電子工作３５ - 集電型人体検知赤外線センサNaPiOnを使った電池式ＬＥＤセンサライトの製作
概要
もともとこの実験を始めようと思ったきっかけはパソコンの前からオペレータが一定時間離れたらモニタの電源を自動的に切ることが出来ないかということだった。つまり人体の動きを検知し、一定時間後にソレノイドなどを使ってモニタの電源ポタンを押して切るようなことを想定した。手初に人体検出赤外線センサとはどんなものか調べ、そして、そのセンサを使って電池式LEDセンサライトの製作を試みた。
センサ
いろいろ検討した結果、パナソニック電工の集電型人体検出赤外線モーションセンサ
NaPiOn AMN3111１（標準検出タイプ）というものを使うことにした。なかなか入手困難でやっと秋葉原のマルカ電機工業の東京ラジオデパート１Ｆ店
にて購入できた。
このセンサの特徴は；
１）アンプが内蔵されているモジュールタイプである。
２）出力がＨ、Ｌである。つまり、Vdd（電源電圧）と０ＶでＰＩＣでは扱いやすい。
３）電源は3.0
- 6.0 V、消費電流は170mAと電池駆動も可能。
４）最大検出距離は５ｍで、検出の水平と垂直角度は広く８０ー１００度である。
５）人体の動きに反応し、人体の移動スピード範囲は0.8 – 1.2 m/secである。
まずこのセンサの動作を見るために次のような回路を組んだ。最初に電源を入れ安定し機能するまで７秒から１分程の時間がかかる。センサの前で手や体を動かすと出力Ｈ（Ｖｄｄ）を示すＬＥＤが点灯する。原則、人体の動きに反応し、動きを止めると人体の一部がセンサのすぐ前にあっても出力はＬ（０Ｖ）になりＬＥＤは消灯する。これで大体の特性が理解出来た。
オシロで見たセンサからの出力
電源電圧（Vdd）が3.94Vの時（電池利用を想定した電圧）、センサが人体の動きを検知すると、ほぼVddと同じレベルの出力を出す。ＨとＬがはっきりしていてＰＩＣで扱い易いことが分かる。
回路
このセンサを使って電池で動作するセンサライトを製作してみることにした。備えなければならない条件は；
１）人が近付くと自動的にＬＥＤランプが点灯する。そこに居続け動いている間、途中瞬間的な消灯を伴うが点灯し続ける。
２）人が居なくなると自動的に消灯し、その後の消費電流はわずかであること。
その回路図を下に示す。12F629 (PIC)を使った。人体の動きを検知した時のセンサの出力はまず12F629のGP1（ピン６）に入る。さらにトランジスタを介してセンサの出力を示す赤色ＬＥＤにつながれている。センサからＨレベルのパルスが出るとそのつど点灯する。外してもよい。またセンサ出力は３３Ｋの抵抗を通してＧＮＤにつなげてある。これが無いとシステムがうまく動作しない。12F629に読み込まれた信号は内部のプログラムで処理され、GP4（ピン３）より直接ランプとしての高輝度ＬＥＤ２個を点灯させる。一応リセットボタンも付けてある。電池は単４を３本使い（4.5V）足元を照らすのに十分な明るさが得られる様にした。
この回路で全く動作していない時（待機時/Ｓｌｅｅｐ時）の消費電流は170mAで、そのほぼすべてがセンサの駆動に使われる（ＰＩＣの消費電流は1mA程）。人体の動きを感知してＬＥＤランプが点灯するとき抵抗100オームを通じて8-10mAの電流が流れる。照度を上げるには、ＬＥＤを破壊しない程度にこの抵抗値を小さくすればよい。ただし、１本のＧＰＩＯポートから取り出せる最大電流は２５ｍＡであるので要注意。また、２本のＧＰＩＯポートを使ったりＬＥＤの数を増やすことによっても照度は上げられる。
試作ボード上の下側に黒く丸いセンサや点灯中の赤いＬＥＤが見える。１２Ｆ629の上部には白く点灯している２個のＬＥＤが見える。電源は単４電池３本である。
プログラム
人体が近くにない時、すなわち待機時システムはできるだけ電流を消費しないように、電池でも長期間駆動できるようにプログラムを作成する必要がある。そのため割込み機能を使った。常時動作しているセンサは人体の動きを検知するとパルスを発生する。それを取り込んで割込みを発生させ、PICを目覚めさせプログラムでＬＥＤランプを一定時間点灯させる。次のパルス発生がなく割込みがない場合、つまり、人体の動きがない場合PICは＠Sleepモードに入り、センサの駆動電流だけが必要な低消費電流モードの待機状態に入る。以下が作成したプログラムである。電子工作３０のプログラムAlmS629.bas をもとにしている。
'********************** プログラミング備忘録 ******************************
'Lamp629A.bas 2000.6.22 センサライト動作プログラム PICBasic Pro compiler used
'This demo program functions as follows: when Sensor is activated,
'an interrupt occurs, executing the LEDs light-up routine (GPIO.4)
'and then enters into the sleep mode where current consumption is about 170 mA,
'most of which is consumed by Sensor (about 1 mA by PIC)
'Main themes here are how to use the interrupt and the low-power consuming
'sleep mode (@sleep), where battery operation becomes possible. Succeeded!!
'******** Pin connection ******************
'Pin 1: Vdd (4.5V) - battery operated
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 6: GPIO.1: input - connected to Motion Sensor and LED (red)
'Pin 3: GPIO.4: output - connected to two illuminating LEDs via R=100 ohm
'Pin 4: GPIO.3: input - connected to Vdd via R=10K and Reset SW
'********** ここからがプログラム本体 ***************
LED VAR GPIO.4 'LEDs on GPIO.4
CMCON=7 'Disable Comparators, GP0 & GP1 -> digital
TRISIO=%001010 'GPIO.1 (Interrupt) & GPIO.3 (Reset) - inputs
WPU=%000000 'No weak pull-up of any GPIO port
OPTION_REG.7=1 'No weak pull-up
IOC.1=1 'Detect input at GP1 - Essential !! このピンで入力データの変化検出許可
INTCON.7=1 'Enable the use of interrupt 割込み使用する
INTCON.3=1 'Enable the port input-level change interrupt GPIOポート入力レベル変化割込みを使う
LightupLoop:
LED=0
INTCON.0=0 'Clear GPIF GPIOポート入力レベル変化した時１になるので０に戻してやる
@Sleep 'Have good sleep! - This is a key command アッセンブラコマンド Sleep を使う（超小電流消費モード）
INTCON.0=0 'Clear GPIF GPIOポート入力レベル変化した時１になるので０に戻してやる
'*** ＬＥＤs ｌｉｇｈｔｕｐ ｒｏｕｔｉｎｅ ****
High LED ‘LEDs を約20 秒間点灯する
Pause 22200 ‘This gives approx. 20 sec.
Low LED ‘LEDs を消灯する
Goto LightupLoop
'********** ここまでがプログラム ***************
'Note:
'AKI Programmer's configurations:
'FOSC - INTOSC(GP4:I/O); WDTE - Disable; PWRTE - Enable
'MCLR - MCLRpin ; BODEN - Diable; CP - Disable; CDP - Disable.
'2009.6.21
結論·余談
1) 最大で５メートル位離れたところから手を振ったり、体を動かすと瞬時にＬＥＤランプが点灯する。反応は速い。
2) 待機時の消費電流は170mAなので、単４アルカリ電池３本で半年以上もつ計算になる（待機時のみとして単４電池900 mAH/0.17 mA=5294 hours
–> 220 days） 。
また、ＬＥＤランプ点灯時でも１０ｍＡ以下の電流しか流れない。
3) このセンサは￥１０３０と比較的高価であったが使い方が簡単で良く出来たセンサと思う。いろんな目的に使えそう。
4) 他にも１個100円のモジュール化されてないＡＫＥ−１（ＲE-210）というセンサも試してみたがジジイには難し過ぎた。
上記を改良した回路とプログラム（２００９．６．２６）
回路の改良点は；
１） ＬＥＤランプの点灯時間をスイッチで短・長時間の２段階（２０、または４０秒間）に切り換えられるようにした。 それでも待機時消費電流は１７０mＡと変わらない。
２） 明るさを増すためにＬＥＤの数を２本から３本に増やした。Ｒ＝４７で約１５ｍＡの電流が流れる。
３） Ｒｅｓｅｔ SWは除いた。ただし、ＧＰ３ （Ｐｉｎ４）をＲ＝１0Ｋを介してＶｄｄに接続しておく必要あり。
プログラム
ＧＰ５（Ｐｉｎ２）より点灯時間の短・長時間選択を切り換えＳＷから読込むので、その部分が新たに加わった。例えば、 ＩＦLupTimeSW=0 Then ShortTimeなどである。新たに加わった部分は<####>で示した。
'****************** プログラミング備忘録 *******************
'Lamp629B.bas 2000.6.25
'******** Pin connection ******************
'Pin 1: Vdd (3.0V) - battery operated
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 6: GPIO.1: input - connected to Motion Sensor and LED (red)
'Pin 3: GPIO.4: output - connected to 3 illuminating LEDs via R=X ohm
'Pin 2: GPIO 5: input - connected to SW which leads to Vdd or GND via R=100K <####>
'Pin 4: GPIO.3: input - connected to Vdd via R=10K
'********** ここからがプログラム本体 ***************
LED VAR GPIO.4 'LEDs on GPIO.4
LupTimeSW var GPIO.5 'Read H(Vdd Long time) or L(0V Short time) <####>
CMCON=7 'Disable Comparators, GP0 & GP1 -> digital
TRISIO=%101010 'GPIO.1 (Interrupt) & LupTimeSW read – inputs <####>
WPU=%000000 'No weak pull-up of any GPIO port
OPTION_REG.7=1 'No weak pull-up
IOC.1=1 'Detect input at GP1 - Essentiall !!
INTCON.7=1 'Enable the use of interrupt
INTCON.3=1 'Enable the port input-level change interrupt
LightupLoop:
LED=0
INTCON.0=0 'Clear GPIF
@Sleep 'Have good sleep! - This is a key command
INTCON.0=0 'Clear GPIF
'***** ＬＥＤs ｌｉｇｈｔｕｐ ｒｏｕｔｉｎｅ *****
If LupTimeSW=0 Then ShortTime ‘短い点灯時間か？ <####>
If LupTimeSW=1 Then LongTime ‘長い点灯時間か？ <####>
ShortTime: <####>
High LED
Pause 22200 '約20 sec
Low LED
Goto LightupLoop
LongTime <####>
High LED
Pause 44400 '約40 sec
Low LED
Goto LightupLoop
'********** ここまでがプログラム ***************
'Note:
'AKI Programmer's configurations:
'FOSC - INTOSC(GP4:I/O); WDTE - Disable; PWRTE - Enable
'MCLR - MCLRpin ; BODEN - Diable; CP - Disable; CDP - Disable.
'2009.6.21
人体検知を遅延させる機能を追加した （２００９．６．２９）
上記の回路とプログラム（２００９．６．２６）を以下のように若干変更した。
人体の動きを検知しすぐＬＥＤランプが点灯するこれまでの機能に加え、ある一定時間センサの前で動かないとＬＥＤランプが点灯しないようにする機能を追加した。これはセンサの前を瞬時に過ぎ去るような人体の動きには反応しないようにするためである。
回路（追加した検知遅延選択回路）の改良点は；
1) 新たにＳＷを設け、切り替えでＶｄｄ またはGNDに１００Ｋ経由で接続できるようにした。他端は１２Ｆ６２９のＧＰ０（Ｐｉｎ７）につないだ。
２） X-sec waitを選択すると、人体の動きを一定時間検知し設定の値に合致するとＬＥＤランプが点灯する。 Ｉｎｓｔａｎｔｌｙは従来モードで人体の動きを検知するとすぐ点灯する。
３） この回路の追加で待機時の消費電流が１７０mＡから２２０mＡへと若干増加した。
プログラム
ＧＰ０（Ｐｉｎ７）より読込んだＨ，Ｌ信号でＬならＩｎｓｔａｎｔｌｙで従来通り人体の動きを検知してすぐＬＥＤランプ点灯する。一方、ＨであるＸ−ｓｅｃ
ｗａｉｔでは、ＧＰ１より０．５秒間毎に１０回取り込んだセンサ信号が７回以上（７回も含め）“Ｈ”であったらＬＥＤランプを点灯させるというように設定した。人体の動きに対する感度はこの部分で調整できる。
'****************** プログラミング備忘録
*******************
'Lamp629C.bas 2000.6.28
'******** Pin connection ******************
'Pin 1: Vdd (3.0V) - battery operated
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 6: GPIO.1: input - connected to Motion
Sensor and LED (red)
'Pin 3: GPIO.4: output - connected to 3
illuminating LEDs via R=X ohm
'Pin 2: GPIO 5: input - connected to SW
which leads to Vdd or GND via R=100K
Lightup Time
'Pin 4: GPIO.3: input - connected to Vdd
via R=10K
'Pin 7: GPIO.0: input - connected to SW
which leads to Vdd or GND via R=100K
Wait Time
'********** ここからがプログラム本体 ***************
LED VAR GPIO.4
'LEDs on GPIO.4
LupTimeSW var GPIO.5 'Read
H(Vdd Long time) or L(0V Short time)
WaitTimeSW var GPIO.0 'Read H(Vdd X-sec wait) or L(0V
Instantly)
SensIn var GPIO.1 'Input from Sensor センサからの読込み
AddH var Ｂyte ‘ＡｄｄＨ Hレベルのカウンタ
CMCON=7
'Disable Comparators, GP0 & GP1 -> digital
TRISIO=%101011 'GPIO.1 (Interrupt), LupTimeSW &
WaitTimeSW read - inputs
WPU=%000000 'No weak pull-up
of any GPIO port
OPTION_REG.7=1 'No weak pull-up
IOC.1=1 'Detect
input at GP1 - Essentiall !!
INTCON.7=1 'Enable the use of interrupt
INTCON.3=1 'Enable the port input-level change
interrupt
LightupLoop:
LED=0
INTCON.0=0 'Clear GPIF
@Sleep 'Have good sleep! - This is a key command
INTCON.0=0 'Clear GPIF
'*** Demo routine *** ‘Insert your routine below
If WaitTimeSW=0 Then Lightup ‘WaitTimeSWがGNDならLightupへ飛べ
If WaitTimeSW=1 Then Xsecwait ‘WaitTimeSWがＶｄｄならXsecwait
へ飛べ
Xsecwait:
AddH=0 'AddH
= No. of 'H' pulse detected in reading SensIn センサから読込んだHの数、まず０とする
If SensIn=1 Then 'Read SensIn １個目の Ｈ ｏｒ Ｌをチェックする。もし読込んだセンサ値がＨなら AddH=AddH+1でＨ=1を加算する
AddH=AddH+1
Endif
Pause 500 '0.5 sec 0.5秒待つ
If SensIn=1 Then
AddH=AddH+1
Endif
Pause 500 '0.5 sec
If SensIn=1 Then
AddH=AddH+1
Endif
Pause 500 '0.5 sec
If SensIn=1 Then
AddH=AddH+1
Endif
Pause 500 '0.5 sec
If SensIn=1 Then
AddH=AddH+1
Endif
Pause 500 '0.5 sec
If SensIn=1 Then
AddH=AddH+1
Endif
Pause 500 '0.5 sec
If SensIn=1 Then
AddH=AddH+1
Endif
Pause 500 '0.5 sec
If SensIn=1 Then
AddH=AddH+1
Endif
Pause 500 '0.5 sec
If SensIn=1 Then
AddH=AddH+1
Endif
Pause 500 '0.5 sec
If SensIn=1 Then ‘１０個目の Ｈ ｏｒ Ｌをチェックする
AddH=AddH+1
Endif
Pause 500 '0.5 sec
If AddH >= 7 Then '7 times out of 10
times もし、合計AddH値が７より大きいか、等しければLightupへ飛んでＬＥＤランプを点灯させる。そうでなければLightupLoopへ戻る
Goto Lightup
Endif
Goto LightupLoop
Lightup:
If LupTimeSW=0 Then ShortTime
If LupTimeSW=1 Then LongTime
ShortTime:
High LED
Pause 11100 '約10 sec
Low LED
Goto LightupLoop
LongTime:
High LED
Pause 44400 '約40 sec
Low LED
Goto LightupLoop
'********** ここまでがプログラム ***************
'Note:
'AKI Programmer's configurations:
'FOSC - INTOSC(GP4:I/O); WDTE - Disable; PWRTE -
Enable
'MCLR - MCLRpin ; BODEN - Diable; CP - Disable; CDP -
Disable.
'2009.6.21
余談
１） いつものようにプログラムは最初動作しなかった。２日かかってSensIn var GPIO.1 のGPIO.1をGPIO.０としていたことに気づいた。ロジックは最初からＯＫ！
２） このセンサを使い、今回製作した回路やプログラムで実用的なセンサライトやその応用機器が作れそうだ。 完