Рис. 1
В авторском экземпляре датчика спица была изготовлена из стальной проволоки диаметром 0,8 мм (скрепка для бумаг), расплющенный ее конец имел толщину 0,2...0,25 мм, груз 5 - свинцовый кубик весом 3 г. Эксперимент показал, что резонансная частота такого преобразователя Fpeз =23 Гц.
Эта конструкция преобразует колебания груза в переменное давление на пьезоэлемент. На короткие удары и толчки преобразователь реагирует экспоненциально затухающими колебаниями (с частотой Fpeз) напряжения на пьезоэлементе (рис. 2), начальная амплиуда Ua которых зависит от воздействующей силы. Если этот сигнал подать на один из входов компаратора, а на второй - образцовое (пороговое) напряжение Uп, то на его выходе будет сформирована "пачка" длительностью
Тп из N = Fpeз-Tп импульсов.
Рис. 2
Очевидно, что при слабых и редких ударах и толчках на выходе компаратора будет сформировано меньшее число импульсов, чем при сильных и частых, а при высокой активности (криминал?) оно может превысить некоторый предел. Принципиальная схема устройства, формирующего в ответ на запредельное возбуждение датчика тревожный сигнал (лог. 1), показана на рис. 3.
Рис. 3
На микромощном ОУ DA1 собран компаратор, порог его переключения Uп устанавливают подстроечным резистором R4. В состоянии покоя на пряжение на инвертирующем входе ОУ DA1 превышает на 0,3...3 мВ напряжение на неинвертирущем, поэтому на его выходе установится низкий уровень - лог. 0.
При появлении на пьезоэлементе В1 переменного напряжения с амплитудой, достаточной для переключения ОУ DA1, на его выходе формируется "пачка" импульсов, которые после инвертирования логическим элементом DD1.3 поступят на вход С счетчика DD2 и вход одновибратора (вывод 6 DD1.1), собранного на элементах DD1.1, DD1.2. Этот одновибратор формирует импульс длительностью Такт = 0.7*С1*R8 = 7 с, который задает временной интервал активной работы датчика - продолжительность цикла подсчета импульсов. По окончании этого интервала на выходе элемента DD1.4 формируется короткий (t = 0.7*R9*C3 = 14 мс) импульс, обнуляющий счетчик DD2.
Поскольку сигнал высокого логического уровня (сигнал тревоги) на выходе 2П счетчика DD2 возникает лишь с поступлением в счетчик 2п-го импульса, порог срабатывания датчика зависит от того, какой из выходов этого счетчика задействован. Если это будет сделано так, как показано на рис. 3, то сигнал тревоги на "Выходе 1" возникнет с поступлением на вход С счетчика DD2 64-го импульса. Еще один выход датчика ("Выход 2") - открытый сток полевого транзистора VT1 - позволит подключить к нему нагрузку, имеющую собственный источник питания.
Все элементы монтируют на печатной плате, изготовленной из двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, чертеж которой показан на рис. 4. Часть фольги со стороны установки элементов используется в качестве общего провода. Подключения к ней "заземляемых" выводов резисторов, конденсаторов и других деталей показаны черными точками. В местах пропуска выводов элементов в этой фольге должны быть вытравлены защитные кружки диаметром около 2 мм (на рис. 4 не показаны). Места соединения металлизированных участков первой и второй сторон платы показаны черными квадратами со светлой точкой в центре.
Рис. 4
Применены постоянные резисторы: R8 - КИМ, СЗ-14, остальные - МЛТ, С2-23, подстроечный резистор - СПЗ-19а. Оксидный конденсатор - импортный с малым током утечки, остальные- КМ-6, К10-17. Пьезоэлемент В1 - акустический излучатель ЗП-19. Его основание припаивают к специально предназначенным для этого контактным площадкам на плате. Во избежание касания грузом платы в ней можно сделать вырез (на рис. 4 показан пунктиром). Смонтированную плату устанавливают в жестяную коробку из-под бульонных кубиков и крепят винтами в трех точках. В таком оформлении датчик будет иметь габаритные размеры 82x35x15 мм.
Но с какого из выходов счетчика DD2 следует снимать сигнал тревоги и каким должен быть временной интервал активной работы датчика Такт? Прежде всего должно быть выполнено условие
Fpeз*Tакт > 2 в степени n, где 2 - наименование выхода счетчика DD2. В противном случае сигнал тревоги на выходе датчика не возникнет даже при непрерывном возбуждении пьезоэлемента. Для указанных на схеме номиналов элементов это условие выполнено, поскольку
Fpeз*Такт= 23*7 =161, и выходом датчика мог бы быть любой из четырех выходов счетчика DD2: 2 в степени 4, 2 в степени 5, 2 в степени 6 или 2 в степени 7 (2 в степени 7 = 128 < 161). Самую высокую чувствительность (и к помехам тоже) будет иметь датчик, в котором сигнал тревоги снимают с выхода 2 в степени 4, а самым помехозащищенным - с выхода 2 в степени 7.
Если датчик должен отреагировать на кратковременные однократные удары, близким по времени должен быть и интервал Такт. Но если такого ограничения нет, Такт рекомендуется увеличить. Это обусловлено тем, что с увеличением Такт уменьшается вероятность возникновения ложного сигнала тревоги. Но используемое здесь схемотехническое решение позволит увеличить Такт лишь до 35...40 с, поскольку, как показал опыт, сопротивление резистора R8 не должно быть больше 30 МОм, а максимальная емкость конденсатора С2 (керамического или пленочного) обычно не превышает 2,2 мкФ. Применение оксидного конденсатора нежелательно, поскольку у него ток утечки значительно больше, чем у керамического. Порог срабатывания компаратора устанавливают подстроечным резистором R4.
При "мягком" толчке амплитуда сигнала на пьезоэлементе может быть слишком мала, поэтому существенное увеличение чувствительности датчика к таким толчкам может дать снижение Fpeз. Это может быть достигнуто увеличением массы груза. Эксперимент показал, что при массе груза 5, 9 и 15 г резонансная частота составила 18, 13 и 9 Гц соответственно.
"Выход 2" может потребоваться не только для согласования с "чужой" охранной системой. Он пригоден и для непосредственного управления мощной нагрузкой, например, звуковым сигнализатором (сирена) или лампой накаливания. При налаживании к этому выходу можно подключить маломощный звуковой сигнализатор со встроенным генератором, например НРМ14АХ. Чрезвычайно низкое энергопотребление в дежурном режиме позволяет использовать для питания гальваническую литиевую батарею небольшой емкости. Она переживет, скорее всего, саму охранную систему.