Индикатор приближения человека или животного
Схема данного индикатора способна улавливать приближение человека или животного на расстоянии до 0,5 м, а также его можно использовать в качестве охранного устройства, определения действующей скрытой проводки или просто для развлечения.
Принцип его работы – увеличение наводки переменного напряжения в антенне при приближении к ней объекта с последующей индикацией, с помощью мигающего светодиода.
Описание работы устройства
В качестве датчика приближения служит антенна WA1 – отрезок провода длиной около 30 см, согнутого в форме знака вопроса. Пока наводка в антенне мала (а в жилых помещениях она всегда есть от сетевой проводки), сопротивление канала полевого транзистора VT1 составляет несколько десятков килоом и конденсатор С1 разряжен. Сопротивление канала VT2 велико и мигающий светодиод HL1 погашен.
При приближении человека в антенне наводится переменное напряжение, которое одной полуволной еще больше закрывает VT1, а другой открывает. В момент закрытия транзистора напряжение на конденсаторе С1 увеличивается и он начинает заряжаться. В то время, когда VT1 открывается, разрядиться через него конденсатору С1 мешает диод VD1. После нескольких таких циклов конденсатор зарядится настолько, что откроется транзистор VT2 и включит мигающий светодиод «Тревога». Если объект отойдет от антенны, VT1 перестанет закрываться и подпитывать конденсатор С1, который через некоторое время разрядится через резистор R2. VT2 закроется, сигнал тревоги погаснет.
Принципиальная схема
Устройство достаточно экономично и в режиме ожидания потребляет ток около 17 мкА, поэтому в качестве источника питания можно использовать любую батарею соответствующего напряжения – к примеру, «Корунд» или «Крона».
Настройка индикатора
Устройство достаточно просто и налаживание его сводится к размеру антенны «по месту». Если в месте установки естественные наводки слишком велики, то размеры антенны уменьшают, но при этом чувствительность прибора уменьшится. Если позволяют условия, то антенну увеличивают. Поскольку работа прибора основана на сетевых наводках, он, конечно, не будет работать вдали от электрических сетей, скажем, в поле, если рядом не проходит линия электропередач.
На месте VT1 будет работать КП103Д, 2П103Д. Зарубежный аналог КП504А — BS170P. Мигающий светодиод можно заменить обычным маломощным, но последовательно с ним придется поставить токоограничивающий резистор номиналом около 500-800 Ом.
Источник
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 Rlt 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 Ct. 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
ДАТЧИКИ ПРИБЛИЖЕНИЯ
Многие устройства из промышленной автоматики требуют бесконтактного обнаружения присутствия или положения объекта, чтобы гарантировать реакцию системы или безопасность. Датчик приближения идеально подходит для этой роли, но эти элементы есть во многих версиях, включая магнитные, емкостные, индуктивные и оптические, да и материал из которого сделан обнаруживаемый объект, может влиять на обнаруживающую способность датчика.
В качестве примеров тут рассматриваются образцы решений от таких компаний, как Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse, Omron Electronics, MaxBotix и Carlo Gavazzi.
Некоторые датчики приближения подходят для обнаружения ферромагнитных материалов, в то время как другие подходят для любого типа металла. Третьи могут обнаруживать всевозможные объекты, в том числе присутствие людей. Следовательно нужно знать о возможностях и ограничениях различных типов и свойств технологии датчиков приближения и их применимости в конкретных ситуациях.
Индуктивные датчики приближения
Индуктивные датчики приближения обнаруживают металлические предметы, их дальность зависит от типа металла, из которого сделан объект. Эти датчики используют высокочастотное магнитное поле создаваемое катушкой, которая является частью резонансного контура. Проводящий объект в диапазоне силовых линий этого магнитного поля заставляет вихревой ток индуцироваться на поверхности, что создает противоположное магнитное поле, которое эффективно снижает индуктивность катушки резонансного контура в датчике.
Индуктивные датчики приближения работают двумя способами. В первом случае, когда объект приближается к датчику, величина индуцированных вихревых токов увеличивается, что увеличивает нагрузку на колебательный контур, вызывая потерю качества, тем самым гася колебания. Датчик обнаруживает это изменение с помощью детектора амплитуды и посылает выходной сигнал о том, что объект обнаружен.
Альтернативный метод использует изменение частоты колебаний вместо амплитуды. Немагнитный металлический объект, такой как алюминий или медь, приближающийся к датчику, увеличивает частоту колебаний, в то время как ферромагнитный металлический объект, такой как сталь, снижает частоту генератора. Это изменение от опорной частоты приводит к изменению состояния выхода датчика.
Индуктивный датчик Texas Instruments LDC0851HDSGT является примером датчика приближения ближнего действия, который использует сдвиг частоты для обнаружения присутствия проводящего объекта в его электромагнитном поле.
Датчик LDC0851 отлично подходит для устройств бесконтактного обнаружения приближения объектов для подсчета событий, где требуемый диапазон обнаружения составляет менее 10 мм. Изменение начального состояния происходит когда проводящий объект движется в близости от чувствительной катушки. Дифференциальная конструкция с двумя катушками (датчик и эталон) позволяет определять относительную индуктивность, а гистерезис гарантирует надежное переключение не подверженное механическим колебаниям, колебаниям температуры или влажности. Обе сенсорные катушки настроены с помощью одного конденсатора, который устанавливает частоту колебаний от 3 до 19 МГц. Двухтактный выход находится в низком состоянии, когда результирующая индуктивность измерительной схемы ниже опорного порога, и в высоком состоянии, когда она выше.
Магнитные датчики приближения
Магнитные датчики приближения используются для измерения положения и скорости движущихся металлических частей. Они могут иметь активный датчик, такой как датчик Холла, или пассивный, такой как элемент переменного магнитного сопротивления (VR). В соответствии с последним методом работает детектор от Red Lion Controls MP62TA00. Он измеряет изменение магнитного сопротивления, аналогично электрическому сопротивлению, и состоит из постоянного магнита, полюсного наконечника и чувствительной катушки, заключенных в цилиндрический корпус.
Объект из ферромагнитного материала, проходящий близко к полюсному наконечнику, вызывает изменение магнитного поля от постоянного магнита. Это изменение генерирует сигнальное напряжение в катушке. Величина напряжения сигнала зависит от размера объекта, его скорости и величины зазора между полюсом и ним. Чтобы цель здесь была обнаружена, она должна двигаться.
Датчики переменного магнитного сопротивления являются пассивными устройствами и им не нужен источник питания. В результате они обычно используются при измерении вращающихся механизмов.
Например MP62TA00 обычно используются для обнаружения движения зубьев звездочек или клиньев на зубчатых ремнях. Их также можно использовать для обнаружения головок винтов, шпоночных пазов или других быстро движущихся металлических деталей в оборудовании различного типа. Они также используются в качестве тахометров для измерения скорости вращения, а также попарно для измерения эксцентриситета вращающегося вала.
Второй тип магнитных датчиков использует эффект Холла для обнаружения магнитного поля. Эффект Холла связан с взаимодействием проводника, по которому течет ток, и магнитного поля, перпендикулярного плоскости проводника. Его эффект заключается в появлении напряжения, пропорционального плотности магнитного потока. Датчик Холла требует намагничивания обнаруженного объекта. Для примера рассмотрим 55100-3H-02-A от Littelfuse — датчик приближения Холла, доступный с цифровым, или программируемым аналоговым выходом напряжения.
Этот элемент доступен в трехпроводном исполнении по напряжению или в двухпроводном с токовым выходом. Каждый из этих типов может быть в версии с высокой чувствительностью (130 Gs), низкой (59 Gs) или программируемой. При использовании эталонного магнита диапазон срабатывания датчика составляет 18 мм. Выходная нагрузка до 24 В и 20 мА. Датчик работает быстро — его коммутационная способность достигает 10 кГц и может обнаруживать как динамические, так и статические магнитные поля (неподвижные объекты). Способность обнаруживать статические магнитные поля является его основным преимуществом, ведь так его можно использовать для обнаружения открытия двери или другого объекта, даже в фиксированном положении.
Оптические датчики приближения
Оптические датчики приближения (по ссылке обзор и тестирование) используют инфракрасное или видимое излучение для обнаружения. У них есть то преимущество, что наблюдаемый объект не обязательно должен быть магнитным или металлическим — он просто должен скрывать или отражать свет. Большинство оптических датчиков излучают луч в направлении объекта и контролируют отраженный свет.
Датчик EE-SY1200 от Omron Electronics — хороший пример оптического датчика приближения. Это сверхкомпактное решение для монтажа на печатной плате, в котором используется инфракрасное (850 нм) излучение. Детектор состоит из светодиодного излучателя и пары фототранзисторов в SMD-корпусе размером всего 1,9 х 3,2 х 1,1 мм. Рекомендуемый диапазон обнаружения составляет 1-4 мм. Благодаря небольшим размерам он может быть встроен непосредственно в устройства без использования жгутов проводов и разъемов, например, с использованием гибких подложек.
Ультразвуковые датчики приближения
Когда требуются большие расстояния, например обнаружение автомобиля перед воротами гаража, подойдут ультразвуковые датчики. Они обнаруживают всевозможные объекты на расстоянии до нескольких метров. Основой измерения является время пролета ультразвукового импульса, испускаемого передатчиком, который отражается от целевого объекта и принимается приемником.
Зная скорость распространения ультразвука расстояние можно рассчитать. В представленном примере время прохождения сигнала составляет 3 мс. Для воздуха при 21 C скорость звука составляет 343 м / с, поэтому общее расстояние до объекта составляет 60 см.
MatBotix MB1634-000 — ультразвуковой датчик приближения с дальностью до 5 м, питаемый напряжением от 2,5 до 5,5 В. Он обеспечивает на выходе аналоговый сигнал, сигнал ШИМ или может передавать цифровые данные последовательно с уровнями напряжения TTL. Имеет автокомпенсацию изменения размеров объекта и встроенный стабилизатор. Доступна дополнительная внешняя температурная компенсация.
Емкостные датчики приближения
Емкостные датчики приближения могут обнаруживать металлические и неметаллические объекты, а также аморфные продукты, такие как порошки, гранулы и жидкости. Хорошим примером такого устройства является CD50CNF06NO от Carlo Gavazzi. Он работает аналогично индуктивным датчикам, за исключением того что катушки индуктивного датчика были заменены емкостной детекторной пластиной. Чаще всего его используют для определения уровня жидкости в резервуарах. Металлическая пластина детектора в этом случае образует конденсатор с обнаруженным объектом, емкость которого изменяется с удалением от объекта. Он определяет частоту генератора, которая контролируется для переключения состояния выхода каждый раз, когда превышается порог.
Датчик CD50CNF06NO предназначен для контроля уровня жидкости. Он соединен тремя проводами и имеет выход с NPN-транзистором с открытым коллектором (NO). Требуется источник питания постоянного тока от 10 до 30 В. Он доступен в корпусе размером 50 х 30 х 7 мм и обеспечивает дальность обнаружения до 6 мм. В типовом случае он привинчивается или приклеивается к внешней стороне неметаллического резервуара.
Подведём итог
Датчики приближения используют несколько технологий обнаружения, что делает их пригодными для множества устройств. В зависимости от типа они могут обнаруживать как металлические, так и неметаллические объекты, а расстояние обнаружения варьируется от миллиметров до более 5 м. Они достаточно компактны чтобы устанавливаться в ограниченном пространстве, и многие из них способны работать в сложных условиях.
Форум по обсуждению материала ДАТЧИКИ ПРИБЛИЖЕНИЯ
Медицинские устройства для контроля параметров здоровья человека. Примеры современных микросхем снятия и обработки сигналов тела.
Изучение принципа действия и параметров кварцевого генератора, выбор КГ для различных устройств.
В нескольких схемах рассмотрим, можно ли параллельно включать стабилизаторы напряжения, микросхемы типа LM317 и аналогичные.
Тристабильный мультивибратор — схема трёхканального переключателя LED.
Источник