Почти терменвокс из инфракрасного датчика движения

Привет, Хабр! Сегодня мы познакомимся с пассивными инфракрасными (PIR) сенсорами и откроем для себя особенности двух интересных и полезных микросхем.

Первая из них — BISS0001 — предназначена для работы с датчиками на основе пироэлектрического эффекта. Они повсеместно используются в охранных сигнализациях, фотоловушках для наблюдения за животными в дикой природе и автоматике управления светом в общественных помещениях.

Вторая микросхема с маркировкой C002 — это электронная сирена, из которой при желании можно извлечь весьма странные звуки.

Недавно мне попалась на глаза интересная статья про весьма нестандартный вариант применения микросхемы BISS0001. И как раз на днях пришёл из Китая радиоконструктор, содержащий эту микросхему в её обычной роли, ради которой она была разработана. Поэтому захотелось сразу взяться за паяльник, не откладывая в долгий ящик. В итоге получилось целых две занятных поделки.

▍ Дистанционные датчики движения

Потребность в создании бесконтактного устройства, дистанционно реагирующего на приближение, присутствие и движение человека, возникла давно, и по состоянию на настоящее время существует множество разновидностей таких датчиков.

Они могут пригодиться как для реагирования на несанкционированное проникновение в помещения и на территории, так и для автоматического управления кондиционерами и осветительными приборами.

Благодаря датчику, например, видеоловушка снимает только тогда, когда детектирует движение. Так осуществляется экономия не только заряда аккумулятора, но и времени на просмотр и монтаж отснятого материала. А в совсем недалёком прошлом видеокамерам недоставало ещё и ёмкости накопителей.

▍ Ёмкостное реле

Одним из ранних вариантов детектора приближения был ёмкостный датчик, разработкой которого занимался выдающийся изобретатель Лев Сергеевич Термен.

Принцип работы ёмкостного датчика Термена был основан на изменении ёмкости колебательного контура лампового генератора незатухающих гармонических колебаний при приближении человека к сенсорной пластине, вследствие чего изменялась генерируемая частота.

Изменение частоты детектировалось либо биениями при её смешивании с колебаниями вспомогательного генератора — гетеродина, подобно преобразованию частоты в супергетеродинном радиоприёмнике, либо изменением амплитуды колебаний в резонансном LC-фильтре.

Если фильтр настроен на частоту генератора при отсутствии привнесённой ёмкости, то амплитуда колебаний в нём снизится. Если же он настроен на более низкую частоту, то при приближении человека амплитуда колебаний возрастёт.

Гетеродинный вариант ёмкостного датчика приближения был более чувствительным, но и более дорогим, так как для него требовались две дополнительные радиолампы — одна для гетеродина и одна для смесителя. Если вспомнить накальные и анодные батареи тех лет, то станет понятно, что это было серьёзное удорожание.

По сравнению с первой половиной прошлого века, сегодня эфир просто забит всевозможными электромагнитными колебаниями на разных частотах, что значительно усложняет постройку работоспособного ёмкостного датчика с достаточной для практических целей дистанцией срабатывания.

▍ Терменвокс

Зато изменение частоты LC-генератора при движении руки на расстоянии нескольких сантиметров до антенны уже больше столетия успешно применяется в другом изобретении Льва Сергеевича, которое и сделало его знаменитым.

Конечно же, это терменвокс — первый в мире электронный музыкальный инструмент, который сам автор первоначально назвал «этеротоном».

На схеме популярного лампового варианта, разработанного Робертом Моугом, управление высотой тона осуществляется посредством ёмкостного датчика гетеродинного типа с вертикальной штыревой антенной, тогда как громкость звучания регулируется датчиком на основе резонансного фильтра с антенной в виде горизонтальной петли.

▍ Ультразвуковой датчик

Принцип работы более практичной и помехоустойчивой разновидности датчиков движения основан на эффекте Доплера.

При отражении неслышимой для человеческого уха ультразвуковой волны от неподвижного предмета, частота ультразвука остаётся неизменной.

Зато если предмет отдаляется от излучателя и приёмника ультразвука, то частота отражённого сигнала станет ниже, а если приближается — выше. Более того, благодаря эффекту Доплера, можно не только распознавать движение, но и измерять его скорость.

Последнее успешно применяется в полицейских радарах на автомобильных дорогах, которые могут быть как портативными и работать с участием человека, так и стационарными автоматическими, устанавливаемыми в определённых участках.

▍ Радиоволновый датчик

Вместо ультразвука можно применить радиоволны сверхвысокочастотного диапазона. Как раз про такой радар стоимостью один доллар с маркировкой RCWL-0516 рассказывает вдохновившая меня статья.

▍ Пироэлектрический датчик

Кроме микроволн, для детектирования движения человека можно использовать другие участки спектра электромагнитных излучений. Например, инфракрасные лучи, которые теплокровные существа не только отражают, но и излучают с большей интенсивностью, чем окружающие их предметы, если в помещении не слишком жарко.

Типичный объёмный датчик охранной сигнализации представляет собой два чувствительных к инфракрасному излучению элемента, перед которыми установлена полусфера или полуцилиндр из белого пластика, содержащая множество линз Френеля.

Такой полусферический объектив часто напоминает куполообразную хижину иглу, которую эскимосы строят из снега. «Снежные кирпичи» — это как раз те самые линзы Френеля.

Каждая из линз проецирует на одну из половинок датчика инфракрасное излучение из своего сектора объёма помещения. Если в комнате ничего не движется, то интенсивность облучения обеих половинок примерно одинаковая.

Движущийся предмет, излучающий или отражающий тепловые лучи, вызывает неравномерные изменения инфракрасной освещённости половинок датчика, которые может уловить специальная электронная схема.

Чтобы датчик не реагировал на видимый свет, можно использовать полупроводниковые приборы, термопары или микроболометры. Но наиболее распространёнными являются датчики на основе пироэлектрического эффекта.

Пироэлектрики — это диэлектрические кристаллические вещества, которым свойственна самопроизвольная поляризация. При неизменной температуре последняя компенсируется притягиванием свободных электрических зарядов из воздуха.

Однако при изменении температуры появляется электрическое поле, которое можно зарегистрировать, прежде чем оно снова будет скомпенсировано зарядами из воздуха. Как видим, законы сохранения энергии и электрического заряда соблюдаются. Ничто не берётся из ниоткуда и не исчезает в никуда.

Как легко догадаться, изменение нагрева пироэлектрического элемента в датчике при перемещении по комнате предмета или человека весьма незначительное, и разность напряжений при этом генерируется совсем крошечная. Поэтому к электронной схеме детектора движения предъявляются значительные требования.

На первый взгляд может показаться, что для обработки сигналов такого датчика нам обязательно потребуется дифференциальный усилитель постоянного тока с хорошей защитой от помех.

Однако производители датчиков сильно облегчили нам работу. Внутри экранирующего металлического корпуса они включили два пироэлектрических элемента в противофазе, тем самым получив готовый разностный сигнал. А для предварительного усиления этого сигнала датчик снабжён полевым транзистором с управляющим P-N переходом.

Получился трёхвыводной компонент, сигнал которого нужно просто усилить, проинтегрировать, чтобы отсечь высокочастотные помехи, и продифференцировать, чтобы получить импульс, свидетельствующий о движении в поле зрения прибора. Далее пригодится ждущий мультивибратор, чтобы сформировать тревожный сигнал желаемой длительности.

▍ Микросхема BISS0001

Все эти функции, и даже некоторые другие, предусматривает чудесная микросхема BISS0001.

Внутри шестнадцативыводного корпуса размещаются следующие функциональные узлы:

• первый операционный усилитель OP1, оба входа и выход которого выведены наружу микросхемы и не соединены с другими её составляющими,
• второй операционный усилитель OP2 в инвертирующем включении, с выведенными наружу выходом и инвертирующим входом; неинвертирующий вход подключен к резистивному делителю, формирующему опорные напряжения,
• два компаратора COP1 и COP2, подключенные как в 555 таймере, но образующие не компаратор с гистерезисом, а оконный двухпороговый компаратор: для этого сигналы с выходов компараторов обрабатываются не RS-триггером, а логическим элементом 2 ИЛИ U1,
• третий компаратор COP3, запрещающий обработку сигналов пироэлектрического датчика, если напряжение на входе VC ниже 20 процентов напряжения питания,
• первый одновибратор Tx, формирующий выходной импульс требуемой длительности,
• второй одновибратор Ti, ограничивающий минимальный временной промежуток между срабатываниями датчика,
• трёхвходовой логический элемент И U2, обрабатывающий сигналы трёх компараторов и одновибратора Ti,
• модуль управления STATUS CONTROL, разрешающий перезапуск одновибратора Tx во время выходного импульса при логической единице на входе A и запрещающий его при логическом нуле на этом входе.

Перед нами типовой вариант экономичного объёмного датчика на основе микросхемы BISS0001.

Первый операционный усилитель OP1 в неинвертирующем включении усиливает сигнал пироэлектрического датчика с коэффициентом передачи

1+R7/R8 = 1+2000/47 = 43.5.

Коэффициент усиления второго ОУ OP2 ещё выше: он составляет

-R5/R6 = -1000/10 = -100.

В общей сложности получается просто огромный коэффициент передачи -4350.

Фоторезистор R3, подключённый к входу третьего компаратора, разрешает работу прибора только в ночное время суток. Так достигается экономия электроэнергии, особенно важная для устройства с батарейным питанием.

Номиналы R10 и C6 задают время импульса на выходе микросхемы, а R9 и C7 — минимальный временной интервал между срабатываниями.

▍ Электронная сирена

Схема собранного мной радиоконструктора совпадает с типовой, вплоть до номиналов компонентов. Имеется всего четыре отличия.

Во-первых, отсутствует фоторезистор для отключения датчика в дневное время. Далее, резистор R6 в наборе подстроечный, что позволяет регулировать чувствительность датчика. Также предусмотрен подстроечный резистор на 100 килоом последовательно с R10, сопротивление которого равно одному килоому.

И наконец, вместо транзистора с реле в комплекте прилагалась крошечная китайская платка с маркировкой C002, являющаяся модулем электронной сирены на микросхеме-«капельке».

Получившуюся в итоге плату инфракрасного датчика движения я собираюсь использовать в другом проекте, поэтому вместо электронной сирены на выход микросхемы BISS0001 подключён красный светодиод, а все компоненты со штыревыми выводами для монтажа в отверстие установлены со стороны линзы Френеля.

Чтобы модуль C002 не валялся без дела, мне захотелось с ним поэкспериментировать. В итоге получилась забавная игрушка, но давайте обо всём по порядку.

Существует несколько разновидностей платы с маркировкой C002, различающихся назначением контактной площадки, обозначенной на рисунке выше буквой «X».

Это может быть вход, логический уровень напряжения на котором включает и отключает сирену. Или даже вход с троичной логикой: будучи подключённым к плюсу питания, земле или оставленным неподключённым, он позволяет выбрать один из трёх вариантов звучания сирены.

К сожалению, мне достался самый скучный вариант модуля C002, у которого вход «X» не делает вообще ничего.

Зато номинал резистора R1 задаёт центральную частоту, вокруг которой модулируется сигнал сирены. Почему бы не сделать этот резистор переменным, подключив последовательно с ним ограничительный постоянный резистор на всякий случай?

А если впаять вместо простого резистора фоторезистор, или целых два последовательно, чтобы при изменении освещённости сопротивление изменялось в более широких пределах, то получится оптический терменвокс.

Затеняя фоторезисторы рукой, можно играть на такой поделке почти как на настоящем ёмкостном терменвоксе. А переменным резистором устанавливается диапазон изменения частоты звучания.

▍ Что у меня получилось

Работу и процесс сборки модуля пироэлектрического сенсора и забавного шумового эффекта можно наблюдать на видео.

Напишите в комментариях, что можно озвучить при помощи такой электронной игрушки, и функциями каких устройств целесообразно управлять посредством инфракрасного датчика движения.

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT ?