1 Выбор и обоснование структурной схемы
Некоторые кристаллические материалы обладают свойством генерировать поверхностный электрический заряд при контакте с тепловым ИК излучением. Это явление известно как пироэлектричество. Пассивные модули с ИК датчиком рабо-тают на основе этого принципа. Тело человека излучает тепло в виде ИК излуче-ния с максимальной длиной волны около 9,4 мкм [1]. Появление человека создает внезапные изменения в ИК диапазоне окружающей среды, что воспринимается пи-роэлектрическим датчиком. Модуль с пироэлектрическим датчиком (PIR-датчик) имеет элементы которые усиливают сигнал для его соответствия логическим уров-ням. Перед началом работы датчику необходимо от 10 до 60 секунд для ознаком-ления с окружающей средой для дальнейшего нормального функционирования. В это время следует избегать движений в поле зрения датчика.
Пироэффект состоит в возникновеннии заряда в кристаллах под воздействи-ем инфракрасного излучения. Конструкция пиродатчика, применяемого в детекто-рах движения, такова, что заряд возникает лишь в моменты относительно быстро-го появления и исчезновения излучения, но если это излучение, не меняя интен-сивности, присутствует на поверхности активной части пиродатчика, то электриче-ский заряд на выходе практически отсутствует. В этом основное отличие пиродат-чиков от датчиков использующих термоэлектронный эффект, у которых выходное напряжение изменяется пропорционально изменению температуры.
Пироэлектрические датчики могут содержать сразу две чувствительные об-ласти, причем при воздействии на одну из областей напряжение на выходе датчика увеличивается, а при воздействии на вторую – уменьшается.
Применение сдвоенного пироэлектрического датчика предоставляет воз-можность не только детектировать появление объекта инфракрасного излучения, но также и определять направление его движения. Кроме этого, при воздействии на обе области одновременно, выходной сигнал пироэлектрического датчика не меняется, то есть снижается вероятность ложных срабатываний (появление солнца из-за туч, изменение температуры в помещении). В свою очередь, применение дат-чика с одной чувствительной зоной позволяет по изменению среднего уровня вы-ходного сигнала косвенно определить уровень освещенности в помещении. Функ-циональная иллюстрация PIR-датчика представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Функциональная иллюстрация пироэлектрического датчика.
Датчик движения/присутствия, основанный на пироэлектрическом принципе, отслеживает уровень инфракрасного излучения в поле зрения датчика. Сигнал на выходе пироэлектрического датчика зависит от уровня ИК-излучения. При появлении человека или другого объекта с температурой большей, чем температура фона, на выходе пироэлектрического датчика повышается напряжение. Для того чтобы определить, движется ли объект, в датчике используется линза Френеля, фокусирующая ИК-излучение на область чувствительности [2]. При перемещении объекта, инфракрасное излучение от него улавливается и фокусируется разными сегментами линзы, что формирует несколько последовательных импульсов на выходе пироэлектрического датчика
Датчик действует на расстояние до 20 футов и не реагирует на естественные изменения окружающей среды, связанные с течение времени. При этом, датчик реагирует на любое резкое изменение окружающей среды(например появление человека). Модель с датчиком не следует размещать рядом с батареями, розетками и любыми другими предметами быстро меняющими свою температуру, т.к. это приведёт к ложному срабатыванию.
На рисунке 2 представлена структурная схема разрабатываемого устройства.
Рисунок 2 – Структурная схема светового терменвокса.
Обозначения, используемые на схеме:
ДД – датчик движения;
МК – микроконтроллер;
АЛУ – арифметически-логическое устройство;
УВВ – устройство ввода вывода;
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;
УНЧ – усилитель низкой частоты;
Д – динамик;
УС – устройство согласования;
УИ – устройство индикации.
Устройство работает следующим образом. ИКД передают данные о расстоянии до рук в аналоговом виде. Аналоговые сигналы оцифровываются АЦП, входящим в состав МК. Далее АЛУ вычисляет требуемую частоту и необходимый код для индикации. Вычисленные данные посредством УВВ передаются на УИ, где отображается амплитуда и частота звука. По второму каналу УВВ передаёт команды на ЦАП, который формирует сигнал звуковой частоты. Сигнал звуковой частоты подаётся на УНЧ, где он усиливается и отфильтровывается. После аналоговой обработки звуковой сигнал воспроизводится Д.
Вывод.
Описан принцип действия пироэлектрического датчика используемого в качестве датчика движения и синтезирована структурная схема проектируемого устройства.
2 Разработка принципиальной схемы
Модули с PIR датчиком обычно имеют 3 контакта: Vcc, Выход и GND. Он может работать при напряжении питания от 5 до 12V и имеет свой собственный всторенный стабилизатор напряжения [3]. При наличии движения на выходе датчика появляется высокий логический уровень. Также он имеет 3х контактный джампер для установки режима работы. Боковые контакты имеют метки H и L.
Когда перемычка находится в положении H, при срабатывании датчика не-сколько раз подряд на его выходе остается высокий логический уровень. В поло-жении L, на выходе при каждом срабатывании датчика появляется отдельный им-пульс. Передняя часть модуля имеет линзу Френеля для фокусировки ИК излуче-ния на чувствительный элемент.
Модуль HC-SR501 представляет собой датчик движения [3]. При вхождении человека в зону обзора датчика фиксируется присутствие. Принцип работы моду-ля HC-SR501 заключается в регистрации инфракрасного излучения от подвижного объекта. Чувствительный элемент – пироэлектрический датчик 500BP. Он состоит из двух элементов заключенных в одном корпусе. Чувствительный элемент закрыт белым куполом – линзой Френеля. Особенности линзы Френеля таковы, что ин-фракрасное излучение от подвижного объекта попадает сначала на один элемент датчика 500BP, затем на другой. Электроника модуля HC-SR501 регистрирует по-очередное поступление сигналов от двух элементов из состава 500BP и при фикса-ции движения выходная цепь модуля формирует логический сигнал. Датчик при-сутствия HC-SR501 применяется в охранных системах, включении вентиляции, позволяет управлять освещением помещений без окон. Совместно с фотореле примется в управлении освещением дворов и улиц. Интересные результаты можно получить при управлении с помощью датчика фотоаппаратом или видеокамерой. В таблице 1 представлены основные параметры модуля HC-SR501 [4].
Таблица 1 – Основные параметры модуля HC-SR501.
Параметр Значение
Размеры примерно 3.2см x 2.4см x 1.8см
Напряжение питания DC 4.5V- 20V
Ток на OUT <60uA
Напряжение на выходе Высокие и низкие уровни в 3.3V TTL логике
Дистанция обнаружения 3 — 7м (настраивается)
Угол обнаружения до 120°-140° (в зависимости от конкрет-ного датчика и линзы)
Длительность импульса при обна-ружении 5 — 200сек.(настраивается)
Время блокировки до следующего замера 2.5сек. (но можно изменить заменой SMD-резисторов)
Рабочая температура -20 — +80°C
Режим работы L — одиночный захват, H — повторяе-мые измерения
Внешний вид датчика движения HC-SR501 представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Датчик движения HC-SR501 вид сверху
Схема подключения модуля HС-SR501 к МК представлена на рисунке 4 [5].
Рисунок 4 – Схема подключения модуля HС-SR501 к МК.
Выбор микроконтроллера
Как видно из структурной схемы устройства, для его реализации необходим МК с достаточным количеством портов ввода вывода. Рассмотрим ATmega8A-AU.
Atmel AVR ядро объединяет в себе богатый набор инструкций. Все 32 реги-стры непосредственно связаны арифметическо-логическое устройство, позволяя двух независимых регистров взято в одной инструкции выполняются в один такт. Результирующая архитектура – это более эффективный код при достижении про-изводительности до десяти раз быстрее, чем обычные CISC микроконтроллерами.
ATmega8A-AU – 8-разрядные микроконтроллеры с 16 Кб внутрисистемно программируемой Flash памяти, который имеет 32 программируемых порта вво-да/вывода.
Ниже представлены отличительные особенности ATmega8A-AU [1]:
? 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением;
? Прогрессивная RISC архитектура [6]:
? 130 высокопроизводительных команд, большинство команд выполня-ется за один тактовый цикл,
? 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения
? Полностью статическая работа,
? Производительность приближается к 16 MIPS,
? Встроенный 2-цикловый перемножитель.
? Энергонезависимая память программ и данных:
? 16 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти,
? Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи,
? Внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки:
? Обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write),
? 512 байт EEPROM,
? Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи,
? 1 Кбайт встроенной SRAM,
? Программируемая блокировка,
? Встроенная периферия:
? Два 8-разрядных таймера/счетчика,
? Один 16-разрядный таймер/счетчик,
? Счетчик реального времени с отдельным генератором,
? Четыре канала PWM,
? 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь,
? 2 дифференциальных канала с программируемым усилением в 1, 10,
? Байт-ориентированный 2-проводный последовательный интерфейс,
? Программируемый последовательный USART,
? Последовательный интерфейс SPI (ведущий/ведомый),
? Программируемый сторожевой таймер,
? Встроенный аналоговый компаратор.
? Специальные микроконтроллерные функции:
? Сброс по подаче питания,
? Встроенный калиброванный RC-генератор,
? Внутренние и внешние источники прерываний,
? Шесть режимов пониженного потребления,
? Выводы I/O и корпуса:
? 32 программируемые линии ввода/вывода,
? 40-выводной корпус PDIP и 44-выводной корпус TQFP.
? Рабочие напряжения: 2,7 - 5,5 В,
? Рабочая частота: 0 - 16 МГц.
Конфигурация контактов и их назначение ATmega16a (40-выводной в кор-пусе PDIP) представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Конфигурация контактов и их назначение ATmega8A-AU.
Выбор индикатора
Индикатор должен показывать значение времени.
На рисунке 6 приведена схема 7-сегментного индикатора на 4 цифры с об-щим катодом (7SEG-MPX4-CC-BLUE).
Рисунок 6 – Схема 7-сегментного индикатора на 4 цифры.
Для коммутации тока 8 включенных светодиодов (при токе одного светоди-ода 10…20 мА, суммарный ток 80…160 мА) требуются транзисторный ключ (VT1…4, R1…R4), для зажигания светодиода на базу транзистора следует подать положительное напряжение, то есть уровень «1». Такая схема требует использова-ния алгоритма динамической индикации.
Динамическая индикация состоит в периодическом включении (активации) одного из четырех индикаторов, остальные в это время погашены. При частоте динамической индикации не ниже 50 Гц человеческий глаз не замечает мерцания отдельных цифр.
Выбор аналоговых усилительных элементов
Для реализации УНЧ воспользуемся операционным усилителем LM321MF. В таблице 2 представлены основные характеристики данного операционного уси-лителя [7].
Таблица 2 –Основные характеристики операционного усилителя LM321MF.
Параметр Значение
Тип усилителя Общего применения
Число каналов 1
Напряжение питания, Single/Dual (±) 3 V ~ 30 V, ±1.5 V ~ 15V
Ток выходной / канал 40mA
Ток выходной 660µA
Напряжение входного смещения 2000µV
Ток - входного смещения 45nA
Полоса пропускания 1MHz
Скорость нарастания выходного напряжения 0.4 V/µs
Рабочая температура -40°C – 85°C
Тип монтажа Поверхностный
Корпус SOT-23-5
На рисунке 7 представлена схема включения регулируемого усилителя.
Обозначение элементов приняты в соответствии со схемой электрической принципиальной. Кроме усиления и его регулирования данный узел выполняет функцию смешения среднего уровня информационного сигнала.
Рисунок 7 – Схема включения регулируемого усилителя.
Коэффициент усиления на нулевой частоте определяется по формуле:
.
Примем .
Примем построечный резистор 3006P-1-104LF, диапазон перестройки кото-рого равен от 1 до 100 кОм.
Таким образом, коэффициент усиления может меняться от 0,1 до 10.
Подстройка необходима, если не достаточно диапазона регулировки у МК.
Частота среза определятся по формуле:
Частота среза УНЧ .
Определим номинал С2
Примем
Вывод.
Осуществлён выбор основных элементов схемы электрической принципи-альной, а именно пироэлектрического датчика, микроконтроллера, индикатора и операционного усилителя.