Использование ультразвука
Использование ультразвука - это еще одно направление в разработках "Детекторов Близости". На рис.1 показано, как работает такое устройство. В верхней части рисунка изображена возможная конфигурация, когда передатчик и приемник ультразвука находится напротив друг друга. Пока ничто не мешает ультразвуку в полной мере достигать приемника, схема находится в ожидании. А помешать этому может как раз нарушитель, находящийся между излучателем и приемником.
Варианты ультразвуковой охранной сигнализации
Подобное устройство способно обеспечить весьма высокий уровень надежности. Ведь любое снижение уровня сигнала от передатчика или паже прекращение его работы вообще будет расцениваться цепями приемника как опасность. Вышеприведенные примеры могут возникнуть просто при выводе передатчика из строя.
В нижней части рисунка изображено другое эффективное расположение приемника и передатчика. В этом случае ультразвук отражается от отнесенного на расстояние твердого предмета и поступает на приемник. Сигнал, излучаемый передатчиком, должен быть достаточно мощным. Естественно, всякий объект, вставший на пути звука, вызовет сигнал тревоги.
Возможен другой путь работы устройства. В этом случае звук достигает приемника, только отразившись от грабителя, находящегося поблизости от передатчика и приемника.
Все описанные способы хороши, так что выбирайте один из них, который лучше всего подходит к вашим условиям.
Ультразвуковой сторож с раздельными приемником и передатчиком
На рис.1 приведена принципиальная схема ультразвукового передатчика.
Основой ее является таймер типа 555, а рабочую частоту определяют номиналы резисторов R1 и R4 и конденсатора С1.
Схема ультразвукового передатчика.
Ультразвуковой излучатель TR1 обеспечивает наибольшую отдачу на собственной резонансной частоте, а значит, и питаться должен именно с этой частотой. Если во время работы устройства частота генератора передатчика будет "плавать", это в какой-то момент приведет к снижению уровня сигнала, излучаемого передатчиком, т. е. вызовет ложную тревогу. Для повышения стабильности частоты генератора в нем через конденсатор СЗ создана обратная связь. Сам излучатель становится подобным резонансному контуру, сигнал на котором максимален на частоте резонанса. Таким образом, наведенная положительная обратная связь удерживает генератор на собственной частоте излучателя и сужает диапазон перестройки ее резистором R4. Для еще большего повышения стабильности частоты следует питать схему от стабилизированного источника питания. Но надо сказать, что скачки напряжения питания до 1 В не вызывают ни ухода частоты, ни снижения уровня выходного сигнала.
Передатчик собирают на плате из изоляционного материала и помещают в металлический или пластмассовый корпус. При монтаже соблюдайте аккуратность, а в целом схема некритична к расположению деталей, и конструкцию подберите по своему усмотрению. Поскольку деталей в передатчике немного, неплохо было бы и плату, и излучатель расположить в одном корпусе. К тому же длинные соединительные провода, идущие к излучателю, отрицательно влияют на работу схемы. Но если все равно не удастся обойтись без проводов, делайте их не больше 15 см длиной.
Когда все подготовительные работы закончены, приступайте к наладке передатчика. Задача состоит в настройке его на собственную частоту излучателя. Если у вас есть осциллограф, его сигнальный провод подключите к точке соединения конденсаторов С2 и СЗ, а "землю." - к общему проводу схемы. Переключатель диапазонов усиления установите в положение 1 В/дел. Резистором R4 добейтесь существенного увеличения амплитуды сигнала на экране осциллографа. Максимальный сигнал показывает, что мы настроились на резонансную частоту. Эту единственную операцию по наладке передатчика можно и отложить до вре-мени, когда будет готов приемник. Схема приемника приведена на рис.2.
Схема приемника
Транзисторы Ql, Q2 и Q3 образуют общеизвестный трехкаскадный усилитель, в задачу которого входит увеличение уровня принятого сигнала до значения, когда его можно будет продетектировать, а полученным постоянным напряжением перевести транзистор Q4 в открытое состояние. Общее усиление схемы регулируется переменным резистором R13, включенным в цепь эмиттера транзистора Q3. С коллектора этого транзистора сигнал поступает на выпрямитель с удвоением напряжения. Постоянное напряжение, выделяющееся на конденсаторе С5, создает смещение на базе транзистора Q4 через резистор R12. Сборка приемника ничем практически не отличается от сборки передатчика. Как и там, провода, соединяющие ультразвуковой датчик со схемой, должны быть по возможности короткими. Готовую плату поместите в металлический или пластмассовый корпус.
Введение устройства в работу.
Если следовать изображению в верхней части рис. 3.20, первым шагом по проверке работы схемы должно быть определение, насколько далеко можно разнести приемник и передатчик. Выберите место, где отсутствуют воздушные потоки. Излучатель передатчика разместите на высоте 1 м над полом, направив его в открытое пространство. Подайте питание от временного источника на приемник. Установите резистор R13 в положение наименьшего сопротивления, что будет соответствовать максимальному усилению. Подключите вольтметр постоянного напряжения к зажимам Лив. Если амплитуда ультразвуковых волн достаточно высока, вольтметр будет показы-вать напряжение, почти равное напряжению питания. Медленно отходите с приемником от излучателя передатчика. С какого-то места показания вольтметра начнут прыгать, иногда даже падая до нуля. После этого сократите расстояние на 30-60 см, еще раз убедившись, что устройство работает надежно.
При установке ультразвуковой сигнализации следует соблюдать несколько четких установок.
1. Не размешайте ее в зоне, где работает кондиционер в режиме нагнетания воздуха. Иначе сигнализация будет срабатывать всякий раз при его переключении.
2. Не оставляйте поблизости никаких предметов, которые могут из-за сквозняка попасть в луч передатчика.
3. Не пытайтесь использовать систему на улице или в помещении, где постоянно открываются окна и двери.
4. Если звери или птицы - постоянные обитатели той территории, где вы собираетесь применить такую сигнализацию, то здесь она неприемлема.
Как уже говорилось выше, можно так расположить передатчик и приемник, что последний будет воспринимать звук, отраженный от какой-либо твердой поверхности. Это может быть стека или дверь. Одежда человека плохо отражает и, наоборот, хорошо поглощает ультразвук. Когда кто-либо пересечет один из лучей, сигнализация сработает. Если под охраной находилась дверь, то устройство среагирует, когда ее откроют.
Излучатель передатчика и ультразвуковой датчик приемника располагают на расстоянии не более 5 см друг от друга, при этом устройство способно "заметить" человека или какой-либо объект в нескольких сантиметрах от него. Где бы вы ни устанавливали свое творение, не забывайте о следующем: не следует настраи-ваться на максимальную чувствительность и использовать устройство в неблагоприятных окружающих условиях.
Устройство сигнализации с объединенными приемником и передатчиком
Схема следующего ультразвукового сторожа показана на рис.1. Схема необычна тем, что на базе одной микросхемы в ней собран генератор передатчика и что она же работает как избирательный приемник отраженного сигнала. Для этого используется микросхема 567, вмещающая в себя источник сигнала и его приемник.
Рис.1. Схема приемопередатчика
Познакомимся поближе с тем, как функционирует схема, выполняющая двойную работу. Волны воспринимаются пьезокерамическим датчиком, после чего усиленные каскадом на транзисторе Q2 они поступают на вывод 3 микросхемы, причем частоте сигнала получается в точности равной той, что генерирует сама микросхема. В отличие от ранее описанного устройства в этой ситуации уже не важно, насколько частота может отклониться от первоначально установленной.
Рабочая частота определяется номиналами цепочки резисторов R3 и R6 и емкости конденсатора СЗ. Регулируется она переменным резистором R6. При заданных номиналах деталей она может варьироваться в пределах от 8 до 25 кГц, а в конечном счете определяется применяемыми пьезодатчиками. С вывода 5 микросхемы сигнал прямоугольной формы поступает на базу транзистора Q1, включенного по схеме с общим коллектором. В качестве нагрузки этого транзистора включена цепочка из резистора R5 и низкоомного динамика. Когда на вход схемы поступает достаточный по амплитуде сигнал, светодиод горит, а клеммы А и В представляют собой нормально замкнутые контакты. В случае, когда амплитуда сигнала понижается или он совсем отсутствует, выход схемы переходит в разомкнутое состояние. В остальном это устройство может быть использовано по любой конфигурации из предложенных на рис. 3.20. Откровенно говоря, схема лучше работает на высоких звуковых частотах, чем на ультразвуковых.
Последнее слово о рабочей частоте говорят применяемые в устройстве излучатель и пьезодатчик. Для тех из них, которые указаны в списке применяемых деталей, частота варьируется в диапазоне от 8 до 16 кГц. Если вас не удовлетворят такие частоты, нужно лишь подобрать другую" пару, поскольку сама схема может работать на частотах до 25 кГц. Верхний же предел ограничен лишь возможностями микросхемы. Но не следует особенно усердствовать, поскольку для частот выше 43 кГц уже трудно подобрать излучатель и пьезодатчик.
В комплекте с двумя предложенными преобразователями схема очень хорошо работает на частоте 12 кГц. И не страшно, что она слышна. Ведь едва ли кто-либо отважится с ней поспорить. Да и мыши, судя по всему, предпочтут какое-нибудь другое место, чем это.
Сборка схемы.
Детали схемы монтируются на плате из изоляционного материала, и, поскольку их не так много, плотность монтажа не сказывается на ее функционировании. В данной конструкции не требуется размещать пьезодатчик и излучатель поблизости от самой схемы. Но тогда для каждого преобразователя желательно использовать экранированные провода. Этим вы избежите возникновения связи напрямую между выходом и входом схемы.
Ввод устройства в эксплуатацию. Проверив правильность монтажа, подключите питание схемы. Это может быть источник напряжением 6-9 В. Ползунок резистора R6 установите в среднее положение, при этом вы должны слышать писк высокого тона. Установите излучатель на столе или другой подставке так, чтобы перед ним было свободное пространство в 3 м. Держа пьезодатчик в руках, "направьте его на излучатель. Светодиод при этом должен загореться. Отходя с пьезодатчиком от излучателя, заметьте то место, где светодиод погаснет. Это означает, что вы нашли точку максимальной чувствительности.
Укажем места, где удобно расположить такую сигнализацию:
через помещение;
на выходе;
напротив напольного, настенного сейфа или дорогой картины;
на проходе на чердак или в полуподвал;
в любом другом месте, где может пройти грабитель.