Капацитивният сензор е един от видовете безконтактни сензори, чийто принцип на действие се основава на промяна в диелектричната константа на средата между две кондензаторни пластини. Едната плоча е сензор за верига под формата на метална пластина или тел, а втората е електропроводимо вещество, като метал, вода или човешкото тяло.

При разработването на система за автоматично включване на подаване на вода към тоалетната чиния за биде се наложи използването на капацитивен сензор за присъствие и превключвател с висока надеждност, устойчивост на промени във външната температура, влажност, прах и захранващо напрежение. Исках също така да премахна необходимостта човек да докосва контролите на системата. Изискванията могат да бъдат осигурени само от сензорни вериги, работещи на принципа на промяна на капацитета. Не намерих готова схема, която да отговаря на необходимите изисквания, трябваше да я разработя сам.

Резултатът беше универсален капацитивен сензор за докосване, който не изисква настройка и реагира на приближаване на електропроводими обекти, включително човек, на разстояние до 5 см. Обхватът на предложения сензор за докосване не е ограничен. Може да се използва например за включване на осветление, алармени системи, откриване на нивата на водата и в много други случаи.

Електрически схеми

Необходими бяха два капацитивни сензора за докосване за контрол на потока вода в тоалетната биде. Един сензор трябваше да бъде монтиран директно на тоалетната, той трябваше да дава логически нулев сигнал в присъствието на човек и при липса на сигнал от логически единици. Вторият капацитивен сензор трябваше да служи като превключвател за вода и да бъде в едно от двете логически състояния.

Когато ръката беше доведена до сензора, сензорът трябваше да промени логическото състояние на изхода - от първоначалното единично състояние, за да премине в състояние на логическа нула, когато ръката се докосне отново от нулево състояние, за да премине в състояние от логичен. И така нататък до безкрай, докато превключвателят на сензора получи логически сигнал за нула за разрешаване от сензора за присъствие.

Верига на капацитивен сензор за докосване

Основата на веригата на сензора за присъствие на капацитивен сензор е главният генератор на правоъгълни импулси, изработен по класическата схема върху два логически елемента на микросхемата D1.1 и D1.2. Честотата на осцилатора се определя от стойностите на елементите R1 и C1 и се избира на около 50 kHz. Стойността на честотата практически няма ефект върху работата на капацитивния сензор. Смених честотата от 20 на 200 kHz и визуално не забелязах никакъв ефект върху работата на устройството.

От 4-те изхода на чипа D1.2 се подава правоъгълен сигнал през резистора R2 към входовете 8, 9 на чипа D1.3 и през променливия резистор R3 към входовете 12.13 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 пластина. На вход D1.4, поради кондензатора C2, фронтът се променя за времето, необходимо за презареждането му. Поради наличието на настройващ резистор R3 е възможно да се зададат импулсните фронтове на вход D1.4 равни на импулсния фронт на вход D1.3.

Ако доближите ръка или метален предмет до антената (сензор за докосване), тогава 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 импулс, идващ на входа на DD1.4. за да "уловите" това забавяне, около инвертирани импулси се подават към чипа DD2.1, който е D тригер, който работи по следния начин. На положителния фронт на импулса, пристигащ на входа на микросхемата C, сигналът, който е бил на входа D в този момент, се предава на изхода на тригера. Следователно, ако сигналът на вход D не се промени, входящите импулси на броячния вход C не влияят на нивото на изходния сигнал. Това свойство на спусъка D 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 се фиксира от спусъка D, променяйки изходното му състояние. Светодиодът HL1 служи за индикация на наличието на захранващо напрежение, а HL2 за показване на близостта до сензорния сензор.

Верига на сензорния превключвател

Капацитивната верига на сензорния сензор може да се използва и за управление на сензорния превключвател, но с малко усъвършенстване, тъй като трябва не само да реагира на приближаването на човешкото тяло, но и да остане в стабилно състояние след отстраняване на ръката . За да се реши този проблем, беше необходимо да се добави друг D тригер, DD2.2, към изхода на сензорния сензор, свързан според веригата разделител по две.

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 броещия вход D на спусъка, нарушавайки необходимия алгоритъм за работа на превключвателя. Следователно беше добавена RC верига от елементи R4 и C5, които за кратко време блокираха възможността за превключване на спусъка D.

Тригерът DD2.2 работи по същия начин като DD2.1, но сигналът към входа D не се подава от други елементи, а от инверсния изход на DD2.2. В резултат на това на 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 донесете ръката си до сензора веднъж, спусъкът ще се превключи и логическата единица ще бъде зададена на щифт 13. Следващият път, когато сензорът бъде въздействан, логическа нула отново ще бъде зададена на щифт 13.

За блокиране на превключвателя при отсъствие на човек в тоалетната, логическа единица се подава от сензора към входа R (задаване на нула на изхода на тригера, независимо от сигналите на всички негови входове) на микросхемата DD2.2 . На изхода на капацитивния превключвател се задава логическа нула, която се подава през снопа към основата на ключовия транзистор за включване на соленоидния клапан в блока за захранване и превключване.

Резистор R6, при липса на блокиращ сигнал от капацитивния сензор в случай на неговата повреда или счупване на контролния проводник, блокира спусъка на вход R, като по този начин елиминира възможността за спонтанно подаване на вода към бидето. Кондензатор C6 предпазва вход R от смущения. LED HL3 служи за индикация на водоснабдяването в бидето.

Структура и детайли на капацитивните сензори за докосване

Когато започнах да проектирам сензорна система за биде, най-трудната задача за мен изглеждаше да разработя капацитивен сензор за присъствие. Това се дължи на редица ограничения за инсталиране и експлоатация. Не исках сензорът да бъде механично свързан към капака на тоалетната, тъй като трябва да се сваля периодично за измиване и не пречеше на дезинфекцията на самата тоалетна. Затова избрах капацитета като реагиращ елемент.

Сензор за присъствие

Според публикуваната по-горе схема направих прототип. Детайлите на капацитивния сензор са сглобени на печатна платка, платката е поставена в пластмасова кутия и се затваря с капак. За да свържете антената, в корпуса е монтиран конектор с един щифт, а за захранване на захранващото напрежение и сигнал е инсталиран четирипинов конектор RSh2N. Печатната платка се свързва към конекторите чрез запояване с медни проводници във флуоропластова изолация.

Капацитивният сензор за докосване е сглобен на две микросхеми от серията KR561, LE5 ​​и TM2. Вместо чипа KR561LE5, можете да използвате KR561LA7. Подходящи са и чиповете от серия 176, вносни аналози. Резистори, кондензатори и светодиоди ще паснат 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.

Под платформата на тоалетната чиния е монтиран сензор, на който е монтиран дренажният резервоар на място, където вода не може да влезе в случай на теч от резервоара. Тялото на сензора е залепено към тоалетната чиния с помощта на двустранна лепяща лента.

Антенният сензор на капацитивния сензор представлява парче медна навита тел с дължина 35 см в PTFE изолация, залепена с прозрачна лента към външната стена на тоалетната чиния на сантиметър под равнината на очилата. Сензорът се вижда ясно на снимката.

За да регулирате чувствителността на сензора за докосване, е необходимо, след като го инсталирате в тоалетната, чрез промяна на съпротивлението на настройващия резистор R3, за да накарате светодиода 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, излезте. Тъй като човешкото бедро е с по-голяма маса от ръката, тогава по време на работа сензорът за докосване, след такава настройка, ще работи гарантирано.

Дизайнът и детайлите на капацитивния сензорен превключвател

Схемата на капацитивния сензорен превключвател има повече детайли и за поставянето им беше необходим по-голям корпус, а от естетически причини външният вид на кутията, в който беше поставен сензорът за присъствие, не беше много подходящ за монтаж на видно място. Стенен контакт rj-11 за свързване на телефона привлече вниманието към себе си. Приляга точно на размера и изглежда добре. След като премахнах всичко излишно от контакта, поставих в него печатната платка на капацитивния сензорен превключвател.

За фиксиране на печатната платка в основата на корпуса беше инсталирана къса стойка и към нея с винт беше завинтена печатна платка с части за сензорен превключвател.

Капацитивният сензорен сензор е направен чрез залепване на месингов лист към долната част на капака на гнездото с лепило Moment, след изрязване на прозорец за светодиодите в тях. Когато капакът е затворен, пружината (взета от запалка с кремък) контактува с месинговия лист и по този начин осигурява електрически контакт между веригата и сензора.

Капацитивният сензорен превключвател е прикрепен към стената с един самонарезен винт. За това в тялото е предвиден отвор. След това платката, конекторът е инсталиран и капакът е фиксиран с ключалки.

Настройката на капацитивния превключвател е практически същата като описаната по-горе настройка на сензора за присъствие. За да конфигурирате, трябва да приложите захранващото напрежение и да настроите резистора, така че светодиодът HL2 да свети, когато ръката се донесе до сензора, и да изгасне, когато се отстрани. След това трябва да активирате сензора за докосване и да донесете и премахнете ръката си към сензора за превключване. Светодиодът HL2 трябва да мига и червеният светодиод HL3 трябва да светне. Когато ръката се извади, червеният светодиод трябва да остане да свети. Когато ръката се повдигне отново или тялото бъде извадено от сензора, светодиодът HL3 трябва да изгасне, тоест да изключите подаването на вода в бидето.

Универсална печатна платка

Капацитивните сензори, представени по-горе, са сглобени на печатни платки, които са 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 сензорния превключвател, тогава трябва да изрежете само писта номер 2. Ако сглобите сензора за присъствие, след това път номер 1 се премахва и не всички елементи са инсталирани.

Не са монтирани елементите, необходими за работата на сензорния превключвател, но пречещи на работата на сензора за присъствие R4, C5, R6, C6, HL2 и R4. Вместо R4 и C6, джъмперите за тел са запоени. Веригата R4, C5 може да бъде оставена. Няма да повлияе на работата.

По-долу е даден чертеж на печатна платка за накапване с помощта на термичния метод за нанасяне на писти върху фолиото.

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

Безпроблемната работа на капацитивните сензори за сензорната система за управление на водоснабдяването в бидето е доказана на практика за три години непрекъсната работа. Не бяха записани повреди.

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

Имаше и друг случай. Капацитивният сензор беше инсталиран в лампата, която беше свързана към същия изход като хладилника. Когато го включите, лампичката се включва и когато я изключите отново. Проблемът беше решен чрез свързване на лампата към друг контакт.

Дойде писмо за успешното прилагане на описаната капацитивен сензорна схема за регулиране нивото на водата в пластмасов резервоар за съхранение. В долната и горната част беше залепен със силикон по протежение на сензора, който контролираше включването и изключването на електрическата помпа.

Сред голямото разнообразие от капацитивни дизайни понякога е трудно да се избере най-подходящият вариант на капацитивния сензор за този конкретен случай. В много публикации по темата за капацитивните устройства обхватът и отличителните характеристики на предложените проекти са описани много накратко и радиолюбителят често не може да разбере коя схема на капацитивно устройство трябва да бъде предпочитана за повторение.

Тази статия предоставя описание на различни видове капацитивни сензори, техните сравнителни характеристики и препоръки за най-рационалното практическо използване на всеки конкретен тип капацитивни структури.

Както знаете, капацитивните сензори са в състояние да реагират на всякакви обекти и в същото време разстоянието им на засичане не зависи от такива свойства на повърхността на приближаващ обект, като например дали е топло или студено ( за разлика от инфрачервените сензори), както и твърди или меки (за разлика от ултразвуковите сензори за движение). Освен това капацитивните сензори могат да откриват обекти през различни непрозрачни „препятствия“, като стени на сгради, масивни огради, врати и т.н. Такива сензори могат да се използват както за целите на сигурността, така и за домакински цели, например за включване на осветлението при влизане в стая; за автоматично отваряне на врати; в детектори за ниво на течности и др.
Има няколко вида капацитивни сензори.

1. Сензори на кондензатори.
В сензорите от този тип сигналът за реакция се формира с помощта на кондензаторни вериги и подобни конструкции могат да бъдат разделени на няколко групи.
Най-простите са капацитивни делителни вериги.

В такива устройства, например, сензорната антена е свързана към изхода на работния генератор чрез разделителен кондензатор с малък капацитет, докато в точката на свързване на антената и горния кондензатор се образува работен потенциал, нивото на което зависи от капацитета на антената, докато сензорната антена и отделянето на кондензатора образуват капацитивен делител и когато обект се приближи до антената, потенциалът в точката на връзката му с изолационния кондензатор намалява, което е сигнал за задействане на устройство.

Също така имасхеми наRC генератори.В тези конструкции, например, RC генератор се използва за генериране на задействащ сигнал, чийто честотен елемент е сензорна антена, чийто капацитет се променя (увеличава), когато обект се приближи до него. Сигналът, зададен от капацитета на антенния сензор, след това се сравнява с примерния сигнал, идващ от изхода на втория (референтен) генератор.

Разширени кондензаторни сензори.В такива устройства, например, две плоски метални пластини, поставени в една и съща равнина, се използват като антена-сензор. Тези плочи са плочите на разгънат кондензатор и когато се приближат някакви предмети, диелектричната константа на средата между плочите се променя и съответно капацитетът на горния кондензатор се увеличава, което е сигнал за задействане на сензора.
Известни са и устройства, например, които използват метод за сравняване на капацитета на антената с капацитета на примерен (референтен) кондензатор(връзка Роспатент).

при което, характерна черта капацитивни сензори върху кондензаторие тяхната ниска устойчивост на шум - входовете на такива устройства не съдържат елементи, които могат ефективно да потискат външни влияния. Различни смущения и радиосмущения, приемани от антената, образуват голямо количество шум и смущения на входа на устройството, което прави такива структури нечувствителни към слаби сигнали. Поради тази причина обхватът на откриване на обекти от сензори на кондензатори е малък, например те засичат 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 няма нужда да се използват части за намотка - намотки, вериги и т.н., поради което тези конструкции са доста удобни и технологични.

Област на приложениекапацитивни сензори върху кондензатори.
Тези устройства могат да се използват там, където не се изисква висока чувствителност и устойчивост на шум, например в метални сензори за докосване. предмети, датчици за ниво на течности и др., както и за начинаещи радиолюбители, които се запознават с капацитивната техника.

2. Капацитивни сензори на честотна LC верига.
Устройствата от този тип са по-малко податливи на радиосмущения и смущения в сравнение с базираните на кондензатор сензори.
Сензорната антена (обикновено метална пластина) е свързана (директно или чрез кондензатор с капацитет от няколко десетки pF) към честотната LC верига на RF генератора. Когато даден 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 се задейства.

Особеностикапацитивни сензори от този тип.
1) LC верига с прикрепена към нея антена-сензор е част от генератора, в резултат на което смущенията и радиосмущенията, засягащи антената, също влияят на нейната работа: чрез елементи с положителна обратна връзка сигналите за смущения (особено импулсните) изтичат към входа на активния елемент на генератора и се усилват в него, образувайки външен шум на изхода на устройството, което намалява чувствителността на конструкцията към слаби сигнали и създава опасност от фалшиви положителни резултати.
2) LC веригата, работеща като честотно задаващ елемент на генератора, е силно натоварена и има нисък качествен фактор, в резултат на което се намаляват селективните свойства на веригата и нейната способност да променя настройката си, когато антената промени в капацитета, което допълнително намалява чувствителността на структурата.
Горните характеристики на сензорите на честотната LC верига ограничават тяхната шумоустойчивост и обхвата на откриване на обекти, например разстоянието на откриване на човек от сензори от този тип обикновено е 20 - 30 cm.

Има няколко разновидности и модификации на капацитивни сензори с честотна LC верига.

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 веригата за настройка на честотата на генератора, и двете му вторични (еднакви) намотки са елементи от измервателен мост, към който е свързана сензорна антена, свързана последователно с кварцов резонатор, и когато обект се приближи до антената, се генерира тригерен сигнал.
Чувствителността на такива конструкции е по-висока в сравнение с конвенционалните сензори на честотна LC верига, но те изискват производството на диференциален RF трансформатор (в горния дизайн неговите намотки са поставени върху пръстен K10 × 6 × 2, направен от ферит M3000NM, докато, за да се увеличи коефициента на качество, в пръстена се изрязва празнина с ширина 0,9 ... 1,1 mm.

2) Сензори със засмукванеLC-контур.
Тези конструкции, например, са капацитивни устройства, в които, за да се увеличи чувствителността, се въвежда допълнителна (наречена смукателна) LC верига, която е индуктивно свързана към веригата за настройка на честотата на генератора и настроена на резонанс с този верига.
Антенният сензор в този случай е свързан не към веригата за настройка на честотата, а към горната смукателна LC верига, която включва кондензатор с малък капацитет и соленоид, чиято индуктивност съответно се увеличава. Защото контурният кондензатор в същото време трябва да е малък - на ниво M33 - M75.
Поради ниския капацитет на тази верига, капацитетът на антената-сензор става сравним с нея, поради което промените в капацитета на антената оказват значително влияние върху настройката на горната всмукателна LC верига, докато амплитудата на трептенията върху веригата за настройка на честотата на генератора до голяма степен зависи от настройката на тази верига и съответно е нивото на RF сигнала на неговия изход.

Може също да се отбележи, че в 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 пряко да повлияят на работата на активния елемент на генератора (транзистор или ОУ), което е положителни свойства на такива структури.
Както в случая на сензори на базата на кварцов резонатор, увеличение на чувствителността на капацитивни устройства със смукателна LC верига беше постигнато поради известно усложнение на конструкцията - в този случай е необходимо да се изработи допълнителна LC верига, която включва индуктор с два пъти по-голям брой навивки (в - 100 оборота) в сравнение с бобината на LC веригата за настройка на честотата.

3) Някои капацитивни сензори използват метод като напрувеличаване на размера на антената-сензор. В същото време такива структури също повишават чувствителността си към електромагнитни и радиосмущения; поради тази причина, както и поради обемистостта на такива устройства (например метална мрежа с размери 0,5 × 0,5 M се използва като антена), е препоръчително тези конструкции да се използват извън града, - на места с слаб електромагнитен фон и, за предпочитане - извън жилищните помещения - така че да не се появяват смущения от мрежови проводници.
Устройствата с големи размери на сензора се използват най-добре в селските райони за защита на градински парцели и полеви съоръжения.

Област на приложениесензори с LC верига за настройка на честота.
Такива устройства могат да се използват за различни домакински цели (включване на осветление и др.), както и за откриване на всякакви обекти на места със спокойна електромагнитна среда, например в мазета (разположени под нивото на земята), както и извън град (в селските райони - при липса на радиосмущения - сензорите от този тип могат да открият, например, приближаването на човек на разстояние до няколко десетки см).
В градски условия е препоръчително тези конструкции да се използват или като сензори за докосване за метални предмети, или като част от онези алармени устройства, които в случай на фалшиви аларми не причиняват големи неудобства на другите, например в устройства, които включват плашещ светлинен поток и слаб звуков сигнал.

3. Диференциални капацитивни сензори(устройства на диференциални трансформатори).
Такива сензори, например, се различават от горните конструкции по това, че имат не една, а две сензорни антени, което позволява потискане (взаимна компенсация) на метеорологични и климатични влияния (температура, влажност, сняг, замръзване, 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 промяна в капацитета между общия проводник и антената.

Тези устройства работят по следния начин.
Чувствителните елементи на сензора - антени са свързани към измервателните входове на LC моста, а RF напрежението, необходимо за захранване на моста, се формира в диференциален трансформатор, чиято първична намотка се захранва с захранващ RF сигнал от изхода на RF генератора (в - за простота, - бобината на веригата за настройка на честотата на генератора е и първичната намотка на диференциалния трансформатор).
Трансформаторът с диференциална конструкция съдържа две еднакви вторични намотки, в противоположните краища на които се образува противофазно променливо RF напрежение за захранване на LC моста.
В същото време на изхода на моста няма RF напрежение, тъй като RF сигналите на неговия изход ще бъдат еднакви по амплитуда и противоположни по знак, поради което ще се отменят и потискат (в измервателния LC мост, работните токове отиват един към друг приятел и се компенсират взаимно).
В първоначалното си състояние няма сигнал на изхода на измервателния LC-мост, в случай на приближаване на обект към някоя от антените, капацитетът на едно или друго рамо на измервателния мост се увеличава, което води до нарушаване на неговия баланс , в резултат на което взаимната компенсация на RF сигналите на генератора става непълна и на изхода на LC-моста се появява сигнал за задействане на устройството.

В същото време, ако капацитетът нараства (или намалява) наведнъж и за двете антени, тогава не се извършва работа. в този случай балансирането на LC моста не се нарушава и RF сигналите, протичащи в LC мостовата верига, все още запазват същата амплитуда и противоположни знаци.

Поради горното свойство устройствата, базирани на диференциални трансформатори, както и диференциални кондензаторни сензори, описани по-горе, са устойчиви на атмосферни и климатични колебания. те влияят и на двете антени по един и същ начин и след това взаимно се отменят и анулират. В същото време пикапите и радиосмущенията не се потискат, елиминират се само метеорологичните и климатичните влияния, следователно диференциалните сензори, както и сензорите на честотна LC верига, периодично изпитват фалшиви положителни резултати.
Антените трябва да бъдат разположени по такъв начин, че при приближаване на обект въздействието върху едната от тях да бъде по-голяма, отколкото върху другата.

Характеристики на диференциалните сензори.
Обхватът на откриване на тези устройства е малко по-висок в сравнение със сензорите на честотна LC верига, но в същото време диференциалните сензори са по-сложни като дизайн и имат повишена консумация на ток поради загуби в трансформатора, който има ограничено ефективност. Освен това такива устройства имат зона с намалена чувствителност между антените.

Област на приложение.
Сензорите на диференциален трансформатор са предназначени за използване на открито. Тези устройства могат да се използват на същото място като сензорите на честотната LC верига, с единствената разлика, че инсталирането на диференциален сензор изисква място за втора антена.

4. Резонансни капацитивни сензори(RF патент № 2419159; връзка към Rospatent).
Високочувствителни капацитивни устройства - тригерният сигнал в тези конструкции се формира във входната LC верига, която е в частично разстроено състояние по отношение на сигнала от работещия RF генератор, към който веригата е свързана чрез кондензатор с нисък капацитет ( необходим съпротивителен елемент във веригата).
Принципът на действие 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 RF сигнала е силно зависимо от капацитета - както неговия, така и капацитета на сензорната антена, свързана към то. В резултат на това, когато обект се приближи до антената, RF напрежението на LC веригата променя значително амплитудата си, което е сигнал за задействане на устройството.

В същото време LC веригата не губи своите селективни свойства и ефективно потиска (шунтира върху тялото) външни влияния, идващи от сензорната антена - смущения и радиосмущения, осигурявайки високо ниво на шумоустойчивост на конструкцията.

В резонансните капацитивни сензори работният сигнал от изхода на RF генератора трябва да се подава към LC веригата през определено съпротивление, чиято стойност трябва да бъде сравнима със съпротивлението на LC веригата при работна честота, в противен случай, когато обекти приближете до сензорната антена, работното напрежение при LC веригата ще реагира много малко на промените в съпротивлението на LC веригата във веригата (напрежението на RF веригата просто ще повтори изходното напрежение на генератора).

Може да изглежда, че LC верига в състояние на частичен резонанс ще бъде нестабилна и прекалено зависима от температурните промени. В действителност, същото, - при условие на използването на 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, в резонансни капацитивни структури, антената е свързана към LC веригата чрез малък кондензатор (няма нужда да се използва силна връзка в такива устройства), поради което атмосферните ефекти върху сензорната антена не нарушават работата на LC веригата и нейното работно RF напрежение остават почти непроменени дори когато вали.
По своя обхват на действие резонансните капацитивни сензори са значително (понякога няколко пъти) по-добри от устройствата на честотно задаващи LC вериги и на диференциални трансформатори, като засичат приближаването на човек на разстояние, значително надвишаващо 1 метър.

С всичко това силно чувствителни конструкции, използващи резонансния принцип на действие, се появиха едва наскоро – първата публикация по тази тема е статията „Капацитивно реле“ (списание „Радио“ 2010 / 5, стр. 38, 39); в допълнение, допълнителна информация за резонансни капацитивни устройства и техните модификации е достъпна и 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 на открито, е необходима задължителна проверка на входния блок за термична стабилност, за която потенциалът на изхода на детектора се измерва при различни температури (можете да използвате хладилник с фризер за това), докато детекторът трябва да е термично стабилен (транзистор с полеви ефект).
2) В резонансните капацитивни сензори връзката между антената и RF генератора е слаба и следователно излъчването на радиосмущения във въздуха в такива конструкции е много незначително, няколко пъти по-малко в сравнение с други видове капацитивни устройства.

Област на приложение.
Резонансните капацитивни сензори могат да се използват ефективно не само в селски и полеви условия, 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 фалшиво задействане.
Резонансните сензори могат да бъдат инсталирани и в непосредствена близост до други електронни устройства - поради ниското ниво на излъчване на радиосигнал и висока устойчивост на шум, резонансните капацитивни структури имат повишена електромагнитна съвместимост с други устройства.

Нечаев И. "Капацитивно реле", сп. "Радио" 1988 /1, с.33.
Ершов М. "Капацитивен сензор", сп. „Радио” 2004/3, с. 41, 42.
Москвин А. "Безконтактни капацитивни сензори", сп. "Радио" 2002/10,
стр. 38, 39.
Галков А., Хомутов О., Якунин А. "Капацитивна адаптивна система за сигурност" патент на Руската федерация № 2297671 (C2), с приоритет от 23 юни 2005 г. - Бюлетин "Изобретения. Полезни модели”, 2007, бр.11.
Савченко В, Грибова Л.„Безконтактен капацитивен сензор с кварц
резонатор", сп. „Радио” 2010/11, с. 27, 28.
"Капацитивно реле" - сп. „Радио” 1967 / 9, с. 61 (раздел чужд
структури).
Рубцов В.„Алармено устройство за проникване“, сп. „Радиолюбител” 1992 / 8, с. 26.
Глузман И. „Реле за присъствие“, сп. "Модел дизайнер" 1981/1,
стр. 41, 42).

Сензорите за движение са невероятно удобно нещо, което ви позволява да контролирате светлината 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 ще разгледаме обхвата на възможното приложение на тези устройства.

Накратко за сензорите

Един от най-простите видове сензори е краен превключвател или бутон за самовъзстановяване (незаключване).

Монтира се на вратата и реагира на нейното отваряне и затваряне. С помощта на проста схема това устройство включва светлината в хладилника. Може да бъде оборудван с килер или вестибюл на коридор, входна врата, дежурна LED подсветка, използвайте този ключ като аларма, която ще ви уведомява при отваряне или затваряне на вратата. Недостатъците на дизайна могат да бъдат трудности при монтажа, а понякога и непретенциозен външен вид.

На вратите и прозорците на защитени обекти могат да се видят устройства, базирани на магнит. Техният принцип на действие е много подобен на действието на бутон. Тръстиковият превключвател може да отваря или свързва контакти, когато към него се донесе конвенционален магнит. 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 във високоспециализирано приложение. Не са подходящи за наблюдение на открити площи, площи, проходи.

За отворени проходи има устройства, които реагират на промените в околната среда. Те включват фото релета, капацитивни (сензори на полето), термични (PIR), звукови релета. За фиксиране на пресечната точка на определен участък, контрол на препятствие, наличие на движение на обект в зоната на припокриване, се използват устройства за фото или звуково ехо.

Принципът на действие на такива сензори се основава на образуването на импулс и неговото фиксиране 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 фотореле и звуково реле:

Инфрачервените светодиоди се използват като предавател в оптичните сензори, а фототранзисторите се използват като приемник. Звуковите сензори работят в ултразвуковия диапазон, така че тяхната работа изглежда безшумна за нашето ухо, 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 когато човек е точно до него. Не бихте ли искали да си направите сами?

Схеми за сглобяване

Микровълнова печка

За управление на открити пространства и контрол на присъствието на обекти в желаната зона има капацитивно реле. Принципът на действие на това устройство е да измерва количеството поглъщане на радиовълните. Всеки е наблюдавал или е бил участник в този ефект, когато при доближаване до работещ радиоприемник, честотата, на която той работи, се заблуждава и се появяват смущения.

Нека поговорим как да направим сензор за движение от микровълнов тип. Сърцето на този детектор е радио микровълнов генератор и специална антена.

Тази електрическа схема показва прост начин да направите микровълнов сензор за движение. Транзистор VT1 е високочестотен генератор и радиоприемник на непълно работно време. Детекторният диод коригира напрежението чрез прилагане на отклонение към основата на транзистора VT2. Намотките на трансформатора T1 са настроени на различни честоти. В първоначалното състояние, когато антената не се влияе от външен капацитет, амплитудите на сигнала се компенсират взаимно и на детектора VD1 няма напрежение.При промяна на честотата техните амплитуди се добавят и се засичат от диода. Транзисторът VT2 започва да се отваря. Като компаратор за ясно определяне на състоянията „включено“ и „изключено“ се използва тиристор VS1, който управлява 12-волтово захранващо реле.

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

Термичен

Thermal DD (PIR) е най-разпространеното сензорно устройство в бизнес сектора. Това се дължи на 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 електромагазин. Често този сензор се доставя с лампи, алармени устройства и други контролери. Сега обаче ще ви кажем как да направите термичен сензор за движение у дома. Една проста итерационна верига изглежда така:

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

Домашно от модул за Arduino

Евтин сензор може да бъде направен от специални готови платки за дизайнер на радио. Така че можете да получите доста миниатюрно устройство. За сглобяването ни е необходим модул сензор 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) от източника на захранване към платките (плюс и минус), например от зареждане на телефони, и да се свържете заедно. Връзките могат да бъдат направени с помощта на конектори, но ще бъде по-надеждно да запоявате всичко. Можете да се обърнете към диаграмата по-долу. Миниатюрният транзистор обикновено вече е вграден в релейния модул, така че не е необходимо да го инсталирате допълнително.

Когато човек се движи, модулът изпраща сигнал до релето и то се отваря. Моля, имайте предвид, че има реле за високо и ниско ниво. Той трябва да бъде избран въз основа на сигнала, който сензорът произвежда на изхода. Готовият детектор може да бъде поставен в корпуса и маскиран на правилното място. Освен това препоръчваме да гледате видеоклип, който ясно демонстрира инструкции за сглобяване на домашно приготвени сензори за движение у дома. Ако имате въпроси, винаги можете да ги зададете в коментарите.

До какви трикове не прибягват собствениците, защитавайки собствеността си! Като се започне от най-простите катинари с размерите на добра тухла (на север се използваха дори... капани за вълци!) до модерни алармени системи със сложна електроника. Електронната сигурност често се основава на факта, че нарушителят ще се раздаде по някакъв начин, ще изпрати информация за външния си вид. Това може да бъде звук от стъпки - електронните "уши" моментално ще реагират и ще подадат сигнал за опасност. Има системи за сигурност, които реагират на човешка радиация, чийто спектрален състав се различава рязко от основния фон. Но престъпникът не спи, опитвайки се да остане незабелязан, докато върши мръсните си дела - има специални камуфлажни костюми, всякакви гениални устройства.

Междувременно има абсолютно надеждна система за защита. То е настроено към такова физическо поле на човек, за което самата природа изключва възможността за всякакви бариери. Това е гравитационното поле, което има всеки обект с маса. Гравитацията е гравитация (привличане), универсално взаимодействие между всякакъв вид физическа материя (обикновена материя, всякакви физически полета), както казва третият закон на Исак Нютон.

Този принцип е в основата на устройството на известния изобретател С. Лифшиц. Гравитационните сили са незначителни. Да речем, взаимното привличане между две тела, разположени на разстояние един метър едно от друго и с маса от един тон всяко, е само около 0,006 г. Те могат да се наблюдават само с помощта на обемисти устройства, които се използват само в планетариумите. Устройството на Ш. Лифшиц е малко, компактно, изключително просто за производство и остроумно, като всичко гениално. Основата му е прозрачен съд, залепен от плексиглас. Вътре - преграда, която симетрично го разделя до половината от височината и излиза. От двете страни на преградата, две тръби с напречно сечение 1 кв. мм Отстрани на съда има две къси тръбички с кранове. Всички връзки на устройството са уплътнени.

Съдът се монтира на маса или на фиксирана платформа. В малките епруветки се вкарва капка оцветена течност. И двете капки трябва да са на едно и също ниво. След това съдът се пълни с вода през къси тръби до ниво, при което долната част на преградата е напълно потопена в течност, а до капака на съда остава слой въздух от 2-3 mm. Крановете са затворени и устройството е готово за работа. Ако сега човек се приближи до единия му край, част от течността под действието на гравитационната сила от едната половина на съда ще премине в другата - в тази, към която се е приближил. И тъй като движението на течността в отделените части на съда е свързано с движението на въздушния слой, оцветените капки в малки тръбички също ще се движат. Отстраняването на човек от устройството ще предизвика обратен ефект - обратно изместване на капките. Има демонстрация на ефекта на гравитацията.

Ако към устройството се донесе тежест, тогава капката в левия капиляр ще се повиши, а в десния ще падне.

Сега познайте към какво целим? Необходимо е само леко да подобрим нашия апарат по такъв начин, че той автоматично да дава сигнал, когато човек се приближи до него. Тук има много опции. Движещите се, оцветени капчици могат да блокират лъча светлина и да накарат фотоклетката да работи, включете сирената.

Погледнете снимката и ще разберете по-добре механизма на действие на такъв пазач. Устройството работи, ако е укрепено зад блиндираната врата на сейфа или зад дебела бетонна стена - няма препятствия за гравитацията. С други думи, такова устройство за сигурност е най-надеждното.

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

Днес няма да изненадате никого с електронни превантивни предупредителни устройства с различно предназначение и ефективност, които уведомяват хората или включват аларма за взлом 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, те разработиха проста електронна схема за безконтактен 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 сензора E1.

Принципът на работа на устройството се основава на промяна в капацитета между сензор-антена E1 и "земя" (общ проводник: всичко, което съответства на заземяващия контур - в този случай това е подът и стените на стаята ). Когато човек се приближи, този капацитет се променя значително, което е достатъчно, за да задейства чипа K561TL1.

Ориз. 2.2. Електрическа схема на безконтактен капацитивен сензор

Дизайнът е базиран на два елемента от микросхемата K561TL1 (DD1), включени като инвертори. Тази микросхема включва четири елемента от същия тип с функция 2I-NOT със задействания на Шмит 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 захранващо напрежение (в диапазона 3–15 V), защита на входа от статично електричество и краткотрайно превишаване на входните нива и много други предимства, които позволяват на чипа да се използва широко в дизайните на радиолюбителството, без да се изискват специални предпазни мерки и защита.

В допълнение, микросхемата K561TL1 ви позволява да свързвате нейните независими логически елементи успоредно, като буферни елементи, в резултат на което мощността на изходния сигнал се увеличава пропорционално. Тригерите на Шмит са бистабилни схеми, които могат да обработват бавно нарастващи входни сигнали, включително шум. В същото време стръмните фронтове на импулсите, които осигуряват изход, могат да бъдат предадени на следващите възли на веригата за свързване с други ключови елементи и микросхеми. Чипът K561TL (както и K561TL2, между другото) може да разпредели контролен сигнал (включително цифров) за други устройства от аналогов или размит входен импулс.

Чуждестранен аналог на K561TL1 - CD4093B.

Схемата за превключване на инвертора е класическа, описана е в справочниците. Особеността на представената разработка е в дизайнерските нюанси. След включване на захранването на входа на елемента DD1.1 има недефинирано състояние, близко до ниско логическо ниво. На изхода на DD1.1 - високо ниво, на изхода на DD1.2 - отново ниско. Транзистор VT1 е затворен. Пиезоелектричната капсула HAI (с вътрешен генератор 34) не е активна.

Към сензора E1 е свързана антена - подходяща е автомобилна телескопична антена. Когато човек е близо до антената, капацитетът между щифта на антената и пода се променя. От този превключвател елементи DD1.1, DD1.2 в противоположно състояние. За да превключите възела, човек със среден ръст трябва да бъде (преминава) до антена с дължина 35 см на разстояние до 1,5 м. На щифт 4 на микросхемата се появява ниво на високо напрежение, в резултат на което транзисторът VT1 се отваря и капсулата HA1 звучи.

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

Електрическата верига (фиг. 2.2) може да се използва и като основа за сензор за задействане. За да направите това, постоянният резистор R1, екранираният проводник са изключени, а сензорите са контактите на микросхемата 1 и 2.

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 общ проводник, централното ядро ​​при краят е свързан към щифта на антената.

При спазване на горните препоръки и използването на видовете и рейтингите на елементите, посочени на диаграмата, възелът генерира звуков сигнал с честота около 1 kHz (в зависимост от вида на капсулата HA1), когато човек се приближи до щифта на антената на разстояние 1,5–1 м. Няма задействащ ефект. Веднага след като обектът се отдалечи от антената, сензорът преминава в режим на охрана (готовност).

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

Възможностите на устройството трудно могат да бъдат надценени. В авторския вариант се монтира до касата на вратата; входната врата е метална.

Силата на AF сигнала, излъчвана от капсулата HA1, е достатъчна, за да се чуе на затворена лоджия (сравнима е с силата на звука на домашен звънец).

Захранването е стабилизирано, с напрежение 9-15 V, с добро филтриране на пулсационното напрежение на изхода. Консумацията на ток е незначителна в режим на готовност (няколко микроампера) и се увеличава до 22–28 mA, когато емитерът HA1 е активен. Източник без трансформатор не може да се използва поради вероятност от токов удар. Оксидният кондензатор C2 действа като допълнителен захранващ филтър, неговият тип е K50-35 или подобен, за работно напрежение не по-ниско от напрежението на захранването.

По време на работата на възела бяха разкрити интересни характеристики. Захранващото напрежение на възела оказва влияние върху неговата работа: когато захранващото напрежение се увеличи до 15 V, като сензор-антена се използва само обикновен многожилен неекраниран електрически меден проводник с напречно сечение 1-2 mm и дължина 1 m; в този случай не са необходими екран и резистор R1, електрическият меден проводник е свързан директно към клеми 1 и 2 на елемента DD1.1. Ефектът е подобен. Когато се промени фазата на щепсела на захранването, възелът катастрофално губи чувствителност и може да работи само като сензор (реагира на докосване на E1). Това е вярно за всяка стойност на захранващото напрежение в диапазона от 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. Въпреки това, в случай на правилното свързване, описано тук, се получава важен компонент на аларма срещу взлом, който гарантира безопасността на дома, като предупреждава собствениците още преди да настъпи спешен случай.

Елементите са монтирани компактно върху плоча от фибростъкло. Корпусът на устройството е от всякакъв диелектричен (непроводящ) материал. За да управлявате захранването, устройството може да бъде оборудвано с индикаторен светодиод, свързан паралелно с източника на захранване.

Не се изисква корекция със стриктно спазване на препоръките. 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 MΩ. За да намалите чувствителността, увеличете капацитета на кондензатора C1. Ако това не доведе до резултати, постоянен резистор със съпротивление 5-10 MΩ се свързва паралелно с C1.

Ориз. 2.3. капацитивен сензор

Неполярен кондензатор C1 - тип KM6. Фиксиран резистор R2 - MLT-0.25. Резистор R1 - тип VS-0.5, VS-1. Транзистор VT1 е необходим за усилване на сигнала от изхода на елемента DD1.2. Без този транзистор капсулата HA1 звучи меко. Транзистор VT1 може да бъде заменен с KT503, KT940, KT603, KT801 с произволен буквен индекс.

Капсулният емитер HA1 може да бъде заменен с подобен с вграден генератор 34 и работен ток не повече от 50 mA, например FMQ-2015B, KRX-1212V и други подобни.

Благодарение на използването на капсула с вграден генератор, монтажът показва интересен ефект: когато човек се приближи до сензор-антена E1, звукът на капсулата е монотонен, а когато човек се отдалечи (или се приближи до човек , като се започне от разстояние от 1,5 m до E1), капсулата издава прекъснат звук, който е стабилен по природа в съответствие с промяната в нивото на потенциала на изхода на елемента DD1.2. (Подобен ефект е в основата на първия електронен музикален инструмент Термен.)

За по-пълна картина на свойствата на капацитивен сензор, авторът препоръчва да прочетете материала.

Ако като HA1 се използва капсула с вграден AF генератор, например KRI-4332-12, тогава на относително голямо разстояние от сензора-антената звукът ще наподобява сирена, а при максимално приближение - прекъсващ сигнал.

Като недостатък на устройството може да се счита липсата на селективност (системата за разпознаване „приятел/враг“), така че възелът ще сигнализира за приближаването на всеки човек към E1, включително собственика на апартамента, който е излязъл „за хляб“. Основата на работата на устройството са електрически пикапи 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.

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