Ультразвуковой датчик движения своими руками

Достаточно распространенная практика – датчики звука и движения в доме. Предлагаем рассмотреть, как сделать датчики движения своими руками, инструкция, схема и фото в нашей статье.

Принцип работы устройства

Работа устройства основана на приеме и передаче импульсов, исходящих при колебании воздуха (или воды, к примеру, в бассейнах), во время движения (причем не важно, что это: автомобиль, человек или животное). Функционал устройства может варьироваться, в зависимости от требований к нему. Существует несколько типов датчиков движения:

  • тепловые (реагируют на температурные изменения в досягаемом поле). Самый яркий пример – инфракрасный или лазерный датчик, в основном используется в охранных системах;
  • звуковые (передают и получают импульс при колебании воздуха от звуков). Очень простой прибор, применяется для фиксации движения на открытом пространстве;
  • колебательные (отзываются на колебания окружающей среды и изменение магнитного поля при движении в зоне досягаемости). Они чаще всего используются в квартире или доме, для включения или выключения света, звука и прочего.

Конструкция датчика движения

Как сделать датчик

Рассмотрим, как создается самый обычный датчик движения для сигнализации. Делается он на основе такой схемы

Схема датчика движения

Нужно приготовить следующие инструменты и детали:

  • объемный корпус (можно взять от старого фотоаппарата);
  • элементная база управления советского образца (купите в любом магазине электрических товаров либо на барахолке);
  • паяльный аппарат;
  • провода;
  • шурупы;
  • отвертка;

Пошаговое руководство выполнения

На базе транзистора собирается автодин, который теперь стал гетеродином и смесительным устройством для сигнализации. Как только в поле, которое охраняется прибором, обнаружится колебания воздуха (движение), то произойдет изменение уровня сигнала. Оно полностью соответствует доплеровскому смещению, и будет равняться нескольким герцам.

Видео: как правильно сделать датчик движения своими руками

Далее, при помощи конденсатора (на схеме С2) и ФНЧ (показан как C1, L3импульс поступит на контакт сигнализации, который по совместительству будет еще и фильтрующей деталью. Благодаря этому, импульс достигнет своего максимума и сохранит на определенное время эти параметры. Резистор (на рисунке R11) отрегулирует чувствительность схемы.

Компараторами в этом случае выступают VD3 – стабилитрон и небольшое реле (К1). Обязательно нужно учесть, что номинальный показатель сетевого напряжения – 11 вольт. Из-за этого мы рекомендуем также присоединить к схеме повышающий сигналы, стабилизатор.

Шаг второй: подгоняем под нужные параметры плату

Вверху нашей платы расположен антенна, её нужно тщательно отполировать и обработать обезжиривающими растворами, очень желательно покрыть канифолью или хотя бы ацетоном, потому, что высока вероятность окисления материала антенны во время её использования.

Следующим нужно обмотать катушку L1 и катушку L2, двенадцатью витками провода маленького сечения (мы взяли ПЭЛ-0,23).

Используя винт диаметром 3, привинчиваем втулку к центральном отверстию будущего датчика, закрепляем, проверяем прочность соединения.

Теперь приступаем к подгонке нашего корпуса. Измеряем его, нужно чтобы плата входила в коробку свободно, т.е. корпус либо распиливается, либо подбирается другой. В нем отмечаем место центра платы и там тоже сверлим аналогичное отверстие, как и на схеме, обрабатываем ацетоном, примеряем плату.

По три миллиметра нужно рассверлить углы в корпусе, где производится монтаж электрической схемы. Допускается некоторое отклонение в зависимости от Ваших крепежных винтов.

Винты, втулка и пластины можно брать любого материала, но обязательно проверяйте равность отверстий и ножек. В отдельных случаях нужно будет еще просверлить отверстия для будущих светодиодов, но в основном они просвечиваются сквозь корпус.

Простейший датчик готов, в собранном состоянии он будет выглядеть приблизительно таким образом. Установка производится по понятной схеме: комнатный светильник или лампу дневного света присоединяем к детектору.

Датчик движения

Как сделать лазерный датчик движения

В фильмах все видели лазеры, которые сигнализируют о проникновении грабителей в банк. Сделать электронный датчик движения своими руками с лазером тоже не так сложно, как кажется. Нужно приготовить следующие компоненты:

  • инфракрасный диод или фотодиод, в зависимости от возможностей и требований;
  • емкостное реле типа РЭС55А,
  • проводная схема;
  • транзисторные и резисторные блоки;
  • зарядное устройство на 5 вольт;
  • мультиметр;
  • прочие инструменты и детали (прокладка, шурупы, паяльник).

Для начала разбираем зарядное устройство. Оголяем провода и находим там положительные и отрицательные контакты. Далее согласно правилам, нужно на минус установить наш резистор. Теперь к нему присоединяем диод при помощи катода, а анод необходимо припаять к резистору подстройки. Далее, припаиваем транзисторный эммитер к отрицательному проводу, с базовой схемой соединяем резистор.

Итого у нас получается: резистор – минус, контактор – к реле, реле – сигнализатор. Принципиальная схема инфракрасного датчика выглядит приблизительно так:

Принципиальная схема датчика движения

При помощи шурупа нужно всю эту конструкцию прикрепить к прокладке, и подвести к шляпке шурупа питающий провод. Важно: устанавливайте соединительный шуруп так, чтобы он уперся в прокладочную пружину, она в данной схеме является чувствительной деталью.

Данная световая сигнализация может устанавливаться где угодно, если рядом есть розетка. Логичнее всего размещать её на уровне ног.

Разные советы

Любой из вышеперечисленных вариантов может быть подстроен под индивидуальные нужды.

  1. Вебкамера самостоятельно может выступать индикатором движения. Если её подключить к сигнализатору, то она даже будет издавать звуки, но в большинстве случаев достаточно просто скачать себе специальную программу на компьютер;
  2. Присоединяя датчик к системе освещения, позаботьтесь о том, чтобы в его зоне досягаемости не было вентиляторов и крупных бытовых приборов;
  3. Для создания своими руками «умного дома» мы советуем использование сенсорного выключателя. Дело в том, что там уже в большинстве случаев встроен датчик движения;
  4. Тщательно подбирайте диоды для своего лазера. ИК излучение может быть вредно для глаз, поэтому его не рекомендуется использовать в бытовых целях;
  5. По аналогичному принципу делается и автосигнализация. Только к принципиальной схеме присоединяется еще и звуковой сигнализатор. Когда датчик обнаруживает движения, то загорается свет и издается тон, как при работе металлоискателя. Такой прибор еще называют радарный датчик;
  6. При желании включите в схему емкостный дисплей, на нем будут выводится индикаторы «Работа» и «Стоп». Либо подключите монитор к схеме по принципу вебкамеры, и получите полноценную домашнюю сеть видеонаблюдения;
  7. Вполне реально сделать gsm-сигнализацию на обычном телефоне, для этого просто нужно скачать программу, как и на ПК.
Читайте также:  Как пользоваться жалюзи видео

Если Вам нужно провести ремонт, то все индикаторы, разбираются очень быстро и в основном проблема заключается в контактах, просто зачистите их.

Когда просто нет времени сделать датчики движения своими руками, то их можно купить в любом магазине электротехники, хорошие отзывы про модели ГрандВей и Сименс. Средняя цена прибора – 500 рублей.

Самостоятельно собранная схема подобного электронного устройства с датчиком движения, безусловно найдет свое применение в различных электронных устройствах.

Но при этом, уже перед началом реализации нужно четко представлять все стороны реализации данного проекта.

Положительные:

  1. Собранный самостоятельно датчик движения является во многом результатом труда, проб и ошибок, при этом, независимо первая ли это самоделка радиолюбителя или почти промышленное производство, самостоятельная сборка данного устройства принесет удовлетворение.
  2. Не нуждается в дополнительном обслуживании и приглашении специалистов для настройки.
  3. Прибор рассчитывается и устанавливается конкретно под местные условия, а соответственно при установке его как компонента охранной сигнализации, секретность будет многократно выше (разве что об этом не узнает сосед).
  4. Правильная сборка позволит многократно сократить расходы.
  5. Следующие приборы будут собираться легче и проще, в том числе и в модернизированных версиях.

Теперь об отрицательных сторонах:

  1. Однократное, удачное включение прибора, не является гарантией его работоспособности.
  2. Несмотря на успехи, не нужно забывать и о надежности – тонны припоя, потраченные на соединение элементов схемы, не способны её сделать надежной в случае конструкторской ошибки еще на стадии проектирования.
  3. Подбор нужных элементов займет куда большее время, чем поход в ближайший магазин или фирму по установке сигнализации.
  4. Размерность и компактность подобного датчика, не говоря о таких свойствах, как эстетичность корпуса и возможность его работы в разных условиях, например, под дождем или в снегу, требуют дополнительного времени, для того, чтобы окончательно убедиться в работоспособности схемы.

Область применения

Самоделки в виде датчиков движения чаще всего конструируются:

  1. В несложных системах сигнализации для гаражей, дач или домов.
  2. Для облегчения и создания дополнительного комфорта – для включения наружного и внутреннего освещения.
  3. Для контроля движения транспорта или людей через зоны невидимости.

Наверное, самостоятельно собранный датчик движения, включающий и выключающий освещение является наиболее распространенным вариантом использования этого устройства.

Ввиду очевидного экономического эффекта от его использования, такой прибор просто необходим для установки в пространстве около жилого дома, на гаражной стоянке, при использовании технологии «умный дом», в качестве обязательной опции включения освещения, во время открытия входной двери.

Такое применение этого электронного устройства позволит избежать дополнительных затрат на электроэнергию, существенно продлит срок службы ламп, создаст дополнительные комфортные условия жильцам.

Принцип работы

Вне зависимости от того, какие датчики устанавливаются, все датчики движения управляющие освещением, работают в соответствии с заложенным принципом работы – замыкании контактов и включении освещения после изменения положения предметов в зоне действия сенсоров устройства.

Различные электронные компоненты имеют различные принципы построения, но у всех их имеется общее сходство замыкание контактов и включение освещения осуществляется после начала движения.

В период пребывания в зоне работы сенсора, осуществляется срабатывание электроники, после, устройство продолжает работать еще некоторое время и уже после того, как предмет, человек или животное вышли из зоны действия датчика. Но такое дополнение технически решается отдельно от основной схемы сенсора.

Как сделать (лазерный/с фотоэлементом)?

Несмотря на громкое название, лазерный датчик движения – самое техническое решение данного устройства и вполне доступно для сборки в домашних условиях.

Условно, перед началом работ, необходимо четко понимать логическую схему:

  1. Сама система состоит из двух взаимосвязанных устройств – датчика, излучающего определенный световой луч, и сенсора на который этот луч направлен.
  2. Принцип такой пары сенсоров прост – электроника работает при постоянном воздействии света на фотоэлемент, при прерывании светового воздействия фотоэлемент срабатывает, замыкая или размыкая схему, вследствие чего и происходит включение или выключение источника освещения.

Скорее всего, при изготовлении самодельного сенсора движения понадобятся следующие инструменты и расходные материалы:

  1. Корпус для размещения электронной схемы.
  2. Набор элементов или же готовая элементная схема советского периода блока управления.
  3. Паяльник с припоем или что еще лучше паяльная станция.
  4. Провода различного сечения, резисторы разного номинала.
  5. Крепеж.
  6. Отвертка, плоскогубцы, изолента, кембрик.

Описание схемы

Датчик с фотоэлементом в предлагаемой схеме будет использоваться для включения освещения. Фотореле, на основе которого конструируется сенсор, будет играть роль включателя, при прохождении между источником света и фотоэлементом.

Читайте также:  Какое явление открыл майкл фарадей

Здесь нужно уточнить некоторые элементы схемы:

  1. VT1 – фототранзистор.
  2. R1 – резистор, играющий одновременно две роли в схеме: устанавливает рабочую точку и нагружает коллектор. В каждом отдельном случае, номинал резистора придется подбирать путем проб и ошибок.
  3. C1 – конденсатор.
  4. DA1 – операционный усилитель с обратной связью.
  5. R2 – резистор, на котором реализована обратная связь ОУ.

Схема будет работать таким образом:

  1. При попадании светового луча на фототранзистор, VT1 элемент работает как при подаче малого напряжения на базу транзистора.
  2. После этого, фототранзистор открывается и происходит зарядка конденсатора C1.
  3. В момент, когда свет перестает поступать на фоторезистор VT1, конденсатор начинает разряжаться, при этом, напряжение падает, и операционный усилитель DA1 срабатывает и включает другие устройства, будь то освещение или звуковой извещатель.

Пошаговое руководство

Самостоятельная сборка подобного прибора проводится согласно принципиальному алгоритму:

  1. Собирается источник питания, производится регулировка, контролируется выдающий ток.
  2. На минус блока питания устанавливается резистор.
  3. Далее, диод при помощи катода.
  4. На анод выводится резистор подстройки.
  5. Транзисторный эмиттер соединяется с отрицательным проводом блока питания.
  6. С базовой схемой соединяется резистор.

В результате такой манипуляции должна получиться вот такая конструкция: резистор к минусу, контактор, соединенный с реле, а реле с сигнализатором (лампа или ревун)

Датчик движения для сигнализации

Использование подобной конструкции в качестве сигнализации требует, кроме правильно собранной схемы, еще и гарантированный источник питания. В связи с этим, необходимо позаботиться, кроме основного, и о резервном источнике питания. В качестве сигнализатора можно использовать ревун или сирену. В дополнение к звуковому сигналу можно использовать световую сигнальную лампу.

Советы

Приступая к разработке проекта сигнализации с использованием датчиков движения с использованием старой советской элементной базы, рекомендуется найти старые советские журналы для радиолюбителей или конструкторов.

В стране множество оборонных конструкторских бюро и массы энтузиастов радиодела. В журналах для самодельщиков довольно часто описывались такие схемы с использованием простых радиодеталей, во многом, которые были разработаны настоящими профессионалами.

Неплохой идеей будет использование в качестве датчиков готовые сенсоры с возможностью подключения как осветительных приборов, так и звуковых.

Эта статья посвящена созданию робота, который объезжает препятствия при помощи ультразвука. Особенностью данного робота является то, что он построен без использования микроконтроллеров и содержит самодельный ультразвуковой модуль.


Рис.1. Робот в сборе

Давайте рассмотрим робота в общих чертах. Шасси самодельное, в качестве основания использована сэндвич-панель. Также здесь имеется батарейный отсек и макетная плата, играющая роль материнской платы. На нее можно будет устанавливать разные модули и, по желанию, расширять возможности робота.
В моем случае на плате установлен самодельный ультразвуковой модуль, о котором я расскажу позже. Также здесь собрана небольшая схема управления и драйвер двигателей.

Чтобы разобраться как это все работает, потребуется немного теории.
Ультразвуком называются звуковые волны, имеющие частоту выше 20 килогерц. Они не воспринимаются человеческим ухом. В данном роботе частота сигнала составляет 40 кГц.
В подобных проектах часто используются готовые модули, такие как US-015 или HC-SR04. Основными деталями являются два цилиндрических объекта на плате. Один из них это излучатель, отмеченный буквой T, а другой является приемником сигнала, под буквой R.


Рис.2. Готовый УЗ модуль

По внешнему запускающему сигналу на контакт Trig, модуль отправляет в пространство пачку коротких импульсов ультразвука. Они отражаются от препятствий и улавливаются приемником, после чего на контакте Echo выдается сигнал, длительность которого пропорциональна расстоянию до объекта.
Естественно модуль не работает сам по себе и все вычисления производятся с помощью микроконтроллера.

В данном проекте ультразвуковой модуль сделан своими руками с использованием доступных деталей. А модуль рассмотренный ранее стал донором. Впрочем датчики можно приобрести отдельно.


Рис.3. Самодельный УЗ модуль

Давайте рассмотрим его схему.


Рис.4. Схема ультразвукового модуля

Этот модуль содержит передатчик и приемник сигнала.

Передатчик ультразвукового сигнала построен на таймере 555. Времязадающие компоненты подобраны на частоту около 40 кГц. Подстроечный резистор R2 при налаживании устройства позволит немного отклонять частоту и найти такую точку, при которой будет обеспечена максимальная чувствительность.

Теперь разберем принцип работы приемника ультразвукового сигнала.
Когда сигнал, отраженный от объекта улавливается приемником (R), он усиливается транзисторами и фильтруется. После этого выпрямляется с помощью диодов VD1, VD2, сглаживается конденсатором и после этих преобразований сигнал поступит на компаратор.
Для того чтобы понять зачем он нужен, можно провести некоторые измерения. Черный щуп мультиметра подключить на минус питания, а красный установить до компаратора в точке X (рисунок 2).

Рис.5. Точка измерения

Измерения проводились при напряжении питания 5 Вольт. Когда перед модулем отсутствует какая либо преграда, то в точке Х напряжение составляет чуть меньше одного вольт. Если перед модулем установить преграду, то отраженный сигнал вызовет повышение напряжения в этой точке до 3 – 3,5 вольт. Это значение может меняться в зависимости от расстояния, формы объекта и некоторых других факторов. В данном случае отсутствует потребность измерения расстояния до объекта, а требуется всего лишь дать сигнал о том, что перед роботом появилась преграда. Для этого используется компаратор DA2, на выходе которого появляется сигнал низкого уровня при обнаружении препятствия, а в отсутствии него – логическая единица (два состояния). Этот логический сигнал можно направить в схему управления двигателями, которая позволит объехать препятствие.
В схеме имеется подстроечный резистор R8, подключенный в качестве потенциометра. С помощью него можно установить на каком расстоянии робот будет реагировать на препятствие (чувствительность).
В моем случае используется не компаратор, а один из операционных усилителей LM324. Но так как здесь отсутствует обратная связь и просто происходит сравнение напряжений на входах, то его использование вполне приемлемо.
Стоит отметить, что на плате готового модуля US-015 присутствует именно эта микросхема LM324 и используется для усиления принятого сигнала.

Читайте также:  Пластиковые панели для забора

Ультразвуковой модуль имеет низкое потребление тока (в моем случае чуть меньше 5 мА при питании 6 В).

С модулем мы разобрались, и теперь можно использовать сигнал с выхода компаратора для создания команды двигателям.

Один из простых вариантов: остановить один из двигателей и отклонить робота с курса. Как только перед роботом образуется свободное пространство, он продолжит движение вперед. Такой метод является не достаточно эффективным.

Не так давно я собирал робота, избегающего препятствия посредством инфракрасных TSOP-приемников. Датчики были расположены слева и справа, поэтому робот мог выбрать наиболее выгодное направление для объезда препятствия. А в этом случае модуль использован только один. В таких проектах ультразвуковой дальномер чаще всего устанавливается на сервоприводе. Робот подъезжает к стене, вращает модулем и сканирует пространство слева и справа от себя, после чего принимает решение куда свернуть. Такой алгоритм довольно сложно реализовать без микроконтроллера, поэтому рассмотрим самый простой вариант.


Рис.6. Простой вариант управления двигателями

Один из моторов (М1) подключен напрямую к источнику питания и будет работать всегда. Когда перед ультразвуковым датчиком отсутствуют препятствия, на выходе компаратора присутствует напряжение, которое через резистор поступает на базу транзистора VT1. Благодаря этому мотор М2 вращается, так же как и первый. Когда перед роботом возникает препятствие, на выходе компаратора устанавливается логический ноль, транзистор закрывается и второй двигатель (М2) перестает вращаться. Робот поворачивается до тех пор, пока перед ним не появится свободное пространство. После этого он поедет вперед. Поведение представлено на анимации ниже.


Анимация 1. Поведение робота с использованием первой схемы

Мы рассмотрели простой вариант схемы.
А теперь я хочу предложить вторую схему управления, чтобы немного разнообразить поведение робота.
Схема представлена в полном виде, чтобы было удобнее, но речь в тексте пойдет о элементах схемы управления.


Рис.7. Второй вариант управления двигателями


Рис.8. Модуль управления двигателями

При использовании этого модуля осуществляется новый алгоритм. Он заключается в следующем: все происходит как раньше, но если робот в течение нескольких секунд не находит выход из ситуации, то активный двигатель (М2) резко поменяет направление вращения. Одновременно с этим приостановленный ранее двигатель М1 возобновит движение, но тоже в обратном направлении.

Это все происходит за счет использования дополнительных компонентов (см.рис.7). Здесь использованы логические элементы "И-НЕ". В моем случае их содержит микросхема К155ЛА3, но можно использовать любую аналогичную микросхему ТТЛ.

Выводы логических элементов подключены ко входам драйвера двигателей L293D. В начальный момент времени на INPUT1 поступает логическая единица, а на INPUT2 логический ноль, т.к. элемент DD1.4 подключен в качестве инвертора сигнала. При этом двигатель М1 вращается в определенную сторону. При обнаружении препятствия, ток на транзистор VT1 перестает поступать, он закрывается и второй вход элемента DD1.1 отключается от минуса и подтягивается на плюс через резистор R2. Это вызовет смену логических уровней, поступающих на входы драйвера, при этом мотор поменяет направление вращения. Дополнительно с этим, возникшая логическая единица на шестой ножке микросхемы поступит через диод VD1 на вход INPUT3 и поменяет направление вращения двигателя М2.
Но нужно отметить важную деталь: благодаря цепочке R1-C1 эта смена сигналов и реверс двигателей произойдет не сразу, а через несколько секунд.
Как только в зоне видимости ультразвукового датчика не будет препятствия, все вернется в первоначальное состояние и робот поедет вперед.
Чтобы понять смысл посмотрите на поведение робота в такой ситуации.


Анимация 2. Поведение робота с использованием расширенной схемы управления (рис.4)

Если выход не будет найден в течение некоторого времени, то активируется логическая схема и робот меняет тактику объезда препятствия.
Промежуток времени, который я изобразил в виде загрузки зависит от емкости C1 и от положения переменного резистора R1.

Еще более интересного поведения можно достичь отключив диод от 10-ой ножки драйвера двигателей. А также нужно отсоединить базу транзистора VT1 от выхода компаратора.
Поведение робота станет непредсказуемым.


Анимация 3. Поведение робота при описанных выше изменениях

Светодиод HL1 в схеме не обязателен, но полезен, т.к. его свечение показывает не только отсутствие препятствий, но и нормальное функционирование ультразвукового модуля.

Примечания по питанию
В моем случае все узлы робота питались от одного источника – 4 батарейки АА. При необходимости на 8-ой вывод драйвера L293D можно подать раздельное питание для двигателей от более мощного источника. Микросхемы модуля управления требуют напряжения 5 вольт, поэтому одобряется использование стабилизатора напряжения (например L7805).
Модуль УЗ стабильно работает при напряжении от 5 до 9 Вольт. Не желательно отказываться от сглаживающего конденсатора по питанию.

Еще немного фотографий:

К этой статье есть видео, которое содержит полную информацию и демонстрацию работы схем.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *