร์ KC778B หน้าที่ของมันคือ ขยายสัญญาณการตรวจจับความเคลื่อนไหวของ PIR ให้มีความแรงพอ ที่จะนำออกไปขับ อุปกรณ์เอาต์พุตอื่นๆอาทิ ไซเรน หลอดไฟ เป็นต้น

นอกจากนั้นยังเพิ่มความสามารถในการตรวจจับความเคลื่อนไหวโดยสามารถทำงานในที่มืดหรือสว่าง สามารถกำหนดเวลาเริ่ม การทำงานได้ เช่น เมื่อจ่ายไฟให้วงจรจะมีการหน่วงเวลาให้เวลาให้เพียงพอในการออกจากพื้นที่ ที่ทำการตรวจจับซึ่งจะนานเท่าไรก็ ขึ้น อยู่กับการปรับแต่งของผู้ใช้งานเริ่มจาก IC1 ไอซี MPCC เบอร์ KC778B จะรับสัญญาณที่ตรวจจับได้จาก PIR1 เบอร์ RE200B เข้า มาที่ขา 7 และ 8 โดยมี VR1 เป็นตัวปรับความไวในการตรวจจับของ PIR

การจัดขาภายในของไอซีเมื่อ PIR1 และ IC1 สามารถตรวจจับความเคลื่อนไหวได้ LED1จะติดกระพริบตามจังหวะที่เกิดการเคลื่อนไหวของคนหรือสัตว์ ส่วนสัญญาณเอาต์พุตที่จะนำออกมาขับอุปกรณ์ภายนอกจะนำออกมาที่ขา 16 สามารถที่จะขับไตรแอกออปโต้คัปเปลอร์ รีเลย์แรงดันต่ำได้เลย ในโครงงานนี้ต่อทรานซิสเตอร์ Q2 เพื่อขับ LED2 เอาไว้ เมื่อเกิดการตรวจจับความเคลื่อนไหวได้นอกจากนั้นขาคอลเล็กเตอร์ของ Q2 จะสามารถต่อกับรีเลย์ขนาด 9-12 โวลต์ได้โดยตรง D1 จะทำหน้าที่ป้องกันแรงดันย้อนกลับจากขดลวดรีเลย์ มาเข้าทรานซิสเตอร์ ถ้าหากต้องการให้ผลทางเอาต์พุตออกมาตรงข้าม สามารถทำได้คือต่อจั๊มเปอร์ J1 ทำให้ตัวต้านทาน R7 ต่อเข้ากับไฟ บวก 5 โวลต์ ขับให้ Q1 ทำงาน ขา 15 ของ IC1 จึงเสมือนต่อลงกราวด์ได้รับสัญญาณลอจิก "0"

การเลือกวงจรทำงานในความมืดหรือสว่างสามารถกำหนดได้โดยต่อตัวต้ามทานแปรค่าตามแสงหรือ LED1 เข้าที่ขา 12 โดยผ่านตัวต้านทาน R2 ความไวในการรับแสงสามารถปรับได้ที่ VR2 เครื่องดักจับความเคลื่อนไหวนี้สามารถหน่วงเวลาก่อนเริ่มทำงาน ใช้อุปกรณ์เพียง 3 ตัวเท่านั้นคือ R5,VR3 และ C9จะเป็นวงจร RCไทม์คอนสแตนต์ ช่วงเวลากำหนดได้โดยการปรับ VR3 IC1 ได้รับ แรงดันไฟเลี้ยง +5 โวลต์ มาจาก IC2 ซึ่งทำหน้าที่ลดแรงดันลงจาก 9-12 โวลต์ ป้อนเข้าที่ขา 1 ของ IC1

การจัดขาภายในของชิปไอซีตรวจจับความเคลื่อนไหวเบอร์ KC778B

ตัวต้านทาน ขนาด ¼ W +-5%
R1,R6 - 47k	(เหลือง ม่วง ส้ม ทอง)	2 ตัว
R2,R5,R7 - 10k	(น้ำตาล ดำ ส้ม ทอง)	3 ตัว
R3 - 3.9k	(ส้ม ขาว แดง ทอง)	1 ตัว
R4 - 56k	(เขียว น้ำเงิน ส้ม ทอง)	1 ตัว
R8,R9 - 1k	(น้ำตาล ดำ แดง ทอง)	2 ตัว
VR1,VR2 - 200k	ตัวต้านทานปรับค่าได้เกือกม้าวางนอน	2 ตัว
VR3 - 1M	ตัวต้านทานปรับค่าได้เกือกม้าวางนอน	1 ตัว
ตัวเก็บประจุ
C1 - 100uF 16V	อิเล็กทรอไลต์	1 ตัว
C2,C4,C6,C8 - 0.1 uF 50V(104)	เซรามิก	4 ตัว
C3,C5 - 10 uF 25V	อิเล็กทรอไลต์	2 ตัว
C7 - 220pF 50V	เซรามิก	1 ตัว
C9 - 0.0047uF 50V(472)	เซรามิก	1 ตัว
C10 - 0.47uF 50V(474)	เซรามิก	1 ตัว
สารกึ่งตัวนำ
PIR1 - เซนเซอร์ PIR เบอร์ RE200B		1 ตัว
IC1 - ไอซีตรวจจับความเคลื่อนไหว เบอร์ KC778B		1 ตัว
IC2 - ไอซีเรกูเลเตอร์ เบอร์ 78L05		1 ตัว
Q1,Q2 - ทรานซิสเตอร์ เบอร์ BC547		2 ตัว
D1 - ไดโอดเบอร์ 1N4004		1 ตัว
LED1 - LED สีแดง 3 มม.		2 ตัว
LDR - ตัวต้านทานเปลี่ยนค่าตามแสง		1 ตัว
อื่นๆ
พรีสเนลเลนส์ แบบลงปริ๊นต์		1 ตัว
K1 - K3 - ขั้วต่อแบบสองจุด		3 ตัว
S1 - สวิตช์เลื่อน ON/OFF ขนาดเล็ก		1 ตัว
ซ็อกเก็ตไอซี 20 ขา		1 ตัว
แผ่นวงจรพิมพ์,สายไฟ,ตะกั่ว

การสร้าง ขั้นตอนแรกเตรียมอุปกรณ์จากนั้นนำอุปกรณ์ประเภท ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ บัดกรีลงในแผ่นวงจรก่อนเป็นอันดับแรก ขั้นตอนต่อไปทำการบัดกรี LDR โดยให้ LDR อยู่ด้านบน ของลายทองแดงให้ลอยสูงจากแผ่นวงจรประมาณ 4-8 มิลลิเมตร ขั้นตอนต่อไปคือการติดตั้งตัว PIR จะถูกวางบนทางด้านทองแดงเช่นกัน แล้วสอดขาของ PIR ทั้งสามขาลอดไป บัดกรีตามตำแหน่งที่ระบุไว้คือ G-G,S-S,D-D จากนั้นจึงนำพรีสเนลเลนส์มาครอบตัว PIR อีกที แล้วยึดด้วยกาวอิพ็อกซีหรือกาวยาง

ประโยชน์PIR ดักจับความเคลื่อนไหว สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลายรูปแบบ เช่น สามารถนำไปดักจับขโมยหรือผู้บุกรุกที่เข้ามาในบริเวณบ้าน หรือเขตหวงห้าม โดยที่ไม่ต้องมีใครเฝ้าอยู่ตลอด หรือจะนำไปใช้เป็นตัวตรวจจับคนเดินเข้าออกผ่านประตู เพื่อให้ประตูเปิด-ปิดอัตโนมัติ โดยต่อเอาต์พุต เข้ากับตัวรีเลย์ เพื่อไปขับให้กลไกที่ขับเคลื่อนประตูให้ทำงาน และสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับหุ่นยนต์

สรุป PIR ดักจับความเคลื่อนไหว ทำงานได้ในทั้งที่มืดและที่สว่าง สามารถหน่วงเวลาในการทำงานได้ถึง 30 วินาที แต่ไม่สามารถเจาะจงระยะเวลาการหน่วงเวลาได้ ซึ่งถือเป็นข้อเสียอย่างหนึ่ง ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะ 3-4 เมตร ซึ่งเป็นข้อจำกัดของการตรวจจับความเคลื่อนไหว ข้อเสียคือไม่สามารถทำงานได้ทันทีเพราะจะต้องมีการ warm-up ก่อนประมาณ 30 วินาที

1. วารสารโครงงาน HOBBY ELECTRONICS เรื่อง PIR ดักจับความเคลื่อนไหว ฉบับที่ 5 หน้า 68-73

2. เอกสารเพิ่มเติมจากโครงงาน (ภาษาอังกฤษ)

3. รูปพรีสเนลเลนส์มาจาก   http://kitsrus.com/jpg/fresnel.jpg

รายละเอียดเพิ่มเติมสามารถเข้าไปดูได้ที่     ี่http://kitsrus.com/kits.html#k30
ท่านที่มีความสนใจโครงงานนี้สามารถติดต่อได้ที่        ี่http://kitsrus.com/sales.html#thailand

ขาไอซี	ชื่อขา	การทำงาน
1	Vcc	แรงดันไฟเลี้ยง(ปกติ5โวลต์)
2	Sens,adjust	ปรับความไวในการตรวจจับความเคลื่อนไหว
3	Offset filter	กรองออฟเซต
4	Anti-alias	กรองสัญญาณ
5	DC Cap	กรองแรงดันเพื่อควบคุมอัตราการขยายของ PIR
6	Vreg	โวลเตจเรกูเลเตอร์เอาต์พุต
7	Pyro (D)	ต่อกับเดรนของ PIR
8	Pyro (S)	ต่อกับซอร์สของ PIR
9	Pyro (A)	กราวด์อนาลอก
10	Gnd (D)	กราวด์ดิจิตอล
11	Daylight adjust	ปรับความไวต่อแสงสว่างภายนอก
12	Daylight sense	ต่อเซนเซอร์ตรวจจับแสง
13	Gain select	เลือกอัตราขยาย
14	On/Auto/Off	อินพุตเลือกสภาวะการทำงาน 3 สถานะ
15	Toggle	อินพุตเลือกการทำงาน(ON/OFF)
16	Out	สัญญาณเอาต์พุตควบคุมโหลด(ON/OFF)
17	LED	แสดงผลการตรวจจับ
18	C	อินพุตของวงจรไทเมอร์
19	R	เอาต์พุตของวงจรไทเมอร์
20	Fref	ความถี่อ้างอิงออสซิลเลเตอร์