Часть 1. Сигнализаторы присутствия
В статье приводится описание принципа работы ультразвукового дальномера HC-SR04 и некоторых устройств на их основе: сигнализаторов присутствия, аналогового дальномера и выключателя освещения. Конструкции, описание которых приведены в статье, можно использовать в радиокружках для отработки навыков конструирования или в различных устройствах, в том числе и в домашней автоматике.
Ультразвуковой дальномер HC-SR04 (Ultrasonic Ranging Module HC-SR04. - https://lib.chipdip.ru/092/DOC00109 2302.pdf (29.01.18)), далее дальномер HC-SR04, широко известен, доступен и часто используется радиолюбителями для построения различных устройств. В отличие от других датчиков, дальномер HC-SR04 не реагирует на солнечный свет или цвет объекта, но его эффективность сильно зависит от отражательных свойств поверхности. Традиционно его применяют совместно с микроконтроллерами, а наиболее широко - с платами семейства Arduino, чему способствуют доступные библиотеки для управления дальномером. Описаний подобных конструкций много в Интернете. Но в некоторых случаях при построении отдельных устройств можно с успехом обойтись и без микроконтроллеров. Прежде всего, это относится к устройствам, где не требуется точного измерения расстояния, а сделать это позволяют некоторые особенности дальномера HC-SR04. Дело в том, что информация о расстоянии с его выхода формально выводится в цифровом виде, но её нетрудно простыми средствами обработать без микроконтроллера или преобразовать в аналоговую, а затем использовать для построения различных автоматов.
Но для начала надо подробнее познакомиться с конструкцией и параметрами дальномера HC-SR04 (рис. 1). Следует отметить, что топология печатной платы дальномера у разных производителей может отличаться.
Рис. 1. Дальномер HC-SR04
Основные технические характеристики
Напряжение питания, В .............4,8...5,5
Максимальный потребляемый ток, мА...................15
Угол обзора, град.................15
Измеряемое расстояние, см ............2...400
Погрешность измерения, см...........................0,3
Интервал рабочих температур, оС ...................0...+ 60
Габаритные размеры, мм . . . .45x20x15
Назначение выводов HC-SR04: Vcc - плюсовой вывод питания; Trig - вход запускающего сигнала; Echo - выход эхо-сигнала; GND - общий "земляной" вывод.
Принцип работы дальномера HC-SR04 основан на принципе эхолокации, т. е. использует точно такую же технологию, что и летучие мыши, дельфины и некоторые другие животные для ориентации в пространстве, а именно ультразвук (УЗ). На передней части платы дальномера расположено два УЗ-преобразователя, первый - это передатчик (Transmiter) УЗ-волн (TCT40-16T), он расположен на плате слева, иногда его отмечают надписью "T", а второй - приёмник (Receiver) отражённых УЗ-волн (TCT40-16R), он установлен справа, иногда маркируется надписью "R", а в центре расположен кварцевый резонатор.
Работу дальномера HC-SR04 поясняет рис. 2. Для запуска процесса измерения на вход Trig (UTR) надо подать импульс длительностью tTR= 10...15 мкс. По спаду этого импульса дальномер излучает пачку из восьми УЗ зондирующих импульсов UT на частоте 40 кГц. Через небольшой промежуток времени (около 1 мкс) после окончании пачки УЗ-импульсов на выходе Echo (UEC) появится высокий логический уровень. Он сменится на низкий, когда в приёмник попадёт отражённый УЗ-сигнал UR. Таким образом, длительность импульса tEC на выходе Echo зависит от расстояния до препятствия: L(см) = tEС(мкс)/58. Поэтому, измерив длительность импульса tEC и проведя несложные расчёты, можно определить это расстояние. Так обычно и происходит в устройствах, собранных на дальномере HC-SR04 и микроконтроллере (или плате семейства Arduino). По результатам измерения принимается какое-либо решение. Если отражённого УЗ-сигнала не будет или он будет ниже порога обнаружения, длительность импульса tEC - около 38 мс. Поэтому период следования запускающих импульсов TTR должен быть не менее 45...50 мс.
Рис. 2. Диаграмма, поясняющая работу дальномера HC-SR04
Сигнализатор присутствия-1
Самые распространённые датчики движения - это ИК-датчики, которые относятся к так называемым пассивным. Их основа - пироэлектрический датчик, который реагирует на изменение ИК-излучения, попадающего на него. Если это излучение будет мало, такой датчик на перемещение объекта не реагирует. Одним из главных недостатков большинства таких датчиков является то, что они реагируют только на движение человека. Если применить такой датчик в выключателе освещения, например, на лестничной площадке, где люди постоянно перемещаются, проблем не возникает. Но если человек будет неподвижен, такой ИК-датчик перестанет реагировать и свет погаснет.
Для таких случаев более подходящим будет активный датчик, который излучает зондирующий сигнал и принимает сигнал, отражённый от объекта. Сделать такой датчик можно на основе дальномера HC-SR04. В таком устройстве не требуется измерять точное расстояние до предмета, и вполне достаточно информации о том, что он расположен на расстоянии меньше заранее установленного. Принцип работы такого сигнализатора может быть основан на том, что в дежурном состоянии на выходе дальномера HC-SR04 присутствует сигнал, параметры которого обусловлены наличием удалённых предметов или препятствий. Впрочем, отражённого сигнала может и не быть совсем. Поэтому длительность импульса tЕСна выходе Echo должна быть сравнительно большой. При появлении в зоне действия дальномера НС-SR04 более близко расположенных предметов длительность импульса tEC существенно уменьшается. Это и можно использовать для построения сигнализатора присутствия. Но для этого надо каким-то образом измерить длительность импульса tEC. В устройствах с микроконтроллерами это реализуется напрямую. Более простое решение без процедуры измерения можно реализовать на логических микросхемах.
Схема датчика присутствия показана на рис. 3. На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран генератор запускающих импульсов. На выходе элемента DD1.2 формируются импульсы длительностью 10...15 мкс с периодом следования около 45 мс. Реализуется это за счёт того, что резисторы в цепи зарядки и разрядки конденсатора С2 отличаются примерно на четыре порядка. Элемент DD2.1 инвертирует сигнал с выхода Echo дальномера. На элементах DD2.2 и DD2.3 собран ждущий одновибратор образцовых импульсов, которые задают временное окно для сравнения с инвертированным сигналом с выхода Echo. Это сравнение осуществляет логический элемент DD2.4 (2И-НЕ). На элементах DD1.3 и DD1.4 собран буферный каскад, который подаёт питающее напряжение на элементы сигнализации - светодиод HL1 и акустический излучатель HA1 со встроенным генератором.
Рис. 3. Схема датчика присутствия
Диаграмма, поясняющая работу сигнализатора, показана на рис. 4. Осциллограммы в контрольных точках 1-6 в исходном состоянии показаны красным цветом. После поступления импульса запуска 1 через некоторое время на выходе Echo появляется импульс 2, длительность которого зависит от расстояния до объекта, от которого пришёл отражённый сигнал. Этот импульс инвертирует (импульс 3) элемент DD2.1. По спаду импульса 3 ждущий одновибратор формирует образцовый импульс 4, длительность которого можно изменять подстроечным резистором R3. Элемент DD2.4 сравнивает импульсы 3 и 4. В исходном (дежурном) состоянии устройства длительность импульса 3 превышает длительность импульса 4, поэтому на выходе этого элемента присутствует высокий логический уровень (сигнал 5). Конденсатор С4 через резистор R5 заряжается до того же уровня, и на выходе элементов DD1.3 и DD1.4 присутствует низкий уровень (сигнал 6), поэтому светодиод HL1 и звуковой излучатель HA1 обесточены.
Рис. 4. Диаграмма, поясняющая работу сигнализатора
При появлении в зоне контроля сигнализатора объекта, который отражает УЗ-сигналы, состояние устройства изменяется. Осциллограммы для этого случая показаны синим цветом. Во-первых, длительность импульса 2 на выходе Echo, а также импульса 3 уменьшается. Поэтому на выходе элемента DD2.4 кратковременно появится низкий уровень (импульс 5), что приведёт к быстрой разрядке через диод VD2 конденсатора С4 и появлению на выходе элементов DD1.3 и DD1.4 высокого уровня. В результате включится светодиод HL1 и начнёт работать звуковой излучатель HA1, которые и подадут сигнал о наличии какого-либо объекта в зоне контроля сигнализатора. После ухода объекта из этой зоны сигнализатор вернётся в исходное состояние. В дежурном режиме устройство потребляет ток 3,3 мА, при подаче сигнала - 7,5 мА. Для его питания надо применить стабилизированный источник.
Все элементы сигнализатора размещены на односторонней печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1...1,5 мм, её чертёж показан на рис. 5, а смонтированная плата - на рис. 6. Применены постоянные резисторы С2-23, Р1-4, МЛТ (R1 в данном случае составлен из двух соединённых последовательно резисторов КВИ по 5,1 МОм), подстроечный - СП3-19, оксидные конденсаторы - К50-35 и импортные, остальные - плёночные или керамические (С2 должен быть с малым током утечки). Диоды - любые маломощные импульсные, светодиод - маломощный любого свечения, можно применить мигающий с напряжением питания 5 В, в этом случае резистор R6 заменяют проволочной перемычкой. Звуковой излучатель - со встроенным генератором, обеспечивающий достаточную громкость при напряжении 5 В. Дальномер HC-SR04 можно впаять в плату либо применить для его подключения гнёзда из серии PSB, например, отрезав четыре штуки от гнезда PSB-10 (DS1023-1x10). Второй вариант, конечно, предпочтительней, поскольку позволяет оперативно заменять дальномеры и тем самым проверять их работоспособность и сравнивать их между собой.
Рис. 5. Чертёж печатной платы сигнализатора
Рис. 6. Смонтированная плата устройства
Налаживание сводится к проверке надёжного запуска дальномера HC-SR04, при необходимости для этого следует подобрать конденсатор С2. Дальность обнаружения устанавливают подстроечным резистором R3.
Сигнализатор присутствия-2
В сигнализаторе, описание которого приведено выше, реализован метод контроля длительности импульса на выходе Echo дальномера. Но импульсы на этом выходе относительно просто преобразовать в постоянное напряжение и уже затем использовать его для проведения измерений или управления другими элементами. Дело в том, что дальномер работает постоянно, и на выходе Echo дальномера HC-SR04 присутствует не отдельный импульс, а их последовательность. Если такую последовательность подать на вход интегрирующей RC-цепи, на её выходе будет напряжение ивых, пропорциональное амплитуде Uп и скважности Q импульсов: Uвых = Uп/Q, где Q = TTR/tEC. На практике это означает, что с приближением объекта постоянное напряжение на выходе интегрирующей RC-цепи уменьшается.
Схема второго варианта датчика присутствия показана на рис. 7. Формирователь запускающих импульсов здесь реализован по несколько иному принципу, он собран на логических элементах микросхемы DD1. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран RC-генератор импульсов с частотой следования около 60 мс. Эти импульсы напрямую поступают на первый вход (вывод 12) элемента DD1.3, а на второй - через дифференцирующую RC-цепь C3R4, в результате на его выходе формируются запускающие импульсы, которые инвертирует элемент DD1.4, после чего они поступают на вход Trig дальномера HC-SR04. Формирователь запускающих импульсов в этой конструкции собран на большем числе элементов, чем в предыдущем устройстве, но зато не содержит высокоомных резисторов.
Рис. 7. Схема второго варианта датчика присутствия
Выходные импульсы дальномера HC-SR04 поступают на интегрирующую RC-цепь R2C4, постоянное напряжение на выходе которой зависит от расстояния до объекта. Это напряжение подаётся на инвертирующий вход ОУ DA2, который работает как компаратор. На его неинвертирующий вход поступает образцовое напряжение с делителя напряжения R3R5. Если объект находится за пределами зоны контроля сигнализатора, напряжение на выходе интегрирующей цепи превышает образцовое и на выходе ОУ будет напряжение, близкое к нулю. Поэтому включён светодиод HL1 зелёного свечения, сигнализирующий о работе устройства. Светодиод HL2 красного свечения и акустический сигнализатор со встроенным генератором обесточены.
При появлении в зоне контроля объекта напряжение на инвертирующем входе ОУ уменьшается и на его выходе появляется напряжение примерно на 1,5 В меньше питающего. В результате светодиод HL1 гаснет, включаются светодиод HL2 и акустический излучатель HA1, которые и подадут сигнал.
Длительность запускающего импульса можно изменить подборкой конденсатора С3. Дальность срабатывания сигнализатора устанавливают подстроечным резистором R5. Чтобы ввести гистерезис и сделать переключение сигнализатора более чётким, следует ввести резистор R8, который обеспечивает положительную обратную связь. Этот резистор можно установить со стороны печатных проводников.
Чтобы сделать питание сигнализатора более универсальным, например, питать его от батареи "Крона" или блока питания с выходным напряжением 7...12 В, в устройство введён интегральный стабилизатор DA1, который стабилизирует напряжение питания дальномера HC-SR04 и цифровой микросхемы. В дежурном режиме потребляемый ток - 8 мА, при подаче сигнала - 13 мА.
Чертёж односторонней платы сигнализатора, изготовленной из стеклотекстолита толщиной 1...1,5 мм, показан на рис. 8, а смонтированная плата - на рис. 9. В этом сигнализаторе можно применить аналогичные детали.
Рис. 8. Чертёж односторонней платы сигнализатора
Рис. 9. Смонтрованная плата устройства
Эти сигнализаторы присутствия можно применить в моделях автомобилей или других подвижных объектах для исключения столкновения с препятствиями, а также в различных устройствах домашней автоматики.
Продолжение следует
Чертежи печатных плат в формате Sprint-Layout имеются здесь.
Автор: И. Нечаев, г. Москва