Капацитивният сензор е един от видовете безконтактни сензори, чийто принцип на работа се основава на промяна на диелектричната константа на средата между две кондензаторни пластини. Едната плоча е сензорна верига за докосване под формата на метална плоча или тел, а втората е електропроводимо вещество, например метал, вода или човешко тяло.

При разработването на система за автоматично включване на подаването на вода към тоалетната за биде стана необходимо използването на капацитивен сензор за присъствие и превключвател, които са много надеждни, устойчиви на промени във външната температура, влажност, прах и захранващо напрежение. Също така исках да премахна нуждата човек да докосва контролите на системата. Представените изисквания могат да бъдат изпълнени само от схеми на сензори за докосване, работещи на принципа на промяна на капацитета. Не можах да намеря готова схема, която да отговаря на необходимите изисквания, така че трябваше да я разработя сам.

Резултатът е универсален капацитивен сензор за докосване, който не изисква конфигурация и реагира на приближаване на електропроводими обекти, включително човек, на разстояние до 5 см. Обхватът на приложение на предложения сензор за докосване не е ограничен. Може да се използва например за включване на осветление, системи аларма срещу взлом, определяне нивото на водата и в много други случаи.

Електрически схеми

За да се контролира подаването на вода в тоалетното биде, бяха необходими два капацитивни сензора за докосване. Единият сензор трябваше да се монтира директно на тоалетната, той трябваше да генерира сигнал за логическа нула в присъствието на човек и при липса на сигнал за логическа единица. Второ капацитивен сензортрябваше да служи като превключвател за вода и да бъде в едно от двете логични състояния.

При доближаване на ръката до сензора сензорът трябваше да промени логическото състояние на изхода - от първоначално състояние единица до състояние логическа нула, а при повторно докосване на ръката от състояние нула до състояние логическа единица. И така до безкрайност, докато сензорният превключвател получава сигнал за разрешаване на логическа нула от сензора за присъствие.

Верига на капацитивен сензор за докосване

Основата на веригата на сензора за наличие на капацитивен сензор е главен правоъгълен импулсен генератор, направен съгласно класическа схемавърху два логически елемента на микросхемата D1.1 и D1.2. Честотата на генератора се определя от стойностите на елементите R1 и C1 и се избира около 50 kHz. Стойността на честотата практически няма ефект върху работата на капацитивния сензор. Промених честотата от 20 на 200 kHz и визуално не забелязах никакъв ефект върху работата на устройството.

От пин 4 на чипа D1.2 правоъгълна формапрез резистор R2 отива към входове 8, 9 на микросхема D1.3 и през променлив резистор R3 към входове 12,13 на D1.4. Сигналът пристига на входа на чипа D1.3 с лека промяна в наклона на фронта на импулса поради инсталирания сензор, който е парче тел или метална плоча. На вход D1.4, поради кондензатор C2, фронтът се променя за времето, необходимо за презареждането му. Благодарение на наличието на регулиращ резистор R3, е възможно да се настрои фронтът на импулса на вход D1.4 равен на фронта на импулса на вход D1.3.

Ако доближите ръката или металния си предмет до антената (сензор за докосване), капацитетът на входа на микросхемата DD1.3 ще се увеличи и предната част на входящия импулс ще се забави във времето спрямо предната част на пристигащия импулс на входа DD1.4. За да се „улови” това забавяне, обърнатите импулси се подават към чипа DD2.1, който е D тригер, който работи по следния начин. По протежение на положителния фронт на импулса, пристигащ на входа на микросхемата C, сигналът, който е бил в този момент на входа D, се предава на изхода на тригера. Следователно, ако сигналът на входа D не се промени, входящите импулси в входът за броене C не влияе на нивото на изходния сигнал. Това свойство на D тригера направи възможно създаването на прост капацитивен сензор за докосване.

Когато капацитетът на антената, поради приближаването на човешкото тяло към нея, на входа на DD1.3 се увеличава, импулсът се забавя и това фиксира D тригера, променяйки изходното му състояние. LED HL1 се използва за индикация на наличие на захранващо напрежение, а LED HL2 се използва за индикация на близост до сензора за допир.

Верига на сензорен превключвател

Веригата на капацитивния сензор за докосване също може да се използва за управление на сензорния превключвател, но с малка модификация, тъй като трябва не само да реагира на приближаването на човешкото тяло, но и да остане в стабилно състояние, след като ръката бъде отстранена. За да разрешим този проблем, трябваше да добавим друг D тригер, DD2.2, към изхода на сензора за докосване, свързан с помощта на разделител с две вериги.

Веригата на капацитивния сензор е леко модифицирана. За да се елиминират фалшивите положителни резултати, тъй като човек може да донесе и отстрани ръката си бавно, поради наличието на смущения, сензорът може да изведе няколко импулса към входа за броене D на спусъка, нарушавайки необходимия работен алгоритъм на превключвателя. Затова беше добавена RC верига от елементи R4 и C5, която за кратко време блокира възможността за превключване на D тригера.

Тригерът DD2.2 работи по същия начин като DD2.1, но сигналът към входа D се подава не от други елементи, а от обратния изход на DD2.2. В резултат на това по положителния фронт на импулса, пристигащ на вход C, сигналът на вход D се променя на противоположния. Например, ако в първоначалното състояние е имало логическа нула на щифт 13, тогава като вдигнете ръката си към сензора веднъж, тригерът ще се превключи и логическата ще бъде зададена на щифт 13. Следващият път, когато взаимодействате със сензора, щифт 13 отново ще бъде настроен на логическа нула.

За блокиране на превключвателя при отсъствие на човек в тоалетната се подава логическа единица от сензора към входа R (задаване на нула на изхода на спусъка, независимо от сигналите на всички останали входове). На изхода на капацитивния превключвател се задава логическа нула, която се подава през снопа към основата на ключовия транзистор за включване на електромагнитния вентил в блока за захранване и превключване.

Резисторът R6, при липса на блокиращ сигнал от капацитивния сензор в случай на повреда или прекъсване на контролния проводник, блокира спусъка на входа R, като по този начин елиминира възможността за спонтанно подаване на вода в бидето. Кондензатор C6 предпазва входа R от смущения. LED HL3 служи за индикация на наличието на вода в бидето.

Дизайн и детайли на капацитивни сензори за допир

Когато започнах да разработвам сензорна система за подаване на вода в биде, най-трудната задача ми се стори разработването на капацитивен сензор за заетост. Това се дължи на редица ограничения за инсталиране и работа. Не исках сензорът да бъде механично свързан с капака на тоалетната, тъй като трябва да се сваля периодично за измиване и няма да пречи на саниранесамата тоалетна. Ето защо избрах контейнер като реагиращ елемент.

Сензор за присъствие

Въз основа на публикуваната по-горе диаграма направих прототип. Частите на капацитивния датчик са монтирани върху печатна платка, платката е поставена в пластмасова кутия и затворена с капак. За свързване на антената в кутията е монтиран еднопинов конектор, за подаване на захранващо напрежение и сигнал е монтиран четирипинов конектор RSh2N. Печатната платка е свързана към конекторите чрез запояване медни проводницивъв флуоропластична изолация.

Капацитивният сензор за докосване е сглобен на две микросхеми от серия KR561, LE5 ​​​​и TM2. Вместо микросхемата KR561LE5 можете да използвате KR561LA7. Микросхеми от серия 176 и вносни аналози също са подходящи. Резистори, кондензатори и светодиоди ще отговарят на всеки тип. Кондензатор C2, за стабилна работа на капацитивния сензор при работа в условия на големи колебания в температурата на околната среда, трябва да се вземе с малък TKE.

Сензорът се монтира под тоалетната платформа, на която е монтиран казанчена място, където при теч от резервоара не може да влезе вода. Тялото на сензора се залепва към тоалетната с помощта на двойнозалепваща лента.

Антенният сензор на капацитивния сензор е парче мед многожилен проводникДължина 35 см изолирана с флуоропласт, залепена с прозрачна лента към външната стена на тоалетната чиния на сантиметър под равнината на стъклата. Сензорът се вижда ясно на снимката.

За да регулирате чувствителността на сензора за докосване, след като го инсталирате на тоалетната, променете съпротивлението на подстригващия резистор R3, така че светодиодът HL2 да изгасне. След това поставете ръката си върху капака на тоалетната над мястото на сензора, светодиодът HL2 трябва да светне, ако махнете ръката си, той трябва да изгасне. Тъй като човешкото бедро по маса повече ръце, тогава по време на работа сензорът за докосване, след такава настройка, ще бъде гарантирано да работи.

Дизайн и детайли на капацитивен сензорен превключвател

Веригата на капацитивния сензорен превключвател има повече части и е необходим по-голям корпус, за да ги побере, а от естетически причини външният вид на корпуса, в който е поставен сензорът за присъствие, не е много подходящ за монтаж на видимо място. Стенният контакт rj-11 за свързване на телефон привлече вниманието. Беше правилния размер и изглеждаше добре. След като премахнах всичко ненужно от гнездото, поставих в него печатна платка за капацитивен сензорен ключ.

За осигуряване печатна платкаВ основата на кутията беше монтирана къса стойка и към нея с помощта на винт беше завинтена печатна платка с части с сензорен превключвател.

Капацитивният сензор беше направен чрез залепване на лист месинг към дъното на капака на гнездото с лепило Moment, като преди това беше изрязан прозорец за светодиодите в тях. При затваряне на капака пружината (взета от силиконова запалка) влиза в контакт с месинговия лист и по този начин осигурява електрически контакт между веригата и сензора.

Капацитивният сензорен ключ се монтира на стената с помощта на един самонарезен винт. За тази цел в корпуса е предвиден отвор. След това се монтират платката и конекторът и капакът се закрепва с ключалки.

Настройката на капацитивен превключвател практически не се различава от настройката на сензора за присъствие, описан по-горе. За да конфигурирате, трябва да подадете захранващо напрежение и да настроите резистора така, че светодиодът HL2 да свети, когато ръката се доближи до сензора, и да изгасне, когато се отстрани. След това трябва да активирате сензора за докосване и да преместите и махнете ръката си към сензора за превключване. Светодиодът HL2 трябва да мига и червеният светодиод HL3 трябва да свети. Когато махнете ръката си, червеният светодиод трябва да остане да свети. Когато отново вдигнете ръката си или отдалечите тялото си от сензора, светодиодът HL3 трябва да изгасне, тоест да спре подаването на вода в бидето.

Универсална печатна платка

Капацитивните сензори, представени по-горе, са монтирани върху печатни платки, малко по-различни от печатната платка, показана на снимката по-долу. Това се дължи на комбинирането на двете печатни платки в една универсална. Ако сглобите сензорен превключвател, трябва да изрежете само писта номер 2. Ако сглобите сензор за присъствие на допир, тогава писта номер 1 се отстранява и не всички елементи са инсталирани.

Елементите, необходими за работата на сензорния превключвател, но пречещи на работата на сензора за присъствие R4, C5, R6, C6, HL2 и R4, не са монтирани. Вместо R4 и C6 са запоени телени джъмпери. Веригата R4, C5 може да се остави. Няма да се отрази на работата.

По-долу е даден чертеж на печатна платка за нарязване, използвайки термичния метод за нанасяне на песни върху фолио.

Достатъчно е да отпечатате чертежа върху гланцирана хартия или паус и шаблонът е готов за изработка на печатна платка.

Безпроблемната работа на капацитивните сензори за сензорната система за управление на подаването на вода в биде е потвърдена на практика в продължение на три години непрекъсната работа. Не са регистрирани неизправности.

Искам обаче да отбележа, че веригата е чувствителна към мощен импулсен шум. Получих имейл с молба за помощ при настройването му. Оказа се, че по време на отстраняване на грешки на веригата наблизо има поялник с тиристорен температурен контролер. След изключване на поялника веригата започна да работи.

Имаше и друг такъв случай. Капацитивният сензор беше инсталиран в лампа, която беше свързана към същия контакт като хладилника. Когато беше включен, светлината светна и когато се изключи отново. Проблемът беше решен чрез свързване на лампата към друг контакт.

Получих писмо за успешното използване на описаната капацитивна сензорна верига за регулиране на нивото на водата в пластмасов резервоар. В долната и горната част имаше датчик, залепен със силикон, който контролираше включването и изключването на електрическата помпа.

Сред голямото разнообразие от капацитивен дизайн понякога може да е трудно да се избере най-подходящата опция за капацитивен сензор за даден случай. В много публикации по темата за капацитивните устройства, обхватът и отличителни чертиПредложените проекти са описани много накратко и радиолюбителят често не може да разбере коя верига на капацитивно устройство трябва да бъде предпочитана за повторение.

Тази статия описва различни видоведадени са капацитивни сензори, техните сравнителни характеристики и препоръки за най-рационално практическо използване на всеки конкретен тип капацитивни структури.

Както е известно, капацитивните сензори са способни да реагират на всякакви обекти и в същото време тяхното разстояние за реакция не зависи от такива свойства на повърхността на приближаващия обект, като например дали е топло или студено ( за разлика от инфрачервените сензори), както и дали е твърд или мек (за разлика от ултразвуковите сензори за движение). В допълнение, капацитивните сензори могат да откриват обекти през различни непрозрачни „бариери“, например стени на сгради, масивни огради, врати и др. Такива сензори могат да се използват както за целите на сигурността, така и за битови цели, например за включване на осветлението при влизане в стая; за автоматично отваряне на вратата; в аларми за ниво на течности и др.
Има няколко вида капацитивни сензори.

1. Сензори на кондензатори.
В сензори от този тип отговорният сигнал се генерира с помощта на кондензаторни вериги и подобни конструкции могат да бъдат разделени на няколко групи.
Най-простите от тях са схеми, базирани на капацитивни делители.

В такива устройства, например, сензорната антена е свързана към изхода на работния генератор чрез изолационен кондензатор малък капацитет, в този случай в точката на свързване на антената и горния кондензатор се формира работен потенциал, чието ниво зависи от капацитета на антената, докато антената-сензор и разделителният кондензатор образуват капацитивен делител и когато всеки предмет се доближава до антената, потенциалът в точката на свързване с разделителен кондензатор - пада надолу, което е сигнал за задействане на устройството.

Има същодиаграми наRC генератори.В тези конструкции, например, за генериране на отговорен сигнал се използва RC генератор, чийто елемент за настройка на честотата е антена-сензор, чийто капацитет се променя (увеличава), когато всеки обект се приближи до него. След това сигналът, определен от капацитета на сензорната антена, се сравнява с референтния сигнал, идващ от изхода на втория (референтен) генератор.

Сензори на разположени кондензатори.В такива устройства например като антена-сензор се използват две плоски метални пластини, разположени в една равнина. Тези плочи са плочи на разгънат кондензатор и при приближаване на някакви предмети диелектричната проницаемост на средата между плочите се променя и съответно капацитетът на горния кондензатор се увеличава, което е сигнал за задействане на сензора.
Устройствата също са известни, например, в които използват метод за сравняване на капацитета на антена с капацитета на примерен (референтен) кондензатор(Връзка към Роспатент).

В същото време, характерна особеност капацитивни сензори на кондензаторие тяхната ниска устойчивост на шум - входовете на такива устройства не съдържат елементи, които могат ефективно да потискат външни влияния. Различни сигнали и радиосмущения, получени от антената, създават голямо количество шум и смущения на входа на устройството, което прави такива конструкции нечувствителни към слаби сигнали. Поради тази причина обхватът на откриване на обекти на сензорите, базирани на кондензатор, е малък; например те откриват приближаването на човек от разстояние, което не надвишава 10 - 15 cm.
В същото време такива устройства могат да бъдат много прости по дизайн (например) и не е необходимо да се използват части за намотаване - намотки, вериги и т.н., поради което тези конструкции са доста удобни и технологично напреднали за производство.

Обхват на приложениекапацитивни сензори на кондензатори.
Тези устройства могат да се използват там, където не се изисква висока чувствителност и устойчивост на шум, например в метални контактни детектори. предмети, сензори за ниво на течности и др., както и за начинаещи радиолюбители, запознаващи се с капацитивната технология.

2. Капацитивни сензори на честотно задаваща LC верига.
Устройствата от този тип са по-малко податливи на радиосмущения и смущения в сравнение със сензорите, базирани на кондензатор.
Сензорната антена (обикновено метална плоча) е свързана (директно или чрез кондензатор с капацитет няколко десетки pF) към честотно задаващата LC верига на RF генератора. Когато някой обект се приближи, капацитетът на антената се променя (увеличава) и съответно капацитетът на LC веригата. В резултат на това честотата на генератора се променя (намалява) и възниква работа.

Особеностикапацитивни сензори от този тип.
1) LC веригата с антенния сензор, прикрепен към нея, е част от генератора, в резултат на което смущенията и радиосмущенията, засягащи антената, също влияят на нейната работа: чрез елементи за положителна обратна връзка сигналите за смущения (особено импулсни) изтичат към входа на активния елемент на генератора и се усилват в него, образувайки външен шум на изхода на устройството, намалявайки чувствителността на конструкцията към слаби сигнали и създавайки опасност от фалшиви аларми.
2) LC веригата, работеща като честотно задаващ елемент на генератора, е силно натоварена и има намален качествен фактор, в резултат на което се намаляват селективните свойства на веригата и способността й да променя настройката си, когато антената промените в капацитета се влошават, което допълнително намалява чувствителността на дизайна.
Споменатите по-горе характеристики на сензорите на честотно задаващата LC верига ограничават тяхната устойчивост на шум и обхват на откриване на обекти, например разстоянието на откриване на човек със сензори от този тип обикновено е 20 - 30 cm;

Има няколко разновидности и модификации на капацитивни сензори с LC верига за настройка на честотата.

1) Сензори с кварцов резонатор.
В такива устройства, например, за да се повиши чувствителността и стабилността на честотата на генератора, се въвеждат: кварцов резонатор и диференциален RF трансформатор, чиято първична намотка е елемент от честотната схема на генератор, а двете му вторични (еднакви) намотки са елементи на измервателния мост, към който е свързан антена-сензор, свързан последователно с кварцов резонатор, и когато някакъв обект се приближи до антената, се генерира отговорен сигнал.
Чувствителността на такива конструкции е по-висока в сравнение с конвенционалните сензори на LC верига с честотна настройка, но те изискват производството на диференциален HF трансформатор (в горния дизайн неговите намотки са поставени върху пръстен със стандартен размер K10 × 6 × 2, изработен от ферит M3000NM, в същото време, за да се увеличи качественият фактор, в пръстена се изрязва празнина от 0,9...1,1 mm широка.

2) Сензори със засмукванеLC верига.
Тези конструкции, например, са капацитивни устройства, в които, за да се увеличи чувствителността, се въвежда допълнителна (наречена смукателна) LC верига, индуктивно свързана към веригата за настройка на честотата на генератора и настроена в резонанс с тази верига.
Сензорната антена в този случай е свързана не към веригата за настройка на честотата, а към гореспоменатата смукателна LC верига, която включва кондензатор с малък капацитет и соленоид, чиято индуктивност съответно се увеличава. защото Кондензаторът на веригата в този случай трябва да е малък - на ниво M33 - M75.
Поради малкия капацитет на тази верига, капацитетът на антената на сензора става сравним с него, поради което промените в капацитета на антената оказват значително влияние върху настройката на горната смукателна LC верига, докато амплитудата на колебанията в честотата -задаваща схема на генератора и съответно е нивото на радиочестотния сигнал на изхода му.

Може също така да се отбележи, че при такива конструкции връзката между антената и веригата за настройка на честотата на генератора не е директна, а индуктивна, поради което метеорологичните и климатичните влияния върху антената не могат да имат пряк ефект върху работата на активен елемент на генератора (транзистор или оп-усилвател), което е положителни свойства на такива структури.
Както в случая на сензори, базирани на кварцов резонатор, увеличаването на чувствителността на капацитивните устройства със смукателна LC верига се постига поради известно усложняване на дизайна - в този случай е необходимо да се произведе допълнителна LC верига, включително индуктор с два пъти по-голям брой навивки (в - 100 навивки) в сравнение с бобината на честотно задаващата LC верига.

3) Някои капацитивни сензори използват метод като напрувеличаване на размера на сензорната антена. В същото време такива структури също така увеличават своята чувствителност към електромагнитни смущения и радиосмущения; поради тази причина, както и поради обемността на такива устройства (напр. метална мрежа 0,5 × 0,5 M), препоръчително е тези дизайни да се използват извън града - на места със слаб електромагнитен фон и за предпочитане извън жилищни помещения - така че да няма смущения от мрежови проводници.
Устройствата с големи сензори се използват най-добре в селските райони за целите на сигурността. градински парцелии полеви съоръжения.

Обхват на приложениесензори с честотно задаваща LC верига.
Такива устройства могат да се използват за различни битови цели (включване на осветление и др.), както и за откриване на всякакви обекти на места с тиха електромагнитна среда, например в мазета(разположени под нивото на земята), както и извън града (в селските райони - при липса на радиосмущения - сензорите от този тип могат да открият например приближаването на човек на разстояние до няколко десетки cm ).
В градски условия е препоръчително тези конструкции да се използват или като сензори за докосване на метални предмети, или като част от тези алармени устройства, които в случай на фалшиви аларми не причиняват голямо неудобство на другите, например в устройства, които включват възпиращ светлинен поток и слаб звуков сигнал.

3. Диференциални капацитивни сензори(устройства на диференциални трансформатори).
Такива сензори например се различават от описаните по-горе конструкции по това, че имат не една, а две сензорни антени, което позволява потискане (взаимна компенсация) на метеорологични и климатични влияния (температура, влажност, сняг, скреж, дъжд и др.). ).
В този случай, за да се открие приближаването на обекти към някоя от антените на капацитивното устройство, се използва симетричен измервателен LC мост, който реагира на промените в капацитета между общия проводник и антената.

Тези устройства работят по следния начин.
Чувствителните елементи на сензора - антените - са свързани към измервателните входове на LC моста, а RF напрежението, необходимо за захранване на моста, се генерира в диференциален трансформатор, чиято първична намотка се захранва с RF захранващ сигнал от изхода на RF генератора (за да се опрости - намотката на веригата за настройка на честотата на генератора също е първичната намотка на диференциалния трансформатор).
Трансформаторът с диференциална конструкция съдържа две идентични вторични намотки, в противоположните краища на които се генерира антифазно променливо RF напрежение за захранване на LC моста.
В този случай на изхода на моста няма радиочестотно напрежение, тъй като радиочестотните сигнали на неговия изход ще бъдат еднакви по амплитуда и противоположни по знак, поради което ще настъпи тяхната взаимна компенсация и потискане (в измервателния LC мост, работните токове вървят един срещу друг и се компенсират взаимно на изхода).
В първоначалното си състояние няма сигнал на изхода на измервателния LC мост, ако обект се доближи до някоя от антените, капацитетът на едно или друго рамо на измервателния мост се увеличава, което води до дисбаланс в неговото балансиране, в резултат на което; от които взаимното компенсиране на ВЧ сигналите на генератора става непълно и на изхода на LC моста се появява сигнал за задействане на устройството.

Освен това, ако капацитетът се увеличи (или намали) и за двете антени наведнъж, тогава операцията не се извършва, защото в този случай балансирането на LC моста не е нарушено и радиочестотните сигнали, протичащи в LC мостовата верига, все още запазват същата амплитуда и противоположни знаци.

Благодарение на горното свойство устройствата, базирани на диференциални трансформатори, както и диференциалните кондензаторни сензори, описани по-горе, са устойчиви на атмосферни и климатични колебания, тъй като те засягат еднакво и двете антени и след това взаимно се компенсират и се компенсират. В този случай смущенията и радиосмущенията не се потискат, елиминират се само метеорологичните и климатичните влияния, следователно диференциалните сензори, подобно на сензорите на LC веригата за настройка на честотата, периодично изпитват фалшиви аларми.
Антените трябва да са разположени така, че при приближаване на обект ударът върху едната да е по-голям, отколкото върху другата.

Характеристики на диференциалните сензори.
Диапазонът на откриване на тези устройства е малко по-висок в сравнение със сензорите на LC верига с честотна настройка, но диференциалните сензори са по-сложни по дизайн и имат увеличена консумация на ток поради загуби в трансформатора, който има ограничена ефективност. В допълнение, такива устройства имат зона с намалена чувствителност между антените.

Обхват на приложение.
Сензорите на диференциален трансформатор са предназначени за използване при външни условия. Тези устройства могат да се използват на същото място като сензори на LC веригата за настройка на честотата, с единствената разлика, че за инсталиране на диференциален сензор е необходимо място за втора антена.

4. Резонансни капацитивни сензори(RF патент № 2419159; връзка Rospatent).
Високочувствителни капацитивни устройства - отговорният сигнал в тези конструкции се генерира във входната LC верига, която е в частично денастроено състояние по отношение на сигнала от работещия RF генератор, към който веригата е свързана чрез малък кондензатор (необходим съпротивителен елемент във веригата).
Принципът на работа на такива структури има два компонента: първият е подходящо конфигурирана LC верига, а вторият е съпротивителен елемент, чрез който LC веригата е свързана към изхода на генератора.

Поради факта, че LC веригата е в състояние на частичен резонанс (на наклона на характеристиката), нейното съпротивление във веригата на радиочестотния сигнал силно зависи от капацитета - както собствения, така и капацитета на свързаната към него сензорна антена . В резултат на това, когато някакъв обект се приближи до антената, RF напрежението на LC веригата значително променя амплитудата си, което е сигнал за задействане на устройството.

В същото време веригата LC не губи своите селективни свойства и ефективно потиска (шунтове към тялото) външни влияния, идващи от антената на сензора - смущения и радиосмущения, осигуряващи високо нивошумоустойчивост на дизайна.

В резонансните капацитивни сензори работният сигнал от изхода на RF генератора трябва да се подава към LC веригата чрез известно съпротивление, чиято стойност трябва да бъде сравнима със съпротивлението на LC веригата при работната честота, в противен случай, когато обектите се приближат антената на сензора, работното напрежение LC веригата ще реагира много слабо на промените в съпротивлението на LC веригата във веригата (RF напрежението на веригата просто ще повтори изходното напрежение на генератора).

Може да изглежда, че LC верига, която е в състояние на частичен резонанс, ще бъде нестабилна и прекалено засегната от температурни промени. В действителност, при условие, че използвате контурен кондензатор с малка стойност, т.е. (M33 – M75) - веригата е доста стабилна, включително когато капацитивното устройство работи на открито. Например, когато температурата се промени от +25 до -12 градуса. RF напрежението на LC веригата се променя с не повече от 6%.

Освен това при резонансни капацитивни конструкции антената е свързана към LC веригата чрез малък кондензатор (няма нужда да се използва силно свързване в такива устройства), поради което атмосферните влияния върху антената на сензора не нарушават работата на LC веригата и нейното работно RF напрежение остават практически непроменени дори при дъжд.
По отношение на обхвата си, резонансните капацитивни сензори значително (понякога няколко пъти) превъзхождат устройствата, базирани на честотно задаващи LC вериги и диференциални трансформатори, засичащи приближаването на човек на разстояние значително надвишаващо 1 метър.

С всичко това изключително чувствителни дизайни, използващи резонансния принцип на работа, се появиха едва наскоро - първата публикация на тази темае статията “Капацитивно реле” (сп. “Радио” 2010/5, стр. 38, 39); освен това допълнителна информацияза резонансни капацитивни устройства и техните модификации също е достъпно на уебсайта на автора на горната статия: http://sv6502.narod.ru/index.html.

Характеристики на резонансните капацитивни сензори.
1) При производството на резонансен сензор, предназначен за работа при външни условия, е необходима задължителна проверка на входния възел за термична стабилност, за която се измерва потенциалът на изхода на детектора при различни температури (за това можете да използвате хладилник фризер), детекторът трябва да е термично стабилен (на транзистор с полеви ефекти).
2) В резонансните капацитивни сензори връзката между антената и RF генератора е слаба и следователно излъчването на радиосмущения във въздуха за такива конструкции е много незначително - няколко пъти по-малко в сравнение с други видове капацитивни устройства.

Обхват на приложение.
Резонансните капацитивни сензори могат да се използват ефективно не само в селски и полеви, но и в градски условия, като същевременно се въздържат от поставяне на сензори в близост до мощни източници на радиосигнали (радиостанции, телевизионни центрове и др.), В противен случай резонансните капацитивни устройства също ще показват фалшиви задействане.
Резонансните сензори могат да се инсталират и в непосредствена близост до други електронни устройства - поради ниското ниво на излъчване на радиосигнал и високата устойчивост на шум, резонансните капацитивни конструкции имат повишена електромагнитна съвместимост с други устройства.

Нечаев И. "Капацитивно реле", сп. „Радио” 1988 г. /1, с.33.
Ершов М. "Капацитивен сензор", сп. "Радио" 2004 / 3, стр. 41, 42.
Москвин А. "Безконтактни капацитивни сензори", сп. "Радио" 2002/10,
стр. 38, 39.
Галков А., Хомутов О., Якунин А.. „Капацитивен адаптивен система за сигурност"Патент на РФ № 2297671 (C2), с приоритет от 23 юни 2005 г. - Бюлетин "Изобретения. Полезни модели", 2007, № 11.
Савченко В., Грибова Л.„Безконтактен капацитивен сензор с кварц
резонатор“, сп. "Радио" 2010 / 11, стр. 27, 28.
“Капацитивно реле” - дневник. "Радио" 1967 / 9, с. 61 (раздел на чужд
структури).
Рубцов В.„Охранително-сигнално устройство”, сп. "Радиолюбител" 1992 / 8, с.
Глузман И. "Реле за присъствие", дневник. "Дизайнер на модели" 1981 / 1,
стр. 41, 42).

Сензори за движение - невероятни удобно нещо, който ви позволява да контролирате осветлението в стаята или да контролирате отварянето и затварянето на вратите, а също така може да ви уведомява за нежелани гости. В тази статия ще ви кажем как да направите сензор за движение със собствените си ръце у дома и да погледнете района възможно приложениеданни на устройството.

Накратко за сензорите

Един от най прости типовесензори - краен изключвател или бутон за самовъзстановяване (без фиксиране).

Монтира се близо до вратата и реагира на нейното отваряне и затваряне. С помощта на проста схема това устройство включва светлината в хладилника. Може да се оборудва със складово помещение или антре, входна врата, дежурна стая LED подсветка, използвайте този превключвателкато аларма, която ще ви уведоми за отваряне или затваряне на врата. Недостатъците на дизайна могат да бъдат трудности при монтажа, а понякога и непредставителен външен вид.

Устройства, базирани на магнити, могат да се видят на вратите и прозорците на охранявани обекти. Принципът им на действие е много подобен на този на бутона. Тръстиков превключвател може да отвори или да свърже контакти, когато конвенционален магнит бъде поставен към него. По този начин самият тръстиков превключвател е монтиран на вратата, а магнитът е окачен на вратата. Този дизайн изглежда спретнат и се използва по-често от обикновен бутон. Липса на устройства за тясно специализирани приложения. Не са подходящи за наблюдение на открити площи, площади и пасажи.

За отворените проходи има устройства, които реагират на промените в среда. Те включват фото релета, капацитивни (полеви сензори), термични (PIR), звукови релета. За записване на пресичането на определена зона, контрол на препятствие или наличието на движение на обект в зоната на припокриване се използват фото или звукови ехо устройства.

Принципът на работа на такива сензори се основава на формирането на импулс и записването му след отражение от обект. Когато обект навлезе в такава зона, характеристиката на отразения сигнал се променя и детекторът генерира управляващ сигнал на изхода.

За по-голяма яснота е представена схематична диаграма на работата на фото реле и звуково реле:

Инфрачервените светодиоди се използват като предавателно устройство в оптичните сензори, а фототранзисторите се използват като приемник. Звуковите сензори работят в ултразвуковия диапазон, така че тяхната работа изглежда безшумна за нашите уши, но всеки от тях съдържа малък излъчвател и уловител.

Например, чудесно е да оборудвате огледало с подсветка с детектор за движение. Осветлението ще се включи само в момента, когато човек е непосредствено до него. Не искате да си направите сами?

Монтажни схеми

Микровълнова печка

За контрол открити пространстваи следене на наличието на обекти в желаната зона, има капацитивно реле. Принцип на действие на това устройствосе състои от измерване на степента на поглъщане на радиовълни. Всеки е наблюдавал или е бил участник в този ефект, когато при доближаване до работещ радиоприемник честотата, на която работи, се губи и се появяват смущения.

Нека да поговорим за това как да направите микровълнов сензор за движение. Сърцето на този детектор е радио микровълнов генератор и специална антена.

На това принципна диаграмапредставя прост начин за създаване на микровълнов сензор за движение. Транзисторът VT1 е високочестотен генератор, а също и радиоприемник. Диодът на детектора коригира напрежението чрез прилагане на отклонение към основата на транзистора VT2. Намотките на трансформатора Т1 са настроени на различни честоти. В първоначалното състояние, когато антената не се влияе от външен капацитет, амплитудите на сигналите се компенсират взаимно и няма напрежение на детектора VD1, когато честотата се променя, амплитудите им се сумират и детектират от диод. Транзисторът VT2 започва да се отваря. Като компаратор за ясна обработка на състоянията „включено“ и „изключено“ се използва тиристор VS1, който управлява 12-волтово реле за мощност.

По-долу е ефективна диаграма на реле за присъствие, използващо наличните компоненти, което ще ви помогне да сглобите детектор за движение със собствените си ръце или просто да бъде полезно за запознаване с устройството.

Термичен

Thermal IR (PIR) е най-често срещаното сензорно устройство в бизнес сектора. Това се обяснява с евтини компоненти, проста схема на сглобяване, липса на допълнителни сложни настройки и широк температурен диапазон на работа.

Готовото устройство може да бъде закупено във всеки магазин за електрически стоки. Често този сензор е оборудван с лампи, алармени устройства и други контролери. Сега обаче ще ви кажем как да направите термичен сензор за движение у дома. Проста схемада повторя изглежда така:

Специален термичен сензор B1 и фотоелемент VD1 образуват автоматизиран комплекс за управление на осветлението. Устройството започва да работи само след здрач; прагът на реакция може да се настрои с резистор R2. Сензорът свързва товара, когато движещ се човек влезе в контролната зона. Времето на вградения таймер за изключване може да се настрои с помощта на регулатора R5.

Домашен модул за Arduino

Евтин сензор може да бъде направен от специални готови платки за радио дизайнер. По този начин можете да получите доста миниатюрно устройство. За сглобяване ще ни трябва сензорен модул за движение за микроконтролери Arduino и едноканален релеен модул.

Всяка платка има три-пинов конектор, VCC +5 волта, GND -5 волта, OUT изход на детектора и IN вход на релейната платка. За да направите устройство със собствените си ръце, трябва да подадете 5 волта (плюс и минус) към платките от източника на захранване, например от зарядно устройство за телефон, и да свържете навън и навътре заедно. Връзките могат да бъдат направени с помощта на съединители, но ще бъде по-безопасно да запоявате всичко. Можете да следвате диаграмата по-долу. Миниатюрен транзистор, като правило, вече е вграден в релейния модул, така че не е необходимо да го инсталирате допълнително.

Когато човек се движи, модулът подава сигнал към релето и то се отваря. Имайте предвид, че има релета за високо и ниско ниво. Той трябва да бъде избран въз основа на сигнала, който сензорът произвежда на изхода. Готовият детектор може да се постави в корпуса и да се маскира на желаното място. Освен това препоръчваме да гледате видеоклипове, които ясно демонстрират инструкции за сглобяване домашни сензоридвижения у дома. Ако все още имате въпроси, винаги можете да ги зададете в коментарите.

До какви трикове прибягват собствениците, за да защитят имуществото си! Започвайки от най-простите катинари с размер добра тухла(на север дори използваха... капани за вълци!) до модерни алармени системи със сложна електроника. Електронната сигурност често се основава на факта, че престъпникът по някакъв начин ще се издаде и ще изпрати информация за външния си вид. Може да е звук от стъпки - електронните "уши" веднага ще реагират и ще дадат сигнал за опасност. Има системи за сигурност, които реагират на човешко излъчване, чийто спектрален състав рязко се различава от основния фон. Но престъпникът не спи, опитвайки се да остане незабелязан, докато върши мръсните си дела - появяват се специални камуфлажни костюми и всякакви гениални устройства.

Междувременно има абсолютно надеждна системазащита. Тя е за това физическо полечовек, за когото самата природа изключва възможността за всякакви пречки. Това е гравитационното поле, което има всеки обект с маса. Гравитацията е гравитация (привличане), универсалното взаимодействие между всички видове физическа материя (обикновена материя, всякакви физически полета), както казва третият закон на Исак Нютон.

Този принцип е в основата на устройството на известния изобретател Ш. Лифшиц. Гравитационните сили са незначителни. Да речем взаимно привличанемежду две тела, разположени на разстояние един метър едно от друго и с маса от един тон, е само около 0,006 g Те могат да бъдат наблюдавани само с помощта на обемисти устройства, които се използват само в планетариуми. Устройството на Ш. Лифшиц е малко, компактно, изключително просто за производство и гениално, като всичко гениално. Основата му е прозрачен съд, залепен от плексиглас. Вътре има преграда, която го разделя симетрично до половината височина и излиза навън. От двете страни на преградата са монтирани две тръби с напречно сечение 1 квадратен метър. мм. Отстрани на съда има две къси тръби с кранове. Всички връзки на устройството са запечатани.

Съдът се поставя на маса или на фиксирана платформа. В малките тръбички се вкарва капка оцветена течност. И двете капки трябва да са на едно и също ниво. След това съдът се напълва с вода през къси тръби до ниво, при което долната част на преградата е напълно потопена в течността, а пред капака на съда остава слой въздух от 2 - 3 mm. Крановете са затворени и уредът е готов за употреба. Ако човек сега се приближи до един от краищата му, част от течността ще го направи гравитационна силаот едната половина на съда ще премине към другата - към тази, към която се е приближил. И тъй като движението на течността в отделените части на съда е свързано с движението въздушна междина, тогава цветните капки в малките тръбички също ще се движат. Премахването на човек от устройството ще доведе до обратния ефект - обратно изместване на капките. Има демонстрация на ефекта на гравитацията.

Ако донесете тежест до устройството, капката в лявата капилярка ще се покачи, а в дясната ще падне

Сега можете ли да познаете накъде отиваме с това? Трябва само леко да подобрим нашето устройство, така че да дава сигнал автоматично, когато човек се приближи до него. Тук има много опции. Движещите се оцветени капчици могат да блокират лъча светлина и да причинят задействане на фотоклетката и включване на сирената.

Погледнете снимката и ще разберете по-добре механизма на действие на такъв предпазител. Устройството работи, ако е обезопасено зад блиндирана сейфова врата или зад дебел бетонна стена- няма пречки за гравитацията. С други думи, подобни устройство за сигурностнай-надеждният.

Такова устройство автоматично ще издаде сигнал, когато човек се приближи до него.

Днес няма да изненадате никого с различни цели и ефективност. електронни устройствапревантивни предупреждения, които уведомяват хората или включват алармата за сигурност много преди директния контакт на нежелан гост със защитена граница (територия). Много от тези възли, описани в литературата, например в, според автора са интересни, но сложни.

За разлика от тях, прост електронна схемабезконтактен капацитивен сензор (фиг. 2.2), който дори начинаещ радиолюбител може да сглоби. Устройството има висока входна чувствителност, което позволява да се използва за предупреждение за приближаване на човек към сензор E1.

Принципът на работа на устройството се основава на промяна на капацитета между сензорната антена E1 и „земята“ (общ проводник: всичко, което съответства на заземяващия контур - в този случай пода и стените на помещението). Когато човек се приближи, този капацитет се променя значително, което е достатъчно, за да задейства микросхемата K561TL1.

ориз. 2.2. Електрическа схемабезконтактен капацитивен сензор

Дизайнът се основава на два елемента от микросхемата K561TL1 (DD1), свързани като инвертори. Тази микросхема съдържа четири елемент от същия типс функция 2I-NOT с тригери на Schmitt с хистерезис (закъснение) на входа и инверсия на изхода.

Използването на микросхемата K561TL1 се дължи на ниска консумация на ток, висока устойчивост на шум (до 45% от нивото на захранващото напрежение), работа в широк диапазон на захранващото напрежение (в диапазона 3-15 V), входна защита от статично електричество и краткосрочно превишаване на входните нива, както и много други предимства, които позволяват чипът да се използва широко в любителски радио дизайни, без да се изискват специални предпазни мерки и защита.

В допълнение, микросхемата K561TL1 ви позволява да свържете нейните независими логически елементи паралелно, като буферни елементи, в резултат на което мощността на изходния сигнал се увеличава пропорционално. Тригерите на Шмит са бистабилни вериги, които могат да работят с бавно увеличаващи се входни сигнали, включително такива, съдържащи шум. В същото време острите ръбове на импулсите, които осигуряват изхода, могат да бъдат предадени към следващите възли на веригата за свързване с други ключови елементи и микросхеми. Микросхемата K561TL (както и K561TL2) може да избере управляващ сигнал (включително цифров) за други устройства от аналогов или размит входен импулс.

Чуждият аналог на K561TL1 е CD4093B.

Схемата за свързване на инвертора е класическа, описана е в референтни публикации. Особеността на представената разработка се крие в нейните дизайнерски нюанси. След включване на захранването на входа на елемент DD1.1 има недефинирано състояние, близко до ниско логическо ниво. Изходът DD1.1 е висок, изходът DD1.2 отново е нисък. Транзисторът VT1 е затворен. Пиезоелектрическата капсула HAI (с вътрешен генератор 34) не е активна.

Към сензора E1 е свързана антена - ще свърши работа телескопична антена за кола. Когато човек е близо до антената, капацитетът между щифта на антената и пода се променя. Това кара елементите DD1.1, DD1.2 да преминат в противоположно състояние. За да превключите възела, човек със среден ръст трябва да бъде (ход) до антена с дължина 35 см на разстояние до 1,5 м. На щифт 4 на микросхемата се появява високо ниво на напрежение, в резултат на което транзисторът VT1. се отваря и звучи капсула HA1.

Избирайки капацитета на кондензатора C1, можете да промените режима на работа на елементите на микросхемата. Така че, когато капацитетът C1 се намали до 82-120 pF, възелът работи по различен начин. Сега звуковият сигнал звучи само докато входът DD1.1 е засегнат от смущения в променливотоково напрежение - човешко докосване.

Електрическата верига (фиг. 2.2) може да се използва и като основа за сензор за докосване на спусъка. За да направите това, премахнете постоянния резистор R1, екранирания проводник и контактите 1 и 2 на микросхемата на сензора.

Екраниран проводник е свързан последователно с R1 (кабел RK-50, RK-75, екраниран проводник за AF сигнали - всички видове са подходящи) с дължина 1-1,5 m, екранът е свързан към общия проводник, централното ядро ​​​​на краят е свързан към щифта на антената.

Ако се спазват указаните препоръки и се използват типовете и номиналните стойности на елементите, посочени в диаграмата, уредът генерира звуков сигнал с честота около 1 kHz (в зависимост от вида на HA1 капсулата), когато човек се доближи до щифта на антената при разстояние 1,5-1 m Няма ефект на задействане. Веднага щом обектът се отдалечи от антената, сензорът преминава в режим на сигурност (готовност).

Експериментът е проведен и с животни - котка и куче: възелът не реагира на приближаването им към сензора на антената.

Възможностите на устройството трудно могат да бъдат надценени. В авторския вариант е монтиран до рамка на вратата; входна врата- метал.

Силата на звука на AF сигнала, излъчван от капсулата HA1, е достатъчна, за да го чуете в затворена лоджия (сравнима е със силата на звънец в апартамент).

Захранването е стабилизирано, с напрежение 9-15 V, с добро филтриране на пулсациите на напрежението на изхода. Консумацията на ток е незначителна в режим на готовност (няколко микроампера) и се увеличава до 22-28 mA, когато емитерът HA1 работи активно. Не може да се използва източник без трансформатор поради вероятността от повреда токов удар. Оксидният кондензатор C2 действа като допълнителен захранващ филтър, типът му е K50-35 или подобен, за работно напрежение не по-ниско от напрежението на източника на захранване.

По време на работа на уреда, интересни функции. Захранващото напрежение на възела влияе върху неговата работа: когато захранващото напрежение се увеличи до 15 V, само обикновен многожилен неекраниран електрически медна телнапречно сечение 1-2 mm, дължина 1 m; В този случай не е необходим екран или резистор R1; електрическият меден проводник е свързан директно към щифтове 1 и 2 на елемента DD1.1. Ефектът е подобен. При смяна на фазите мрежов щепселизточник на захранване, възелът катастрофално губи чувствителност и може да работи само като сензор (реагира на докосване до E1). Това важи за всяка стойност на захранващото напрежение в диапазона 9-15 V. Очевидно втората цел на тази схема е обикновен сензор (или сензор-тригер).

Тези нюанси трябва да се вземат предвид при повтаряне на устройството. Но при правилното свързване, описано тук, се получава важен компонент от охранителната аларма, гарантиращ безопасността на дома, предупреждаващ собствениците още преди да възникне аварийна ситуация.

Елементите са монтирани компактно върху плоскост от фибростъкло. Корпусът на устройството е всеки диелектричен (непроводим) материал. За управление на захранването устройството може да бъде оборудвано с индикаторен светодиод, свързан паралелно с източника на захранване.

Не е необходима корекция, ако препоръките се спазват стриктно. Ако експериментирате с дължината на екраниращия кабел, дължината и площта на сензорната антена E1 и промяната на захранващото напрежение, може да се наложи да регулирате съпротивлението на резистора R1 в широк диапазон - от 0,1 до 100 MOhm. За да намалите чувствителността, увеличете капацитета на кондензатора C1. Ако това не доведе до резултати, паралелно на C1 се свързва постоянен резистор със съпротивление 5-10 MOhm.

ориз. 2.3. Капацитивен сензор

Неполярният кондензатор C1 е тип KM6. Постоянно съпротивление R2—MLT-0,25. Резистор R1 - тип BC-0.5, BC-1. Транзисторът VT1 е необходим за усилване на сигнала от изхода на елемент DD1.2. Без този транзистор капсулата HA1 не звучи силно. Транзисторът VT1 може да бъде заменен с KT503, KT940, KT603, KT801 с произволен буквен индекс.

Емитерната капсула HA1 може да бъде заменена с подобна с вграден генератор 34 и работен ток не повече от 50 mA, например FMQ-2015B, KRKH-1212V и подобни.

Благодарение на използването на капсула с вграден генератор, устройството проявява интересен ефект: когато човек се доближи до сензор-антена E1, звукът на капсулата е монотонен, а когато човек се отдалечи (или се приближи до човека). , започвайки от разстояние 1,5 m до E1), капсулата издава стабилен прекъсващ звук в съответствие с промяната на потенциалното ниво на изхода на елемент DD1.2. (Подобен ефект е в основата на първата електронна музикален инструмент- „Теремин“.)

За по-пълно разбиране на свойствата на капацитивен сензор, авторът препоръчва да се запознаете с материала.

Ако капсула с вграден AF генератор, например KRI-4332-12, се използва като HA1, тогава когато човек е сравнително далеч от сензорната антена, звукът ще прилича на сирена, а при максимално приближаване, прекъсващ сигнал.

Някои от недостатъците на устройството могат да се считат за липсата на селективност (системата за разпознаване „приятел/враг“), така че възелът ще сигнализира за приближаването на всяко лице към E1, включително собственика на апартамента, който е излязъл на купи си хляб. Основата на работата на устройството са електрически смущения и промени в капацитета, които са най-полезни, когато се използват в големи жилищни райони с развита мрежа от електрически комуникации; Очевидно устройството ще бъде безполезно в гората, на полето и навсякъде, където няма електрически комуникации.

Kashkarov A.P. 500 схеми за радиолюбители. Електронни сензори.