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Sensor de Movimento PIR – Passive Infrared

Alguma vez vocês já entraram no banheiro de um restaurante e a luz se acendeu automaticamente, sem a necessidade de um interruptor? Muito provavelmente foi empregado um sensor de movimento / presença do tipo PIR – Passive Infrared / Infravermelho Passivo.

Um sensor de movimento PIR é, basicamente, uma câmera infravermelha que detecta a radiação IR (“radiação de corpo negro”) que é irradiada por objetos que penetram em seu campo de visão. No geral, esse tipo de sensor capta radiação infravermelha com comprimento de onda em torno de 10μm (10 micrômetros, equivalente a 10.000nm), que equivale aproximadamente à temperatura corporal de animais de sangue quente em geral, como os seres humanos.

Esse tipo de sensor é pequeno, consome pouca energia e possui um custo baixo, além de ser fácil de conectar e ter uma grande durabilidade. Assim, são amplamente utilizados em diversas aplicações domésticas ou comerciais, como sensores de presença (“luz do banheiro”), abertura automática de portas e alarmes, por exemplo.

Funcionamento do sensor PIR

Todos os objetos que possuam temperatura acima do zero absoluto emitem energia térmica na forma de radiação. Essa radiação, no geral, é invisível ao olho humano, pois é emitida em comprimentos de onda na faixa do infravermelho, porém essa radiação pode ser detectada por sensores especiais – como o PIR.
O “P” da sigla PIR significa passive (passivo), indicando que o dispositivo não gera nem irradia energia IR em seu processo de detecção, operando exclusivamente por meio da detecção de energia infravermelha emitida pelos objetos.

Sensores infravermelhos, no geral, funcionam baseados em um efeito denominado de Efeito Piroelétrico, no qual uma mudança na temperatura causa expansão térmica, fazendo surgir uma carga elétrica, por meio de efeito piezoelétrico.
No geral, materiais piezoelétricos também são piroelétricos.

Fisicamente, o sensor PIR é composto de duas partes construídas com material sensível à radiação infravermelha. Cada metade consegue detectar (“enxergar”) a radiação IR até uma distância específica, que basicamente dita a sensibilidade do sensor.

Quando não há movimento na área de visão do sensor, as duas metades detectam a mesma quantidade de radiação presente no ambiente. Porém, quando um objeto quente (como uma pessoa ou animal) passa na frente do sensor, a radiação emitida por esse corpo é detectada primeiramente por uma das metades do PIR, causando o que chamamos de mudança diferencial positiva entre as duas metades. Quando o corpo aquecido sai da área de detecção, ocorre o inverso – mudança diferencial negativa.

E é justamente isso que o sensor detecta – essas mudanças nos níveis de radiação entre as duas partes do sensor.

O sensor em si é apenas um pequeno retângulo de material sensível posicionado sobre um substrato plástico, possuindo uma área de cobertura (campo de visão) limitado. Por conta disso, ele é recoberto com um domo plástico composto por lentes especiais, do tipo Lentes de Fresnel,  que permitem aumentar seu campo de visão consideravelmente e focalizar a luz infravermelha. A lente condensa uma grande área em uma área pequena, adequada para sensibilizar o material sensível.

Na prática, diferentes tipos de sensores PIR podem combinar lentes de fresnel de várias formas, de acordo com o padrão de detecção desejado: objetos que passem na frente do sensor, objetos que passem pelas laterais, e assim por diante.

Quando a quantidade de radiação infravermelha muda repentinamente, o sensor é acionado, o que ocorre quando m objeto se move em frente ao campo de visão do sensor, causando um transiente no sinal. Quanto mais quente o objeto, mais radiação ele emite, e mais facilmente é detectado.

O que o sensor detecta na verdade é movimento, representado por uma mudança nos níveis de IR detectados, porém não os níveis absolutos em si (não serve para medir níveis de radiação infravermelha).

Alguns sensores PIR mudam o estado de seu pino de saída para HIGH (alto) quando é detectado movimento, enquanto outros modelos de PIR mudam o estado no pino de saída para LOW (nível baixo). Sempre consulte o datasheet de seu modelo de PIR antes de montar o circuito.

Os sensores PIR também são sensíveis em distâncias e ângulos diferentes, por isso a importância de consultar seus datasheets, para que seja possível escolher o modelo mais apropriado à aplicação desejada.

Em nosso projeto de exemplo, mais à frente, vamos utilizar o sensor de movimento PIR HC-SR501, que pode ser encontrado facilmente em casas de material para eletrônica ou pela Internet, em lojas especializadas.

Características

Um sensor PIR típico, como o HC-SR501 (que usamos em nossos projetos), possui as seguintes características:

• Alimentação (tensão de entrada) variável, entre 4V e 20V – recomenda-se usar 5V.
• Baixo consumo de energia, cerca de 65mA
• Campo de visão: 120º, até 7m de distância
• Tensão de saída (pino de disparo): 3,3V TTL (níveis alto / baixo)
• Temperatura de operação: -20 a +70ºC
• Modos de operação: Repeatable e Non-Repeatable (para nível alto apenas)

As dimensões típicas são mostradas na figura a seguir:

Pinagem do PIR

A pinagem do sensor PIR HC-SR501 pode ser consultada na tabela a seguir:

Pino	Nome	Descrição
1	Vcc	Tensão de entrada, tipicamente 5V para aplicações comuns.
2	Saída (DOut – Data Out)	Pulso de saída digital, geralmente 3,3V, gerado quando movimento é detectado pelo sensor. Quando não há movimento, seu valor permanece em 0V (alguns modelos de PIR invertem esse comportamento).
3	GND	Terra do circuito

A figura a seguir mostra a pinagem do sensor, vista a partir da parte inferior da placa, e incluindo os trimpots de ajuste de sensibilidade e temporização:

Nos próximos artigos vamos desenvolver alguns projetos utilizando sensores PIR e microcontroladores, como por exemplo Como usar um Sensor de Movimento PIR com Arduino.

Referências

Platt, C.; Jansson, F. Encyclopedia of Electronic Components – Vol. 03. Maker Media. 2016