37款传感器与模块的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手试试多做实验，不管成功与否，都会记录下来——小小的进步或是搞不掂的问题，希望能够抛砖引玉。
【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验二百零二：HC-SR505迷你小型人体感应模块 热释电 红外运动感应开关传感器 探头
知识点：红外线、热传递与红外辐射
一、红外线（infrared，简称IR）
1、红外线是频率介于微波与可见光之间的电磁波，是电磁波谱中频率为0.3THz～400THz，对应真空中波长为1mm～750nm辐射的总称。它是频率比红光低的不可见光。红外线的英文名是Infrared，其中的infra-意为意为“低于，在…下”。
在物理学中，凡是高于绝对零度（0K，即-273.15℃）的物质都可以产生红外线（以及其他类型的电磁波）。现代物理学称之为黑体辐射（热辐射）。医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。红外线具有热效应，能够与大多数分子发生共振现象，将光能（电磁波的能量）转化为分子内能（热能），太阳的热量主要就是通过红外线传到地球上的。在电磁波谱中，把位于红光之外，频率比可见光低，比微波高的辐射叫做红外线（位于紫光之外，频率比可见光高，比X射线低的辐射叫做紫外线），红外线肉眼看不见，属于不可见光。
2、红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由英国科学家赫歇尔于1800年发现，又称为红外热辐射，热作用强。他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒介。红外线的英文名是Infrared，其中的infra-意为意为“低于，在…下”。 太阳光谱上红外线的频率低于可见光线，频率为 0.3THz～400THz，对应真空中波长为 1000μm～0.75μm。
红外线可分为三部分，即近红外线（高频红外线，能量较高），波长为 (32.5)μm～(10.75)μm 之间；中红外线（中频红外线，能量适中），波长为 (4025)μm～(32.5)μm 之间；远红外线（低频红外线，能量较低），波长为1500μm～(40~25)μm 之间。红外线（尤其是远红外线）具有很强的热效应，它能够与生物体内大多数无机分子和有机大分子发生共振，使这些分子运动加速并相互摩擦，进而产生热量，因此红外线可以用于加热，也可以应用于分子光谱研究中。远红外线在科研中又称“太赫兹射线”或“太赫兹光”，与微波频段相邻，具有红外线和微波的双重性质，在科研上得到了很多关注，广泛应用于生物、化学、分子光谱学、有机合成等学科领域中。
3、红外线的特点，红外线频率较低（频率由低到高排序依次为：无线电、微波、红外线、可见光），给人的感觉是热的感觉，产生的效应是热效应，那么红外线在穿透的过程中穿透达到的范围是在一个什么样的层次？如果红外线能穿透到原子、分子内部，那么会引起原子、分子的膨大，从而导致原子、分子的解体。真的是这样吗？而事实上呢，红外线频率较低，能量不够，远远达不到原子、分子解体的效果。因此，红外线只能穿透了原子分子的间隙中，而不能穿透到原子、分子的内部，由于红外线只能穿透到原子、分子的间隙，会使原子、分子的振动加快、间距拉大，即增加热运动能量，从宏观上看，物质在融化、在沸腾、在汽化，但物质的物理、化学性质（原子、分子本身）并没有发生改变，这就是红外线的热效应。
因此我们可以利用红外线的这种激发机制来烧烤食物，使有机高分子发生变性，但不能利用红外线产生光电效应，更不能使原子核内部发生改变。同样的道理，我们不能用无线电波来烧烤食物，无线电波的波长实在太长无法穿透到有机高分子间隙更不用说使其变性达到食物烤熟的目的。通过上述我们知道：波长越短，频率越高、能量越大的波穿透达到的范围越大；波长越长，频率越低、能量越小的波穿透达到的范围越小。 而对于衍射能达到的范围而言，则是相反的：波长越长，衍射能力越强；波长越短，衍射能力越弱。
二、热传递（heat transfer）
1、热传递（或称传热）是物理学上的一个物理现象，是指由于温度差引起的热能传递现象。热传递中用热量量度物体内能的改变。热传递主要存在三种基本形式：热传导、热辐射和热对流。只要在物体内部或物体间有温度差存在，热能就必然以以上三种方式中的一种或多种从高温到低温处传递。对于固体热源，当它同周围媒质温度差不很大时（约50°C以下），热源向周围媒质传递的热量可由牛顿冷却定律来计算。
2、热传导（Heat Conduction）
热传导(又称为导热)是指当不同物体之间或同一物体内部存在温度差时，就会通过物体内部分子、原子和电子的微观振动、位移和相互碰撞而发生能量传递现象。不同相态的物质内部导热的机理不尽相同。气体内部的导热主要是其内部分子做不规则热运动是相互碰撞的结果；非导电固体中，在其晶格结构的平衡位置附近振动，将能量传递给相邻分子，实现导热；而金属固体的导热是凭借自由电子在晶格结构之间的运动完成的。热传导是固体热传递的主要方式。在气体或液体等流体中，热的传导过程往往和对流同时发生。
傅立叶定律是传热学中的一个基本定律，由法国著名科学家傅立叶于1822年提出。公式指出导热速率与微元所在处的温度梯度成正比。热导率(thermal conductivity)是单位温度梯度下的导热热通量，因而它代表物质的导热能力 。物体的热导率与材料的组成、结构、温度、湿度、压强及聚集状态等许多因素有关。一般说来：金属的热导率最大，非金属次之，液体的较小，而气体的最小；固体金属材料热导率与温度反比，固体非金属材料与温度成正比；金属液体的热导率很大，而非金属液体的热导率较小；气体的热导率随温度升高而增大。各种物质的导热系数通常用实验方法测定 。
3、热辐射（Heat radiation）
物体由于具有温度而辐射电磁波的现象,称为热辐射。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大。热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0直至∞，一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。温度较低时，主要以不可见的红外光进行辐射，当温度为300℃时热辐射中最强的波长在红外区。当物体的温度在500℃以上至800℃时，热辐射中最强的波长成分在可见光区。辐射源表面在单位时间内、单位面积上所发射（或吸收）的能量同该表面的性质及温度有关 ，表面越黑暗越粗糙，发射（吸收）能量的能力就越强。任何物体都以电磁波的形式向周围环境辐射能量。辐射电磁波在其传播路上遇到物体时，将激励组成该物体的微观粒子的热运动，使物体加热升温。一个物体向外辐射能量的同时，还吸收从其他物体辐射来的能量。如果物体辐射出去的能量恰好等于在同一时间内所吸收的能量，则辐射过程达到平衡，称为平衡辐射，此时物体具有固定的温度。
热辐射能把热能以光速穿过真空，从一个物体传给另一个物体。任何物体只要温度高于绝对零度，就能辐射电磁波，被物体吸收而变成热能，称为热射线。电磁波的传播不需要任何媒质，热辐射是真空中唯一的热传递方式。太阳传递给地球的热能就是以热辐射的方式经过宇宙空间而来。热辐射的重要规律有4个：基尔霍夫辐射定律、普朗克辐射分布定律、斯蒂藩-玻耳兹曼定律、维恩位移定律。这4个定律，统称为热辐射定律。
4、热对流（thermal convection）
是指流体内部质点发生相对位移的热量传递过程。由于流体间各部分是相互接触的，除了流体的整体运动所带来的热对流之外，还伴生有由于流体的微观粒子运动造成的热传导。
工业中热对流可分为以下四种类型：
（1）流体无相变化时，根据产生的原因不同，有自然对流和强制对流两种，其中强制对流传热根据流动状态的不同，又可分为层流传热和湍流传热。
（2）流体有相变化时，包括蒸汽冷凝对流和液体沸腾对流。
（3）对流传热通常用牛顿冷却定律来描述。
（4）对流传热系数代表对流传热能力。影响对流传热系数的主要因素有：引起流动的原因、流动状况、流体性质、传热面性质等。对流传热系数可由理论推导、因次分析、实验等方法获得 。
三、红外辐射（infrared radiation）
1、红外辐射简史
1666年，英国物理学家牛顿发现，太阳光经过三棱镜后分裂成彩色光带──红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳在用水银温度计研究太阳光谱的热效应时，发现热效应最显著的部位不在彩色光带内，而在红光之外。因此，他认为在红光之外存在一种不可见光。后来的实验证明，这种不可见光与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律,所不同的只是一个物理参数──波长。这种不可见光称为红外辐射，又称红外光、红外线。
17～18世纪，许多物理学家认为，光（包括红外光和紫外光）具有波动的性质，有一定的传播速度,波长是它的特征参数并可以测量。可见光的颜色不同，反映了它们的波长不同。紫光的波长最短，红光的波长最长,红外辐射的波长则更长，紫外光的波长比紫光更短。1864年，英国物理学家J.C.麦克斯韦从理论上总结了当时已有的电磁学规律，提出了存在电磁波的可能性,它的传播速度可用纯电学量计算出来。后来的实际测量证明，其传播速度就是光速。因而猜想，光波就是电磁波。1887年，德国科学家H.R.赫兹用实验证实了这一猜想。已知带电体受到扰动就发射出电磁波。扰动越强烈，发射出电磁波的能量就越大，波长就越短。由于受扰动的方式有多种，电磁波的波长范围很广。
2、红外辐射位于电磁波谱的中央，其波长覆盖四个数量级。在整个电磁波谱中，不管是哪一个波段，其传播速度都是光速c，波长为λ(厘米)，每秒振动数称为频率ν(秒-1)，则λν=c。
红外波段的划分，电磁波谱划分为许多不同名称的波段。主要是根据它们的产生方法、传播方式、测量技术和应用范围的不同而自然划分的。红外波段又可划分为近红外、中红外、远红外三个波段。但划分的方法则因学科或技术领域不同而异。由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个“窗口”，即1～3微米、3～5微米、8～13微米，可让红外辐射通过。因而在军事应用上，分别称这三个波段为近红外、中红外、远红外波段。8～13微米，也称为热波段。
在光谱学中，划分波段的方法尚不统一。一般分别以0.75～3微米、3～40微米和40～1000微米作为近红外、中红外和远红外波段。近红外是可以用玻璃作为透射材料和用硫化铅探测器进行检测的波段。中红外原来是以棱镜作为色散元件的波段，但后来都采用光栅作为色散元件，40微米这个界限不再有意义。但是,40微米又是石英能让红外辐射透过的起始波长，故仍可作为中红外波段与远红外波段的界限。在远红外波段的长波端，传统的几何光学和微波传输技术都不适用，需要发展新的技术。新技术适用的波段也可能是一个新名称的波段。此外，远红外波段内出现激光，以辐射源是否具有相干性作为远红外与微波划界的标准已不适用。因而暂以1000微米作为远红外波段的界限，把波长为1～3毫米的电磁波称为短毫米波。
3、红外辐射的应用主要有：红外探测器、红外测温仪、红外成像技术、红外无损检测，以及在军事上的红外侦察、红外雷达等。在工业上最主要的应用就是红外测温仪和红外热像仪。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。利用这一点，红外测温仪开始成为测温领域的主流。红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统）接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。这种热像图与物体表面的热分布场相对应。目前，红外测温仪和红外热像仪被广泛应用电厂、钢厂、大型机床、以及电力巡检、森林防火等多个领域。
知识点：热释电效应、热释电元件与SR505运动传感器
一、热释电效应（Pyroelectric effect）
1、热释电效应是指极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变使在材料的两端出现电压或产生电流。热释电效应与压电效应类似，热释电效应也是晶体的一种自然物理效应。对于具有自发式极化的晶体，当晶体受热或冷却后，由于温度的变化（△T）而导致自发式极化强度变化（△Ps），从而在晶体某一定方向产生表面极化电荷的现象称为热释电效应。
具有热释电性质的材料称为热释电体。压电陶瓷属于热释电体。若不考虑温度的不均匀性，热释电体一般具有一级和二级热释电效应。其中二级热释电效应是由于温度变化引起材料形变，再由压电效应产生电荷的二级效应。一般情况下，若温度变化率相同，升降温过程中产生的热释电电荷大小相等，但符号相反。
2、热释电效应最早在电气石晶体（Na，Ca）（Mg，Fe）3B3Al6Si6（O，H，F）3中发现，该晶体属三方晶系，具有唯一的三重旋转轴。与压电晶体一样，晶体存在热释电效应的前提是具有自发式极化，即在某个方向上存在着固有电矩。但压电晶体不一定具有热释电效应，而热释电晶体则一定存在压电效应。热释电晶体可以分为两大类。一类具有自发式极化，但自发式极化并不会受外电场作用而转向。另一种具有可为外电场转向的自发式极化晶体，即为铁电体。由于这类晶体在经过预电极化处理后具有宏观剩余极化，且其剩余极化随温度而变化，从而能释放表面电荷，呈现热释电效应。
通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷耗尽。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。如果在热电元件两端并联上电阻，当元件受热时，则电阻上就有电流流过，在电阻两端也能得到电压信号 。
3、在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应，能实现热释电效应的物质被称为热电体，常用的热电体物质有硫酸三甘肽（TGS）、铁电钛酸钡、电气石和蔗糖等。这一现象早在2300年前就被人们发现了，但对它的研究则始于18世纪。现在它成为固体物理中最活跃的研究领域之一。因为铁电体的热释电系数比一般热电体大得多，故成为应用广泛的热电体材料，除TGS及其衍生物外，铁电陶瓷（如PZT、PLZT等）成为易于通过组份改变控制性能、适于批量生产、价廉的实用型热电材料。
热释电效应在近10年被用于热释电红外探测器中，广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外摄像中。我国利用ATGSAS晶体制成的红外摄像管已开始出口国外。其温度响应率达到4～5μA/℃，温度分辨率小于0.2℃，信号灵敏度高，图像清晰度和抗强光干扰能力也明显地提高，且滞后较小。此外，由于生物体中也存在热释电现象，故可预期热释电效应将在生物，乃至生命过程中有重要的应用。
二、热释电元件（Pyroelectric element）
1、热释电元件（探头）有多种型号，但结构、外型和电参数大致相同，一般由敏感元件、场效应管、阻抗变换器和滤光窗等构成，并在氮气环境下封装。主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
2、热释电红外传感器在结构上引入场效应管，其目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式。故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。
3、菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强化其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为910–um，而探测元件的波长灵敏度在0.220–um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10–um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
4、热释电人体红外传感器的特点是，它只在由于外界的辐射而引起本身温度变化时，才给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就不再有信号输出。所以，热释电信号与它本身的温度变化率成正比，即热释电传感器只对运动的人体敏感。通常，敏感单元材料阻抗非常高，因此要用场效应管进行阻抗变换后才能实际使用。电路中高阻值电阻Rg 的作用是释放栅极电荷，使场效应管正常工作；采用源极输出时，要外接源极电阻Rs，源极电压约为0.4 ～ l.0V。制成敏感单元的PZT（ 锆钛酸铅） 是一种光谱材料，能探测各种波长辐射。为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片做窗口。滤光片使人体辐射的红外线最强的波长正好落在滤光窗相应波长的中心处，所以滤光窗能有效地让人体所辐射的红外线通过，而阻止太阳光、灯光等可见光中的红外线通过，以免引起干扰。为提高传感器的灵敏度，可在传感器前1 ～ 5cm处放置菲涅尔透镜，使探测距离从一般的2m 提高到10 至20m。在实验室试验时，可不加菲涅尔透镜。在实际应用中，传感器往往需要预热，这是由传感器本身决定的。一般被动红外探测器需要一分钟左右的预热时间。
5、热释电元件优缺点
（1）优点：
本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。
（2）缺点：
◆容易受各种热源、光源干扰
◆被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。
◆环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。
（3）使用要点：
应避开日光、汽车头灯、白炽灯直接照射，也不能对着热源(如暖气片、加热器)或空调，以避免环境温度较大的变化而造成误报；安装必须牢固，避免因风吹晃动而造成误报；传感器表面不允许用手摸；光学透镜外表面要定期用湿软布或棉花擦净，避免尘土影响灵敏度；安装高度2m。
三、HC-SR505热释电运动传感器模块（简称PIR）
1、PIR（热释电红外）传感器测量从检测区域内的物体辐射的红外 (IR) 光。HC-SR505就是这样一款传感器。它非常易于使用，因为如果检测区域内有物体移动，它已经发出高信号。这个 HIGH 信号持续大约 8 秒，这有时被视为一个缺点。不幸的是，这个缺点不能在软件层面上解决，即在源代码中添加一个变通方法不起作用（几乎 100% 确定这只能通过更换一个电容器或电阻器来解决）。该模块的工作电压在 4.5V 和 20V 之间。根据数据表，传感器检测到的移动距离可达 3m。HC-SR505 是一款热释电运动传感器。所有温度高于绝对零的物体都会释放热能。这种能量是红外辐射的形式。甚至人体也会发出红外光辐射。HC-SR505 传感器通过测量物体辐射的红外光辐射水平的变化来检测物体的运动。该传感器高度灵敏并提供自动控制。它非常可靠，并且通过消耗非常低的功率来执行操作。
2、主要规格
● 工作电压范围：DC4.5V-20V
● 静态电流：＜60uA
● 电平输出：高 3.3v/低 0v
● 可重复触发，延时时间：默认 8S+ -30%
● 外形尺寸：10*23mm
● 感应角度： ＜100 度锥角，感应距离：3 米以内
● 工作温度：-20~+80 ℃
● 感应透镜尺寸：直径 10mm
3、模块特点
● HC-SR505 小型人体感应模块是基于红外线技术的自动控制产品，灵敏度高。
● 可靠性强，超小体积，超低电压工作模式。
● 广泛应用于各类自动感应电器设备,尤其是干电池供电的自动控制产品。
● 全自动感应，人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时
关闭高电平，输出低电平。
● 可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其
● 感应范围活动，其输出将一 直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平
变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动 顺延一个延时时间段，
并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。
● 工作电压范围宽：默认工作电压 DC4.5V-20V。
● 微功耗:静态电流<50 微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。
● 输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。
●应用范围：人体感应灯具、人体感应玩具、安防产品、工业自动化控制、自动感应电器设备、电池供电自动控制。
4、HC-SR505模块的电原理图
5、HC-SR505 运动传感器引脚
VCC：模块电源 - 5 至 20 V
GND：接地
OUT：数字输出
