Емкостной датчик движения своими руками

БЕСКОНТАКТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК – СДЕЛАЙ САМ

Сегодня никого не удивишь различными по назначению и эффективности электронными устройствами предупреждения, которые оповещают или включают охранную сигнализацию задолго до непосредственного контакта нежелательного «гостя» с охраняемым рубежом (территорией). Многие из таких узлов, описанных в литературе, на мой взгляд, интересны, но слишком сложные.

В противовес им предлагается простая электронная схема бесконтактного емкостного датчика (Рис. 4.11), собрать которую в силах начинающий радиолюбитель. Устройство имеет многочисленные достоинства, одно из которых (высокая чувствительность по входу) используется для предупреждения о приближении какого-либо одушевленного объекта (например, человека) к сенсору Е1.

Рис. 4.11. Электрическая схема бесконтактного емкостного датчика

Элементы схемы и их назначение

Основу схемы составляют два элемента микросхемы К561ТЛ1 (DD1), включенных как инверторы. Эта микросхема имеет в своем составе четыре однотипных элемента с функцией 2И-НЕ с триггерами Шмитта с гистерезисом (задержкой) на входе и инверсией сигнала на выходе. В таких элементах петля гистерезиса показывается внутри их обозначения.

Применение микросхемы К561ТЛ1 в данном случае оправдано тем, что она, как и серия К561 в частности имеет:

предельно малый рабочий ток;

высокую помехозащищенность (до 45% от уровня напряжения питания);

широкий диапазон питающего напряжения — от 3 до 15 В;

защищенность по входу от потенциала статического электричества и кратковременного превышения входных уровней.

Эти и другие достоинства микросхемы позволяют использовать ее в радиолюбительских конструкциях без каких-либо особых мер предосторожности и защиты. Кроме того, микросхема К561ТЛ1 позволяет включать свои независимые логические элементы параллельно, в качестве буферных элементов, вследствие чего мощность выходного сигнала кратно увеличивается.

Триггеры Шмитта — это, как правило, бистабильные схемы, способные работать с медленно возрастающими входными сигналами, в том числе с «примесью» помех. При этом они обеспечивают по выходу крутые фронты импульсов, которые можно передавать в последующие узлы схемы для стыковки с другими ключевыми элементами и микросхемами. Микросхема К561ТЛ1 (как, впрочем, и микросхема К561ТЛ2) может выделять управляющий сигнал, в том числе цифровой, для других устройств из аналогового, или нечеткого, входного импульса. Зарубежным аналогом микросхемы К561ТЛ1 является микросхема CD4093B.

Схема включения инверторов — классическая и описана в справочных изданиях. Особенность представленной разработки заключается в конструктивных нюансах.

После включения питания на входе элемента DD1.1 возникает неопределенное состояние, близкое к низкому логическому уровню. На выходе DD1.1 имеется напряжение высокого уровня, на выходе DD1.2 опять низкое. Транзистор VT1, играющий роль усилителя тока, закрыт. Пьезоэлектрический капсюль НА1 с внутренним генератором 34 не активен.

К сенсору Е1 подключена автомобильная телескопическая антенна. При нахождении человека рядом с антенной изменяется емкость между штырем антенны и полом. При этом элементы DD1.1, DD1.2 переключаются в противоположные состояния. Для переключения узла человек среднего роста должен находиться или проходить рядом с антенной длиной 35 см на расстоянии до 1.5 м.

На выводе 4 микросхемы появляется напряжение высокого уровня. При этом открывается транзистор VT1 и звучит капсюль НА1.

Конденсатор С). От емкости конденсатора С₍ зависит режим работы элементов микросхемы. Так, при уменьшении емкости С\ до 82…120 пФ узел работает иначе. Теперь звуковой сигнал звучит только пока на вход DD1.1 воздействует наводка переменного напряжения — прикосновение человека. Тип конденсатора — КМ6.

Электрическую схему (Рис. 4.11) можно использовать и как основу для триггерного сенсорного узла. Для этого следует исключить из схемы постоянный резистор R_lt экранированный провод. Сенсором в этом случае будут контакты микросхемы 1 и 2.

Последовательно с R] подключается экранированный провод (кабель РК-50, РК-75, экранированный провод для сигналов 34 — подходят все типы) длиной 1.0… 1.5 м, экран соединяется с общим проводом. Центральный (неэкранированный) провод на конце соединяется со штырем антенны.

При соблюдении этих рекомендаций, т. е. при применении указанных в схеме типов и номиналов элементов, узел генерирует звуковой сигнал частотой около 1 кГц (зависит от типа капсюля НА1) при приближении человека к штырю антенны на расстояние 10…1.5м. При этом триггерный эффект отсутствует, т. е. при удалении человека от антенны звук в капсюле НА1 прекращается.

В эксперименте принимали участие животные — кошка и собака. Оказалось, что на их приближение к сенсору-антенне узел не реагирует. Принцип действия в данном устройстве основан на изменении емкости между сенсором-антенной Е1 и землей (общим проводом, всем тем, что соотносится к заземляющему контуру; в данном случае это пол и стены помещения). При приближении человека эта емкость существенно изменяется, что оказывается достаточным для срабатывания микросхемы К561ТЛ1.

Практическое применение узла трудно переоценить. В авторском варианте устройство смонтировано рядом с дверной коробкой многоквартирного жилого дома. Входная дверь — металлическая. Громкость сигнала 34, излучаемого капсюлем ΗΑ1, достаточна, чтобы услышать его на закрытой лоджии, и сопоставима с громкостью квартирного звонка.

Источник питания — стабилизированный, напряжением 9…15 В, с хорошей фильтрацией напряжения пульсаций по выходу. Ток потребления ничтожно мал в режиме ожидания (несколько мкА) и увеличивается до 22…28 мА при активной работе излучателя НА1. Бестранс- форматорный источник применять нельзя из-за возможности поражения электрическим током.

Оксидный конденсатор С₂. Действует как дополнительный фильтр по питанию. Тип конденсатора — К50-35 или аналогичный на рабочее напряжение не ниже напряжения источника питания.

При эксплуатации узла выявлены интересные особенности. Так, на работу узла влияет напряжение питания. Оказалось, что при увеличении напряжения питания до 15 В в качестве сенсора-антенны достаточно использовать один обыкновенный многожильный неэкраниро- ванный электрический медный провод сечением 1…2 мм, длиной 1 м, без экрана и без резистора R^. Электрический медный провод подсоединяется непосредственно к выводам 1 и 2 элемента DD1.1. Эффект оказывается таким же.

При изменении фазировки сетевой вилки источника питания узел катастрофически теряет чувствительность и способен работать только как сенсор, т.е. реагирует на прикосновение к Е1. Это важно при любом значении напряжения источника питания в диапазоне 9…15 В. Очевидно, что второе назначение данной схемы — обыкновенный сенсор или сенсор-триггер.

Все это следует учитывать при изготовлении узла. Однако при правильном подключении можно создать важную и стабильную часть охранной сигнализации, обеспечивающей безопасность жилища и предупреждающей хозяев о нештатной ситуации еще до ее возникновения. Готовое устройство показано на Рис. 4.12.

Рис. 4.12. Устройство с автомобильной антенной в виде емкостного датчика

При неукоснительном соблюдении всех рекомендаций устройство не требует наладки.

Возможно, при других вариантах сенсоров и антенн узел проявит себя в ином качестве. Если экспериментировать с длиной экранирующего кабеля, длиной и площадью сенсора-антенны Е1 и напряжением питания узла, не исключено, что потребуется скорректировать сопротивление резистора R\ в пределах 0.1…100 МОм. Для уменьшения чувствительности узла увеличивается емкость конденсатора C_t. Если это не приносит желаемых результатов, параллельно С] включается постоянный резистор сопротивлением 5…10 МОм.

Транзистор VT1. Необходим для усиления сигнала с выхода элемента DD1.2. Без этого транзистора капсюль НА1 звучит слабо. Может быть заменен транзисторами КТ503, КТ940, КТ603, КТ801 с любым буквенным индексом.

Капсюль-излучатель НА1. Может быть заменен аналогичным капсюлем со встроенным генератором 34 и рабочим током не более 50 мА, например: FMQ-2015B, КРХ-1212В и аналогичными.

Благодаря применению капсюля со встроенным генератором проявляется интересный эффект: при приближении человека к сенсору-антенне Е1 звук капсюля монотонный, а при удалении (или приближении человека на расстояние около 1,5 м от Е1) капсюль издает стабильный прерывистый звук в соответствии с изменением уровня потенциала на выходе элемента DD1.2.

Если в качестве НА1 применить капсюль со встроенным генератором прерываний 34, например KPI-4332-12, звук будет напоминать сирену при относительно большом расстоянии человека от сенсора-антенны и стабильный прерывистый сигнал при максимальном приближении.

Относительным недостатком устройства можно считать отсутствие избирательности «свой/чужой», так как узел сигнализирует о приближении к Е1 любого лица, в том числе вышедшего «за булкой хлеба» хозяина квартиры. Основа работы узла — электрические наводки и изменение емкости. Такой узел эффективно работает только в больших жилых массивах с развитой сетью электрических коммуникаций.

Возможно, что такой прибор будет бесполезен в лесу, в поле — везде, где нет электрических коммуникаций осветительной сети 220 В. Такова особенность устройства.

Экспериментируя с данным узлом и микросхемой К561ТЛ1 (даже в штатном ее включении), можно получить бесценный опыт и реальные, простые в повторении, но оригинальные по сути и функциональным особенностям электронные устройства.

Монтаж элементов выполняется на плате из стеклотекстолита. Корпус для устройства может быть из любого диэлектрического материала.

Для контроля включения питания устройство может быть снабжено индикаторным светодиодом, который подключается параллельно источнику питания.

Источник: Кяшкаров А. П., Собери сам: Электронные конструкции за один вечер. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007. — 224 с.: ил. (Серия «Собери сам»).

Источник

Простой датчик движения своими руками

Возможность контролировать перемещение людей в определенной области позволяет наладить автоматическое включение и выключение света, отпирание и закрытие дверей или вовремя зафиксировать появление злоумышленников. Реализовать такую опцию на практике помогает датчик движения, срабатывающий в случае перемещения определенного объекта в его рабочей области. Однако далеко не всегда есть возможность приобрести такое оборудование по ряду причин. Поэтому в данной статье мы рассмотрим вопрос о том, как датчик движения своими руками.

Виды датчиков движения

Основной задачей датчика движения является фиксация перемещения в заданной области. Как только объект пересечет указанную черту, или займет локацию в охватываемой датчиком области, сенсор воспримет это явление и передаст соответствующий сигнал. В обиходе, на сегодняшний день, присутствует достаточно большое разнообразие подобных устройств, отличающихся как функционалом, так и принципом действия:

• инфракрасные – основаны на принципе изменения состояния электронного ключа под воздействием светового излучения;
• радиоволновые – посылают в заданную область определенную частоту радиоволн, в случае появления препятствия волны отражаются и антенна воспринимает это излучение, подавая соответствующий сигнал в ответ;
• тепловые – реагируют на появление предметов с определенной температурой в зоне охвата, пригодны для использования в помещениях или после захода солнца;
• магнитные – представляют собой аналог кнопки, устанавливаемой на двери или калитке, срабатывают при открытии, такой тип датчика имеет существенные ограничения в работе;

Тепловые датчики движения будут сбоить при установке их на кухне около обогревателей и других источников тепла. Аналогичным образом боится воздействия помех и радиоволновой датчик. Поэтому широкое распространение получили инфракрасные устройства, работающие за счет фотореле, изменяющего уровень сопротивления при попадании световых волн. Наиболее простым и понятным в изготовлении будет инфракрасный датчик движения.

Схемы датчиков движения

Принцип действия датчика движения основывается на показаниях измерительного элемента, фиксирующего изменения определенного параметра в окружающей среде. В качестве воспринимающего элемента мы рассмотрим пиромодуль (PIR элемент) или фоторезистор, которые будут реагировать на изменение инфракрасного излучения. Наипростейшей схемой такого датчика является:

Рис. 1. Схема датчика на пиромодуле

Как видите на рисунке 1, пиромодуль PIR D203S включает в себя несколько элементов:

• непосредственно сам пироэлектрик PIR;
• полевой транзистор T1;
• шунтирующий резистор R1.

Работа схемы происходит следующим образом: при попадании света на PIR датчик он изменяет параметр электрической величины и открывает цепь для протекания тока через нагрузку. Это наиболее простой вариант сенсора для датчика движения, вместо него можно использовать отечественный образец ПМ-4. Подключение последнего будет производиться немного сложнее и потребует отдельной установки некоторых радиодеталей. Схема подключения датчика ПМ-4 приведена на рисунке ниже:

Рис. 2. Подключение сенсора ПМ-4

Данная модель PIR элемента, в отличии от предыдущей, имеет восемь выводов, 5 из которых нам понадобятся для подключения. Как видите на схеме 2, подключение происходит следующим образом:

• выводы 1,6 и 8 необходимо объединить для подключения к минусовой шине;
• клемма 8 подключается к клемме 2 через резистор R1;
• вывод 2 подсоединяется к затвору транзистора VT1;
• клемма 4 датчика подсоединяется к истоку транзистора VT1.

Нагрузка или рабочий электроприбор подсоединяется к стоку полупроводникового элемента. ПМ-4 гораздо чаще встречается у радиолюбителей, поэтому его проще найти в качестве подручного помощника. Но при отсутствии таковых из ситуации поможет выйти и обычный биполярный транзистор, если с него удалить верхнюю крышку, чтобы открыть доступ света к кремниевому кристаллу. В этом случае, на его основе также можно собрать датчик движения своими руками, рабочая схема такого датчика приведена на рисунке 3 ниже:

Рис. 3. Схема датчика движения на основе транзистора

Так как регулировка открытого и закрытого положения в датчике движения будет осуществляться за счет попадающего на кристалл светового потока, база удаляется и в работе схемы не участвует. В остальном схема будет работать по такому принципу:

• при попадании света на открытый кристалл транзистора VT1 он откроется, и ток будет протекать через его цепь и усилитель DA1 к нагрузке;
• в случае прекращения подачи светового потока на VT1 переход закроется и напряжение в точке А устремиться к нулю, конденсатор C1 начнет разряжаться;
• питание нагрузки прекратится за счет закрытия фототранзистора, а возобновление наступит лишь после того, как барьер между источником света и приемником покинет заданную область;

Рис. 4. Препятствие между источником и приемником

• на выход датчика движения можно подключить реле или контактор, которое будет управлять включением или отключением прожектора освещения.

На схеме R1 совместно с конденсатором C1 представляют собой времязадающую цепочку, поэтому от их параметров будет зависеть результат включения нагрузки. В нашем примере, наиболее часто встречается подключение освещения от датчика движения. Регулируемый резистор R2 установлен в цепь обратной связи усилителя, и чем больше его номинал, тем эффективнее работа усиления, но снижается устойчивость всей схемы. Поэтому подбор этих трех элементов нужно производить опытным путем, на рисунке выше приведены лишь приблизительные параметры.

Что потребуется для изготовления?

Для того чтобы собрать датчик движения своими руками вам понадобиться перечень радиоэлементов, изложенный в списке, если вы используете какую-либо другую схему, то детали подбираются под нее:

• фоторезистор (при отсутствии можно заменить модернизированным транзистором, как рассматривалось на рисунке);
• емкостной элемент;
• усилитель с возможностью установки обратной связи;
• два резистора, один из которых имеет функцию регулировки;
• реле или контактор в качестве исполнительного блока;
• светодиод или лазерная указка для источника освещения;

Рис. 5. Светодиод в качестве источника освещения

• соединительные провода и плата.

Из инструментов вам пригодятся кусачки, паяльник и припой, если в ход пойдет монтажная плата, то возьмите любое приспособление для распила или отделения по точкам. Заметьте, что все соединения электрических деталей в соответствии с п.2.1.21 ПУЭ должны производиться пайкой, болтовым соединением, обжимом или опрессовкой, поэтому ни в коем разе не делайте скруток. Последний вариант актуален на этапе проектирования и подборки элементов, когда все узлы датчика движения находятся под вашим непосредственным контролем.

Процесс изготовления датчика движения пошагово

Качество и полученный результат при сборке датчика движения своими руками напрямую зависит от вашей осведомленности в радиомоделировании и наличия определенных навыков. Поэтому чтобы исключить элементарные неточности и ошибки мы приведем пошаговую инструкцию по изготовлению датчика движения:

Общее время: 1 час

Проверьте целостность деталей

Предварительно подготовьте радиодетали для датчика движения из предыдущего списка и проверьте их целостность визуальным осмотром.

Нанесите разметку на плату

Приложите детали к монтажной плате, рассчитайте их количество и способ расположения, исходя из принципа и схемы соединения датчика движения. Когда нужное число отверстий или размеры будут у вас, отметьте их на плате.

Отпилите по линии разметки часть платы

При помощи слесарного инструмента отпилите выделенный участок по нанесенной разметке. Во время распила платы весь массив желательно закрепить в тисках или прижмите к столу, так процесс будет легче, а линия отделения получится ровной.

Обработайте края напильником

Если у вас получились серьезные огрехи по краю платы или вам принципиально нужны ровные края для датчика движения, то их следует обработать наждачкой или напильником.

Вставьте детали в отверстия на плате

Установите все элементы в отверстия на плате. Монтаж производится таким образом, чтобы детали входили плотно, не болтались и не мешали поместить конструкцию в корпус.

Припаяйте элементы на плату

С помощью паяльника и олова припаяйте все элементы сенсора движения на плату.

Подключите к прибору освещения

Теперь вы получили готовое устройство для фиксации движения, который можно подключить через реле к прибору освещения. Рекомендую обязательно опробовать работу перед установкой.

Заметьте, что в случае наружной установки совместно с прибором освещения важно обеспечивать достаточный уровень защиты от проникновения пыли и влаги. Поэтому собранная плата помещается в герметичный корпус, а все отверстия прорабатываются герметиком.

Источник