Ανιχνευτής κίνησης με υπερήχους

ultrasonic_radar_1_board
ultrasonic_radar_1_boardultrasonic_radar_1_box
4 5 1 Product


Ο ανιχνευτής κίνησης αξιοποιεί το φαινόμενο Doppler για να ανιχνεύσει κίνηση σε κλειστό χώρο. Η μέγιστη εμβέλεια επιτήρησης είναι γύρω στα 7 μέτρα. Μόλις ανιχνευτεί κίνηση, ενεργοποιείται ένας ηλεκτρονόμος (ρελέ) που με τη σειρά του μπορεί να ενεργοποιήσει μία σειρήνα ή οποιαδήποτε άλλη συσκευή.

Ο ανιχνευτής παράγει υπερήχους στα 40KHz κι αντιλαμβάνεται την ύπαρξη κινούμενων αντικειμένων εντός του χώρου επιτήρησης ακούγοντας τον ανακλώμενο ήχο από τα κινούμενα αντικείμενα.

Το κύκλωμα είναι αναλογικό και δεν χρησιμοποιεί κανένα μικρουπολογιστή ή ελεγκτή, οπότε δεν χρειάζεται προγραμματισμός.

Το κύκλωμα

Το ηλεκτρονικό κύκλωμα του ανιχνευτή κίνησης φαίνεται στην εικόνα 1. Το κύκλωμα αποτελείται από τέσσερεις βαθμίδες:

  1. Τον πομπό
  2. Το δέκτη
  3. Χρονοκαθυστέρηση εκκίνησης
  4. Βαθμίδα ενεργοποίησης ηλεκτρονόμου

Ο πομπός αποτελείται από τα ολοκληρωμένα U1, U2 και το υπερηχητικό μεγάφωνο MX1. Ο δέκτης αποτελείται από το υπερηχητικό μικρόφωνο MR1, το FET Q1 και τους τελεστικούς U3A και U3D. Ο τελεστικός U3B λειτουργεί ως βαθμίδα χρονοκαθυστέρησης για την εκκίνηση κι ο τελεστικός U3C με το τρανζίστορ Q2 ενεργοποιούν τον ηλεκτρονόμο όταν λαμβάνουν κατάλληλο σήμα από το δέκτη.

Ανιχνευτής κίνησης
Εικόνα 1. Το ηλεκτρονικό σχέδιο του ανιχνευτή κίνησης με υπερήχους

Το U1 περιέχει τέσσερεις πύλες τύπου NAND. Η πύλη U1D μαζί με τα στοιχεία R1, L1 και C2, C3 συνθέτουν έναν ταλαντωτή που παράγει μία τετραγωνική κυματομορφή στα 320KΗz. Το σήμα αυτό διαιρείται στη συνέχεια δια του οκτώ από το ολοκληρωμένο U2A κι έτσι παράγεται μία συχνότητα στα 40ΚΗz.

Το σήμα των 40KHz εφαρμόζεται στους ενισχυτές ρεύματος που απαρτίζονται από τις πύλες U1Α, U1Β και U1C. Οι πύλες U1C και U1A παράγουν ένα σήμα συμφασικό με το αρχικό σήμα των 40ΚΗz στον ακροδέκτη 1 του υπερηχητικού μετατροπέα ΜΧ1 ενώ η πύλη U1B παράγει ένα σήμα με διαφορά φάσης 180ο (αντεστραμμένο) σε σχέση με το αρχικό, στον ακροδέκτη 2 του ΜΧ1. Έτσι πετυχαίνεται ένα ισχυρό σήμα για τον υπερηχητικό μετατροπέα ΜΧ1, ο οποίος παράγει έναν σχετικά ισχυρό ήχο στα 40KHz, ο ποίος φυσικά δεν γίνεται αντιληπτός με την ακοή διότι ανήκει στο φάσμα των υπερήχων.

Στο υπερηχητικό μικρόφωνο ΜR1 φθάνει ο ήχος των 40ΚΗz απευθείας από τον πομπό αλλά και από ανακλάσεις από τα διάφορα αντικείμενα που βρίσκονται στο χώρο. Όσο τα αντικείμενα στο γύρω χώρο παραμένουν ακίνητα σε σχέση με τον πομπό, ο ήχος από τις ανακλάσεις έχει την ίδια ακριβώς συχνότητα με αυτή του πομπού. Αν όμως κάποιο αντικείμενο κινείται, τότε ο ήχος που ανακλάται από αυτό φθάνει στο δέκτη με ελαφρώς διαφορετική συχνότητα σε σχέση με τα 40KHz, λόγω του φαινομένου Doppler. Η διαφορά στη συχνότητα του ανακλώμενου ήχου σε σχέση με αυτή του πομπού εξαρτάται από την ταχύτητα και την κατεύθυνση του κινούμενου αντικειμένου και για συνήθεις ταχύτητες κίνησης είναι της τάξης των μερικών Hz.

Στο δέκτη, ο απευθείας κι ο ανακλώμενος ήχος υπόκεινται σε μίξη (ετεροδύνωση) και παράγονται συχνότητες άθροισης και διαφοράς. Τα παράγωγα διαφοράς είναι της τάξης των μερικών Hz όταν υπάρχουν κινούμενα αντικείμενα στο χώρο κι οι συχνότητες διαφοράς ενισχύονται από τους τελεστικούς U3A και U3C. Μόνο το FET Q1 δουλεύει στα 40ΚΗz. Όλες οι υπόλοιπες βαθμίδες του δέκτη είναι στην πραγματικότητα ενισχυτές που δουλεύουν σε χαμηλές συχνότητες από το 1 έως περίπου τα 25Ηz. Η απόκριση σε υψηλότερες συχνότητες έχει περιοριστεί σκόπιμα προκειμένου να αποφεύγονται ψευδο-συναγερμοί που οφείλονται σε κραδασμούς από τζάμια ή άλλους κραδασμούς.

Τα λαμβανόμενα υπερηχητικά σήματα από το υπερηχητικό μικρόφωνο MR1 ενισχύονται από το Q1 και ταυτόχρονα υπόκεινται σε μίξη (ετεροδύνωση). Το ενισχυμένο σήμα στον απαγωγό (drain) του FET ανορθώνεται από τις διόδους D6 και D7 και στα άκρα του C13, υπό κανονικές συνθήκες, παράγεται μία συνεχής τάση. Όταν όμως στον επιτηρούμενο χώρο υπάρξει κάποιο κινούμενο αντικείμενο, προκύπτουν συχνότητες διαφοράς και μέσω του πυκνωτή C15 φθάνουν στη μη αναστρέφουσα είσοδο του U3A. To τρίμερ R20 που υπάρχει στην αναστρέφουσα είσοδο του U3A ρυθμίζει την ενίσχυση και με αυτό τον τρόπο την ευαισθησία του ανιχνευτή.

Το σήμα στη συνέχεια ενισχύεται από έναν δεύτερο ενισχυτή που αποτελείται από το U3D και φθάνει στις διόδους D8 και D9 που το ανορθώνουν και φορτίζουν τον πυκνωτή C22. To U3C δουλεύει ως συγκριτής. Όταν η τάση του C22 γίνει μεγαλύτερη από την τάση στην αναστρέφουσα είσοδο του U3C, η έξοδος του συγκριτή μεταβαίνει σε υψηλή στάθμη και μέσω του τρανζίστορ Q2 ενεργοποιεί τον ηλεκτρονόμο. Η στάθμη κατωφλίου του συγκριτή, επομένως και η ευαισθησία του ανιχνευτή, ρυθμίζεται από το τρίμερ R6.

Φυσικά, ο C22 φορτίζεται όταν υπάρχει κίνηση στο χώρο γιατί μόνο τότε υπάρχει σήμα χαμηλής συχνότητας. Σε διαφορετική περίπτωση, όταν τίποτα δεν κινείται στον επιτηρούμενο χώρο, ο C22 παραμένει αφόρτιστος ή εκφορτίζεται μέσω της R26 (αν τυχόν είχε φορτιστεί σε προγενέστερο χρόνο). Επομένως όταν φορτιστεί ο C22 λόγω κινούμενου αντικειμένου στον χώρο, ενεργοποιείται ο ηλεκτρονόμος κι ανάβει και το LED D11. Η τιμή του C22 έχει επιλεγεί με τέτοιο τρόπο ώστε η σταθερά χρόνου φόρτισης να είναι σχετικά μεγάλη προκειμένου ο ηλεκτρονόμος να μην ενεργοποιείται από ανεπαίσθητες κινήσεις που μπορεί να οφείλονται σε ζωύφια.

Ο τελεστικός U3B δημιουργεί μία χρονοκαθυστέρηση για να μην ενεργοποιείται ο ηλεκτρονόμος ψευδώς όταν το κύκλωμα τροφοδοτείται αρχικά. Αυτό διότι αρχικά, όταν τροφοδοτηθεί το κύκλωμα, ο πυκνωτής C5 είναι αφόρτιστος και ξεκινά να φορτίζεται μέσω της R4. Λόγω της φόρτισης υπάρχει πτώση τάσης στην R4 κι αυτή εφαρμόζεται στη μη αναστρέφουσα είσοδο του U3B. Η τάση στην R4 τότε, είναι μεγαλύτερη από την τάση των 4,5V που εφαρμόζεται μόνιμα στην αναστρέφουσα είσοδο του U3B μέσω του διαιρέτη τάσης των αντιστάσεων R5, R6 και R7. Ως αποτέλεσμα, η έξοδος του U3B μεταβαίνει σε υψηλή λογική στάθμη που εφαρμόζεται στον ακροδέκτη μηδενισμού (reset) του U2A. Έτσι όμως μπλοκάρεται ο μετρητής και δεν μπορεί να παραχθεί το σήμα των 40KHz. Η έξοδος του U3B φθάνει επίσης και μέσω της διόδου D2 στη μη αναστρέφουσα είσοδο του U3C κι αλλάζει την τάση κατωφλίου του συγκριτή U3C με αποτέλεσμα να μην ενεργοποιείται ο ηλεκτρονόμος. Όταν όμως περάσουν 10 με 15 δευτερόλεπτα και φορτιστεί ο C5, η έξοδος του U3B μεταβαίνει σε χαμηλή λογική κατάσταση και αποκαθίσταται η κανονική λειτουργία του κυκλώματος.

Τέλος, αξίζει να αναλύσουμε και το ρόλο της αντίστασης R8. H R8 παρατείνει το χρόνο διέγερσης του ηλεκτρονόμου. Αυτό συμβαίνει διότι μόλις διεγερθεί ο ηλεκτρονόμος, η τάση στο συλλέκτη του Q2 πέφτει σε περίπου 0V και μέσω της R8 η τάση αυτή μειώνει την τάση κατωφλίου του συγκριτή U3C. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα η τάση στα άκρα του C22 να πρέπει να πέσει σε μικρότερη τιμή για να αποδιεγερθεί ο ηλεκτρονόμος με αποτέλεσμα να παρατείνεται ο χρόνος διέγερσης.

Κατασκευή

Το κύκλωμα του ανιχνευτή κίνησης με υπερήχους μπορεί εύκολα να συναρμολογηθεί πάνω στην πλακέτα που παρέχουμε παρακάτω. Η πλακέτα είναι διπλής όψης κι όλα τα εξαρτήματα θα πρέπει να τοποθετηθούν στην άνω όψη της πλακέτας ενώ οι κολλήσεις θα πρέπει να γίνουν στην πίσω πλευρά. Η συναρμολόγηση μπορεί να γίνει βάσει του οδηγού συναρμολόγησης που παρουσιάζεται στην εικόνα 2.

Οδηγός συναρμολόγησης του ανιχνευτή κίνησης με υπερήχους
Εικόνα 2. Οδηγίες συναρμολόγησης του ανιχνευτή κίνησης με υπερήχους

Ο μετατροπέας υπερήχων MX1 και το μικρόφωνο υπερήχων MR1 δεν τοποθετούνται απευθείας στην πλακέτα αλλά σε αντίστοιχες κλέμες που θα πρέπει να κολληθούν στην πλακέταόπως φαίνεται στην εικόνα 2. Στο πρωτότυπο χρησιμοποιήσαμε τον μετατροπέα ΜΑ40S4S και το μικρόφωνο υπερήχων MA40S4R της Murata. Ασφαλώς, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε και διαφορετικούς μετατροπείς αλλά θα πρέπει να είναι για τη συχνότητα των 40KHz.

Το κύκλωμα απαιτεί τροφοδοσία 12V, την οποία η ζένερ D1 την υποβιβάζει στα 9V περίπου. Θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε μία καλή πηγή τροφοδοσίας, δίχως θόρυβο.

Όλες οι αντιστάσεις στο κύκλωμα είναι τύπου 1/4W κι ανοχής 5% ή καλύτερη. Υπάρχει μία μικρή πιθανότητα να προκύψει μικρή εμβέλεια επιτήρησης. Αν παρατηρήσετε κάτι τέτοιο, πιθανότατα θα οφείλεται στο γεγονός ότι λόγω ανοχών η συχνότητα του ταλαντωτή είναι διαφορετική από 320ΚΗz και με διαίρεση δια του 8, προκύπτει σήμα σε διαφορετική από τα 40KHz συχνότητα στον μετατροπέα υπερήχων. Για να διορθώσετε το πρόβλημα, θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε παλμογράφο ή συχνόμετρο για να ρυθμίσεται τη συχνότητα στη σωστή της τιμή.

Ρύθμιση

H ρύθμιση της συσκευής γίνεται μέσω των τρίμερ R20 και R6. Το τρίμερ R20 ρυθμίζει την ενίσχυση στο δέκτη ενώ το τρίμερ R6 ρυθμίζει την τάση κατωφλίου του συγκριτή. Ξεκινώντας από τιμές που αντιστοιχούν στο μέσο, ο μόνος τρόπος για να γίνει ακριβής ρύθμιση είναι μέσω δοκιμής και λάθους, επιτόπου, στο χώρο που θα λειτουργήσει ο ανιχνευτής.

Για μεγάλους χώρους επιτήρησης απαιτείται ρύθμιση της R20 για μεγάλη ενίσχυση ενώ σε μικρότερους χώρους ή για περιορισμό της εμβέλειας αρκεί μικρότερη ενίσχυση. Χρειάζεται προσοχή με τη ρύθμιση της τάσης κατωφλίου μέσω του τρίμερ R6, διότι εσφαλμένη ρύθμιση της R6 μπορεί να ακυρώσει εντελώς της ευαισθησία του δέκτη.

Τέλος, λόγω της χρονοκαθυστέρησης που υπάρχει στο κύκλωμα, θα πρέπει να περιμένετε περίπου 20 δευτερόλεπτα μετά που θα τροφοδοτηθεί το κύκλωμα, προτού προβείτε σε ρυθμίσεις.


Συνημμένα

Το τυπωμένο κύκλωμα (πλακέτα) του ανιχνευτή κίνησης με υπερήχους

 

Λίστα με όλα τα σχόλια:
Δεν υπάρχουν σχόλια προς το παρόν.
Βαθμολογία:

Παρακαλούμε κάντε κάποια πρόταση για το προϊόν :

Όνομα χρήστη:
E-mail: