Как работает микроволновый радарный датчик движения RCWL-0516 и его подключение к Arduino

Для большинства проектов на Arduino, где необходимо определять, вошёл или вышел кто-либо из зоны действия, `PIR-датчик `_ является отличным выбором. Однако, поскольку такие датчики обнаруживают только движение живых существ, они генерируют меньше ложных срабатываний.

Именно здесь пригодится микроволновый датчик, такой как RCWL-0516. Микроволновый датчик RCWL-0516 обнаруживает любое движение любого объекта и не зависит от тепловых сигнатур, что делает его более надёжным в жарких условиях, где PIR-датчик может быть менее эффективным.

Прежде чем углубляться в детали, давайте сначала разберёмся, как именно работает датчик RCWL-0516.

Как работает доплеровский радар?

Модуль RCWL-0516 использует «доплеровский радар» — специализированный радар, основанный на эффекте Доплера (также известном как доплеровский сдвиг) для обнаружения движения и выдачи сигналов приближения.

Что такое эффект Доплера?

Эффект Доплера, названный в честь австрийского физика Кристиана Доплера, предложившего его в 1842 году, описывает изменение частоты, наблюдаемое неподвижным наблюдателем, когда источник частоты движется. Это справедливо для всех видов волн: водяных, световых, радиоволн и звуковых.

Вы наверняка слышали этот эффект много раз, возможно, даже не осознавая этого — когда тон сирены снижается при проезде машины скорой помощи.

По мере приближения скорой помощи звуковые волны от сирены сжимаются на меньшем расстоянии, увеличивая их частоту, что мы слышим как более высокий тон. Обратное происходит, когда скорая помощь удаляется от вас, — звуковые волны становятся ниже по частоте и тону. В результате вы слышите заметное понижение тона сирены при её проезде.

Доплеровский радар работает, отправляя микроволновый сигнал на целевой объект и считывая частоту отражённого сигнала. Анализируя, как движение цели изменило частоту переданного сигнала, можно измерить скорость цели.

Возможно, вы видели, как полицейские используют радарные спидометры для поимки превышающих скорость водителей. Эти радарные спидометры, как и другие виды радаров, состоят из микроволнового передатчика и приёмника. Они посылают микроволновый сигнал, а затем принимают его после отражения от цели.

Из-за эффекта Доплера, если объект движется к радару или от него, частота отражённого микроволнового сигнала отличается от частоты переданного сигнала.

Когда автомобиль приближается к радару, частота отражённого сигнала больше частоты переданного сигнала; когда автомобиль удаляется — частота ниже.

На основе этой разницы радарный спидометр вычисляет скорость автомобиля, от которого отразился сигнал.

Обзор оборудования RCWL-0516

RCWL-0516 — это активный датчик, а не пассивный, как HC-SR501 (пассивный инфракрасный — PIR). Он излучает микроволны на частоте около 3,18 ГГц и измеряет отражённое излучение.

Датчик RCWL-0516 достаточно прост и работает сразу из коробки. Просто подайте питание от 4В до 28В и подключите землю. Выход датчика переходит в состояние HIGH на две секунды при обнаружении движения и в состояние LOW в режиме ожидания (движение не обнаружено).

И самое лучшее — он может обнаруживать движение на расстоянии до 7 метров, потребляя при этом менее 3 мА тока.

Микросхема RCWL-9196

В основе датчика лежит микросхема контроллера доплеровского радара — RCWL-9196. Эта микросхема очень похожа на BISS0001, которая используется в PIR-датчиках.

Микросхема также поддерживает повторные срабатывания и обеспечивает зону обнаружения в 360 градусов без мёртвых зон.

Микроволновая антенна и усилитель мощности РЧ

В основе РЧ-схемы лежит усилитель мощности РЧ MMBR941M. Он принимает маломощный РЧ-сигнал и усиливает его до более высокого уровня мощности. Как правило, этот усилитель мощности РЧ управляет антенной датчика.

Поскольку микроволновая антенна интегрирована непосредственно на печатной плате, RCWL-0516 стал полностью автономным модулем.

Питание

RCWL-0516 потребляет менее 3 мА тока и работает при напряжении от 4 до 28 вольт, что делает его идеальным компонентом для устройств с батарейным питанием.

Кроме того, модуль оснащён регулятором напряжения на 3,3В, который может обеспечить ток до 100 мА для питания внешних схем.

Технические характеристики

Вот основные характеристики:

Рабочее напряжение	4-28V (обычно 5V)
Дальность обнаружения	5-7 метров
Максимальное потребление тока	~ 2.7mA
Рабочая частота	~3.18GHz
Мощность передачи	30mW (макс.)
Длительность сигнала	~ 2с
Регулируемый выход	3.3V, 100mA

Дополнительный компонент — фоторезистор (LDR)

RCWL-0516 также поддерживает подключение опционального фоторезистора (LDR), который позволяет устройству работать только в темноте. Это полезно для создания систем освещения, реагирующих на движение.

Существует два способа подключения LDR к датчику.

Через две площадки CDS на верхней стороне датчика.
Через вывод CDS на нижней стороне, подключив LDR между ним и землёй.

Что означает CDS?

CDS расшифровывается как сульфид кадмия — это фоточувствительный компонент, используемый в большинстве фоторезисторов. Поэтому фоторезисторы иногда называют CDS-фоторезисторами.

Настройки перемычек RCWL-0516

Если внимательно посмотреть на модуль, вы заметите три перемычки на обратной стороне.

Установив на эти перемычки соответствующие резисторы и конденсаторы, можно изменить настройки датчика по умолчанию:

C-TM (регулировка длительности импульса): Установив на C-TM подходящий SMD-конденсатор, можно увеличить длительность выходного импульса. По умолчанию длительность импульса составляет 2 секунды. Бо́льшие номиналы конденсаторов приводят к более длинным импульсам. Например, 0,2 мкФ увеличивает длительность импульса до 50 с, а 1 мкФ — до 250 с.

R-GN (регулировка дальности обнаружения): Установив на R-GN подходящий резистор, можно уменьшить дальность обнаружения датчика. По умолчанию дальность обнаружения составляет 7 м. Резистор 1 МОм уменьшает дальность до 5 м, а резистор 270 кОм — до 1,5 м.

R-CDS (регулировка чувствительности к освещению): Это альтернатива пайке LDR. Подойдёт любой резистор в диапазоне 47K–100K. Чем ниже номинал, тем ярче должен быть свет для отключения срабатывания.

Распиновка датчика RCWL-0516

Датчик RCWL-0516 имеет следующие выводы:

3V3 — выход встроенного стабилизатора напряжения на 3,3В, а не вход питания. Если вам нужен стабильный выход 3,3В для питания внешних логических схем, вы можете использовать его. Он может обеспечить ток до 100 мА.

GND — контакт земли.

OUT — цифровой выход с логическим уровнем TTL 3,3В. Переходит в состояние HIGH на две секунды при обнаружении движения и в LOW в режиме ожидания (движение не обнаружено).

VIN — вход питания датчика. На этот контакт можно подать напряжение от 4 до 28В, хотя обычно используется 5В.

CDS — контакты для подключения фоторезистора (LDR). Добавление этого компонента позволяет RCWL-0516 работать только в темноте.

Эксперимент 1: Использование датчика RCWL-0516 как автономного устройства

Одна из причин, почему датчик RCWL-0516 чрезвычайно популярен, — это универсальный датчик, который вполне способен работать самостоятельно. Его универсальность можно ещё больше расширить, подключив его к микроконтроллеру, такому как Arduino.

В первом эксперименте мы используем RCWL-0516, чтобы показать, насколько он полезен сам по себе.

Схема подключения для этого эксперимента очень проста. Подключите батарейки к выводам VIN и GND датчика, а небольшой красный светодиод — к выходному контакту через токоограничивающий резистор 220 Ом. Вот и всё!

Теперь, когда RCWL-0516 обнаружит движение, выходной контакт перейдёт в состояние HIGH и зажжёт светодиод!

Вы можете подключить этот выход напрямую к модулю реле, если хотите включать/выключать что-либо при обнаружении движения.

Радарные сигналы могут проникать через непроводящие материалы, такие как пластик. Это означает, что вы можете разместить датчик внутри пластикового корпуса, если хотите скрыть его или защитить от случайного повреждения.

Эксперимент 2: Добавление фоторезистора (LDR)

В следующем эксперименте мы будем использовать фоторезистор (LDR — Light Dependent Resistor).

Подключить LDR очень легко. Вы можете использовать либо две площадки CDS на верхней стороне датчика, специально предназначенные для подключения LDR, либо вывод CDS на нижней стороне, подключив LDR между ним и землёй.

Вы можете использовать любой LDR, который есть под рукой. Кроме того, у LDR нет полярности, поэтому его можно подключать в любом направлении.

При освещении LDR вы заметите, что датчик не выдаёт сигнал. Однако, как только в комнате станет темно, он возобновит нормальную работу.

Это имеет множество практических применений, например управление освещением в комнате или обнаружение нарушителей в ночное время.

Эксперимент 3: Считывание данных RCWL-0516 с помощью Arduino

В следующем эксперименте мы будем использовать Arduino для постоянного опроса контакта датчика, чтобы определять, обнаружено ли движение.

Этот проект, конечно, можно расширить для различных реакций на движение, например включение и выключение света, активация вентилятора или реквизита для Хэллоуина, или даже съёмка фото нарушителя.

Подключение

Подключение датчика RCWL-0516 к Arduino очень простое. Подайте питание 5В на RCWL-0516 и подключите землю к земле. Поскольку RCWL-0516 работает как цифровой выход, достаточно просто считывать сигнал с выходного контакта. Подключите выход к цифровому пину #8 на Arduino.

Теперь вы готовы загрузить код и запустить RCWL-0516.

Код Arduino

Код очень простой. По сути, он отслеживает, находится ли вход на пине #8 в состоянии HIGH или LOW.

int ledPin = 13;                // choose the pin for the LED
int inputPin = 8;               // choose the input pin (for Radar sensor)
int motionState = 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 (motionState == LOW) {
      Serial.println("Motion detected!"); // print on output change
      motionState = HIGH;
    }
  }
  else {
    digitalWrite(ledPin, LOW); // turn LED OFF

    if (motionState == HIGH) {
      Serial.println("Motion ended!");  // print on output change
      motionState = LOW;
    }
  }
}

Направив датчик вверх, проведите рукой над ним. В последовательном терминале вы должны увидеть сообщение «Motion Detected».