Подсветим темные углы - инфракрасный датчик движения (HC-SR501) с доработкой, часть 2

Я уже писал про плавное включение подсветки. Описанное в том обзоре решение хорошо себя зарекомендовало, и я решил его доработать и заказать платы в Китае. Что из этого вышло — под катом. Приглашаю самоделкиных, любителей попаять и всех кто хочет сделать среду своего обитания более комфортной.

Про данный датчик движения было немало обзоров, в том числе и мой. Поэтому очень кратко:
— максимальная дальность обнаружения движения под прямым углом к сенсору составила 6,7 метров;
— под углом в 160 градусов — 5 метров;
— крутилка Sx — меняет расстояние обнаружения под прямым углом с 2,8 до 6.7 метров;
— крутилка Tx — меняет время удержания 1 на выходе OUT c 6 до 290 секунд.
Обозначения крутилок есть не на всех платах поэтому вот они:

Перейдем к применению. Схему из прошлого обзора доработал до более функциональной:

Теперь на ней есть поддержка выключателя и датчика освещенности. Да, фоторезистор можно припаять непосредственно к самому исходному датчику, но: нужен будет подстроечный резистор, висящий в виде сопли и компактность будет под вопросом, к тому же, мне проще чувствительность настроить программно в широком диапазоне. Поэтому я не стал так делать, а подключил его к контроллеру. Второй момент, относительно прошлого варианта — возможность подключить выключатель. Иногда датчик считает что свет включать еще рано, но пользователю уже сейчас хочется больше света без его автоматического отключения — именно в этом случае поможет такое решение. Благодаря подключению выключателя к контроллеру, по проводу к выключателю текут очень малые токи, что повышает безопасность итогового решения.

Керамический конденсатор С1 гасит высокочастотные импульсные помехи во входном питании. Линейный стабилизатор ams1117-5 позволяет получить 5 вольт из исходных 12. Из-за малых токов, потребляемых устройством я решил использовать линейный преобразователь, на выходе которого также стоит керамический конденсатор и электролит. К PIR датчику подключается земля, питание и вход контроллера PB4. В качестве контроллера можно использовать ATTiny85, ATTiny45 или ATTiny13, программа не сложная и все они справятся. В качестве ключевого элемента для плавного включения света используется n-канальный полевой транзистор (MOSFET). Так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор R3. Транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором R2. Ключевой элемент подключен к выходу контроллера PB0. Ко входу контроллера PB1 подключен выключатель, который в включенном состоянии соединяет этот вход с питанием. Для избегания неопределенных состояний PB1 подтянут резистором R4 к земле. Ко входу PB2 (A1) подключен фоторезистор, позволяющий определить текущую освещенность. Этот вход также подтянут к земле резистором R5, который гарантирует присутствие нуля в темноте. Вход контроллера PB5, являющийся одновременно входом сброса контроллера в исходное состояние (RESET) подтянут к питанию резистором R1.

Изначально печатную плату я изготовил методом «лазерного утюга» (ЛУТ), но поняв что таких устройств требуется много и не только мне (многие обратились с просьбой изготовить такое для них), разработал плату под заводское производство в программе SprintLayout:


Такая конструкция без проблем позволяет подключать нагрузку порядка 5А (60 Вт).

Посмотрим на устройство, мне показалось удобнее всего видеть модель на сайте mayhewlabs.com/3dpcb:


Для программирования через Arduino, с предварительно прошитой программой ArduinoISP и подключенным электролитическим конденсатором между выводами RST и GND (емкость 10-100 мкФ):

Следует использовать такое подключение (10, 11, 12 и 13 — пины arduino):

В рабочем режиме нужно установить перемычки (указаны желтым) и, при необходимости, подключить фоторезистор и выключатель, черным показаны пины земли, а красным питания:

Такие платы были заказаны в Китае, на известном многим сайте dirtypcbs.com. Никаких проблем с платами на этот раз не было. Как видно, я использовал панелизацию для оптимального использования пространства.

Элементы я припаивал без разделения плат, так удобнее:

Флюс на картинке еще не смыт. Далее прямо к этой плате припаивается PIR-датчик.

Так выглядит готовое устройство:



Для программирования ATTiny85 в среде arduino рекомендую воспользоваться этой статьей. Если же у вас ATTiny13 то этой.

Далее зашиваем нехитрый код в контроллер:

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// yurok (last change 25.09.2016)
// PIR - control (draft)
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#include <util/delay.h>

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// PIN configuration
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
#define PIR_PIN PB4
#define LED_PIN PB0
#define BUTTON_PIN PB1
#define LIGHT_PIN A1

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Set constants and global variables
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 0-255
#define LIGHT_BARRIER 200
#define SPEED_ON 12
#define SPEED_OFF 24
// for PIR sensor
#define TIMEOUT_LED 30000UL
// for button
#define TIMEOUT_DEBOUNCE 70

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Timers
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
unsigned long CurrentTime = 0;
unsigned long AutoTimeOn = 0;
unsigned long ButtonTimerDebounce = 0;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// FLAGS
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// 0 - auto on
// 1 - manual on
// 2 - auto mode
#define AUTO_ON_F 0
#define MANUAL_ON_F 1
#define AUTO_MODE_F 2
uint8_t FLAGS=0b00000100;

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// init
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void setup() {
  // pin 0 - is output, others is input
  DDRB  = 0b00000001;
  PORTB = 0b00000000;
}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// main loop
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void loop() {

   CurrentTime = millis();
   
   //////////////////////////////////////////////////////////////////////////    
   // BUTTON CONTROL
   //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
   if((PINB & _BV(BUTTON_PIN)) && !(FLAGS & _BV(MANUAL_ON_F))){
      if(ButtonTimerDebounce==0) ButtonTimerDebounce=CurrentTime;
      if((unsigned long)(ButtonTimerDebounce + TIMEOUT_DEBOUNCE) < CurrentTime){
        if(!(FLAGS & _BV(AUTO_ON_F))) on();
        FLAGS=0b00000010; // set manual on
        ButtonTimerDebounce = 0;
     }
   }else if(!(PINB & _BV(BUTTON_PIN)) && (FLAGS & _BV(MANUAL_ON_F))){
     if(ButtonTimerDebounce==0) ButtonTimerDebounce=CurrentTime;
     if((unsigned long)(ButtonTimerDebounce + TIMEOUT_DEBOUNCE) < CurrentTime){     
        off();
        FLAGS=0b00000100; // set auto mode on
        ButtonTimerDebounce = 0;
     }
   }else{
     ButtonTimerDebounce = 0;
   }
   
  //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  // PIR sensor
  //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  if(FLAGS & _BV(AUTO_MODE_F)){
    if(PINB & _BV(PIR_PIN)){    
      if(!(FLAGS & _BV(AUTO_ON_F)) && analogRead(LIGHT_PIN) <= LIGHT_BARRIER){
        on();
        FLAGS |= _BV(AUTO_ON_F);
      }
      AutoTimeOn = CurrentTime;
    }else if (!(PINB & _BV(PIR_PIN)) && (FLAGS & _BV(AUTO_ON_F)) && 
                  ((unsigned long)(AutoTimeOn + TIMEOUT_LED)) < CurrentTime){ 
      off();
      FLAGS &= ~_BV(AUTO_ON_F);
    }
  }
  

}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// on led
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void on(){
  uint8_t i = 0;
  do{
    analogWrite(LED_PIN, i);
    _delay_ms(SPEED_ON);                            
  }while (++i);
}

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// off led
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void off(){
  uint8_t i = 255;
  do{
    analogWrite(LED_PIN, i);
    _delay_ms(SPEED_ON);                            
  }while (i--);
}

Я оптимизировал код для возможности загрузки в ATTiny13. Краткие пояснения:
Наши используемые выводы контроллера (A1 — это вывод контроллера PB2):

#define PIR_PIN PB4
#define LED_PIN PB0
#define BUTTON_PIN PB1
#define LIGHT_PIN A1

LIGHT_BARRIER — порог освещенности, ниже которого при наличии сигнала датчика PIR включится свет (0-255 — диапазон значений).
SPEED_ON и SPEED_OFF — задают временной интервал между переходами к следующей градации при включении и выключении (в мс).
TIMEOUT_LED — интервал, в течении которого свет будет включен после последнего срабатывания детектора движения, задается в мс. Данное значение следует прибавлять ко времени выставляемом потенциометром на датчике.
TIMEOUT_DEBOUNCE — защитный интервал в мс, позволяет избежать дребезга контакта выключателя, если взять небольшое значение, то переходные процессы могут сказаться на включении и выключении, большое значение приведет к «тормозности» выключателя.

CurrentTime — значение текущего времени, позволяет избежать множественных запросов времени.
AutoTimeOn — время последней активности, обнаруженной PIR датчиком.
ButtonTimerDebounce — время изменения положения выключателя, для избегания дребезга контактов.

Для экономии памяти я использовал один байт для хранения всех признаков в программе — FLAGS, под каждый используемый признак задействован один бит, в частности: AUTO_ON_F (0) — бит, показывающий было ли автоматическое включение, MANUAL_ON_F (1) — бит, показывающий было ли ручное включение, AUTO_MODE_F (2) — бит, определяющий включен ли автоматический режим — сбрасывается при нажатии выключателя. Таким образом, для хранения признаков я задействовал 3 бита. По умолчанию: автоматический режим включен, остальные признаки не установлены.

При запуске программы производится инициализация портов: DDRB = 0b00000001 — означает, что все порты кроме нулевого используются как входы. PORTB = 0b00000000 — сбрасываем значение всех пинов.

Функция on() производит плавное включение нагрузки. Для того, чтобы перебрать 255 значений и в качестве переменной цикла использовать один байт, я использовал цикл do… while. Функция off() производит плавное выключение нагрузки. Я использовал analogWrite для выдачи нужного значения в порт управления, предварительно посмотрев ее реализацию — не увидев там особо лишнего кода, при желании можно оптимизировать, но для текущей программы памяти ATTiny13 вполне хватает.

В основном цикле (функция loop() ) вначале в переменную CurrentTime считывается текущее время, так как оно много где используется.

Далее обрабатывается код выключателя с защитой от дребезга контактов. Конструкция вида PINB & _BV(BUTTON_PIN) позволяет проверить текущее значение пина BUTTON_PIN на установленный высокий уровень более экономно по памяти, по сравнению с DigitalRead, принятой в среде arduino. Аналогично, FLAGS & _BV(MANUAL_ON_F) — позволяет проверить установлен ли нужный признак в переменной флага. Я реализовал программу так, что при включенном выключателе свет непрерывно горит и обработка сенсоров выключена, при выключенном — включается обработка сенсоров.

После этого идет обработка данных с PIR-сенсора, которая при необходимости включает и выключает свет, а также продлевает таймаут актуализируя значение AutoTimeOn при обнаружении движения.

Собственно, вот и вся нехитрая программная часть для данного устройства. Ее конечно можно оптимизировать по памяти и далее, но я в этом смысла не вижу (не люблю оптимизаций ради оптимизаций — к тому же в ущерб наглядности).

Использованные детальки:
PIR-датчик HC-SR501 10 — US $8.63
Контроллер attiny85 10 —US $7.70 либо attiny13 10 — US $3.00
Клеммная Колодка 20 — US $3.76
Полевой транзистор AOD472 D472 (MOSFET) 10 — US $8.51
Линейный стабилизатор ams1117-5 10 — US $2.63
Фоторезистор 20 — US $0.70
пины 10 — US $2.83
Резисторы и конденсаторы smd1206, а также электролит на 47 мкФ.
Плата изготовленная в домашних условиях или заказанная на заводе, у меня остались платы от заказа, при необходимости, могу выслать готовую или заготовку, пишите в личку.

Помимо светодиодной ленты или иного светильника, к данной плате можно подключить иное устройство 12 В, например, сирену или модем отправляющий сигнал хозяину, тогда это будет сигнализацией.

Видео работы из прошлого обзора (там есть монтаж в конкретных условиях прошлой версии):



Спасибо всем, кто дочитал этот обзор до конца, надеюсь кому-то данная информация окажется полезной. всем света и добра!