СВЧ-датчик движения RCWL-0515

В Интернете и в радиомагазинах можно недорого приобрести СВЧ-датчики движения RCWL-0515 и RCWL-0516 [1]. Конечно, это не принципиально новые устройства, аналоги появились уже давно, но эти датчики стали в последнее время доступны из-за невысокой стоимости. Принцип их работы одинаков, отличаются они схемами и имеют небольшие различия в параметрах. Далее подробнее рассмотрим датчик движения RCWL-0515.

Основные параметры этого датчика приведены в [2]. Рабочая частота — 2,7 ГГц; заявлена максимальная дальность обнаружения — 7...15 м; угол обнаружения — 360°; выходной сигнал — логический 0 или 1; интервал напряжения питания — 4... 15 В (по некоторым данным4...18 В), потребляемый ток без нагрузки —4...6 мА, габаритные размеры —24x17 мм. Все заявленные параметры в основном соответствуют действительности. Но дальность обнаружения сильно зависит от размеров и материала подвижного объекта, а также от наличия и расположения окружающих предметов и препятствий. Элементы датчика смонтированы на двухсторонней печатной плате, которая изображена на рис. 1 и рис. 2.


Но сначала немного о принципе работы датчика движения RCWL-0515. Он основан на эффекте Доплера [3], суть которого заключается в том, что если какой-либо объект является источником сигнала (электромагнитного или другого колебания), то, в зависимости от того, приближается он к наблюдателю или удаляется, частота принимаемого сигнала будет отличаться от излучаемого. При сближении частота увеличивается, при удалении — уменьшается. По этим изменениям можно определить скорость приближения или удаления объекта.

Этот эффект свойственен всем электромагнитным и другим распространяющимся колебаниям, например, свету и звуковым волнам. В масштабах расширяющейся вселенной эффект Доплера проявляется в так называемом "красном смещении" [4], а на бытовом уровне он широко используется, например, в полицейских радарах и продвинутых системах безопасности автомобилей. Кстати, во время Второй мировой войны эффект Доплера использовался в радиолокационных взрывателях [5], которыми снабжались артиллерийские зенитные снаряды. При сближении с самолётом такой радиовзрыватель срабатывал. Всем известен также эффект изменения частоты сигнала поезда при его проезде мимо наблюдателя. При приближении его частота выше, а при удалении снижается.

При активной радиолокации, когда осуществляется приём отражённого сигнала, происходит сравнение частот излучаемого и отражённого сигналов. Если сигнал отражается от неподвижного (относительно передатчика) объекта, частоты переданного и принятого сигналов совпадают. Если объект движется, появится разница между частотами этих сигналов. Поэтому для построения датчика движения необходимо определить наличие этой разницы. Так и сделано в датчике движения RCWL-0515. Возможен, конечно, и пассивный вариант датчика движения, но тогда передатчик должен быть на подвижном объекте, а частота его сигнала известна и стабильна.

Изменение частоты при эффекте Доплера называют доплеровским смещением или доплеровской частотой Fd [6], которая зависит от частоты сигнала и скорости сближения или удаления. Для случая радиолокационного обнаружения Fd = 2-V0-cosaA, где Vo — скорость движения объекта; а — угол между направлением движения объекта и направлением на него; X — длина волны колебания. Цифра 2 означает, что сигнал проходит удвоенное расстояние, т. е. до объекта и обратно. Так как А. = Vc/Fc, где Vc — скорость распространения сигнала; Fc — частота сигнала, то Fd= 2-Vo>cosa-Fc/Vc. Из этого выражения видно, что Fd тем больше, чем больше частота сигнала Fc и меньше скорость его распространения Vc. Кроме того, если объект перемещается перпендикулярно направлению на датчик, тогда cosoc = 0, значит и Fd = 0, т. е. датчик движение регистрировать не будет.

Поэтому становится понятным, почему для повышения чувствительности и разрешающей способности датчиков движения, работающих в диапазоне радиоволн, требуется увеличивать частоту сигнала. За счёт того, что скорость распространения звуковых волн на несколько порядков меньше скорости распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, эффект Доплера сильнее проявляется при распространении именно звуковых волн.

Приведённое выражение позволяет оценить частоту Доплера в датчике RCWL-0515 для случая, когда Гс = 2,7 ГГц и объект приближается к нему или удаляется от него со скоростью Vo = 5 км/ч (пешеход): Fd = 2-V0-Fc/Vc = 25 Гц, где Vc — скорость света. Если акустический датчик движения будет работать на ультразвуковой частоте Fc = 40 кГц, для того же случая Fd= 2*VO-FC/VC = 336 Гц, где Vc — скорость звука. В обоих случаях при удалении объекта частота будет со знаком минус, при приближении — со знаком плюс.

Таким образом, в датчике движения должны быть генератор сигнала, приёмно-передающая антенна, преобразователь частоты (смеситель) и анализирующее устройство, которое вырабатывает сигнал в зависимости от того, присутствуют вблизи него движущиеся объекты или нет. По сути, получается так называемый автодинный приёмник [7].


Все эти элементы есть и в датчике RCWL-0515. Его упрощённая функциональная схема, поясняющая принцип работы, показана на рис. 3. Антенна А1 обеспечивает передачу сигнала СВЧ-генератора G1 и приём отражённого сигнала. В смесителе U1 происходит преобразование сигнала. Активный фильтр Z1 выделяет низкочастотный сигнал и усиливает его. Пороговое устройство A4 срабатывает, когда уровень низкочастотного сигнала превышает определённый уровень. Формирователь А5 вырабатывает выходной сигнал определённой длительности. Если в датчике RCWL-0515 установить фоторезистор R, устройство будет реагировать на уровень освещённости. Когда она достаточна, пороговое устройство A3 блокирует формирование выходного сигнала. Взамен фоторезистора можно установить, например, терморезистор соответствующего номинала, и тогда датчик будет включаться или выключаться при определённой температуре окружающей среды. Если установить проволочную перемычку, работа датчика будет блокирована. Питание всех узлов осуществляется от стабилизатора напряжения А2.


Схема датчика RCWL-0515 показана на рис. 4. Она составлена на основе платы (см. рис. 1, рис. 2) и описания датчика в [2]. Нумерация элементов — произвольная, поскольку на печатной плате она отсутствует. На транзисторе VT1 (BFR520 [8]) собран СВЧ-генератор. Частотозадающими элементами служат конструктивная катушка индуктивности L', конденсатор С и некоторые другие элементы на плате. Эти элементы составляют открытую резонансную систему, которая одновременно выполняет и функции антенны. Кроме того, транзистор VT1 работает как смеситель, перемножая сигнал генератора и отражённый сигнал. Результирующий низкочастотный сигнал через ФНЧ R6C7 поступает на дальнейшую обработку.

Таким образом, каскад на транзисторе VT1 и его обвязка выполняют функции узлов А1, G1 и U1 одновременно (см. рис. 3). Остальные узлы размещены в специализированной микросхеме ТТ1712В, информацию о которой найти не удалось, но это в данном случае не имеет большого значения. Вероятно, активный фильтр Z1 (см. рис. 3) собран на встроенном в микросхему ОУ, вход которого — вывод 2, а выход — вывод 1. В цепь обратной связи включены элементы R5, R7—R9, С6, С8. Конденсатор С6 определяет нижнюю границу полосы пропускания — 1,5...2 Гц, а конденсатор С8 определяет верхнюю границу полосы пропускания — около 20 Гц. На частоте более 20 Гц усиление уменьшается плавно. Резисторы R5, R7—R9 служат для установки требуемого коэффициента усиления. Резистор R5 (маркировка на плате — G+) на плате не установлен, он служит для увеличения коэффициента усиления. Резистор R8 (маркировка на плате — G-) на плате также не установлен, он служит для уменьшения коэффициента усиления. Пороговое устройство A4 (см. рис. 3) встроено в микросхему, и как оно работает, пока неизвестно.


Цепь R13C11 задаёт длительность выходного сигнала, который вырабатывает формирователь А5 при срабатывании датчика. Этот сигнал (без нагрузки) — с уровнями лог. 1 — 3,3 В и лог. О — О В. На выходе датчика установлен токоограничивающий резистор R14, что позволяет подключать к нему светодиод, лучше красного или зелёного свечения. В описании на датчик RCWL-0515 приведена информация о том, что при указанных на схеме номиналах цепи R13C11 длительность выходного сигнала — 5...6 с. При установке дополнительно конденсатора С12 (маркировка на плате Т+) ёмкостью 10 нФ длительность составит 50...60 с, а с конденсатором ёмкостью 100 нФ — 500...600 с. Очевидно, что постоянная времени цепи R13C11, даже с дополнительным конденсатором С12, на много порядков меньше длительности выходного сигнала. Это наводит на мысль о том, что цепь R13C11 является задающей для RC-генератора, импульсы которого подсчитывает встроенный в микросхему счётчик. Это подтвердилось после проверки формы напряжения на конденсаторе С11, которая показана на рис. 5.

Пока датчик не сработал, на этом конденсаторе присутствует напряжение около 3,3 В. При срабатывании датчика начинает работать встроенный релаксационный генератор, и конденсатор С11 заряжается и разряжается между напряжениями 1,2 В и 2,25 В. Частота следования импульсов с указанными на схеме номиналами цепи R13C11 — около 20 кГц. Эти импульсы подсчитывает (по-видимому, двоичный десятиразрядный) счётчик, при переполнении которого RC-генератор останавливается и выходной сигнал датчика становится равным нулю. При дальнейшем срабатывании датчика, скорее всего, счётчик обнуляется, и формирование выходного сигнала начинается заново.

Если датчик обнаружит движение во время действия выходного импульса, отсчёт его длительности начнётся заново.

Вывод 3 микросхемы DA1 работает как вход Enable, который позволяет активировать или дезактивировать формирование выходного сигнала. Напряжение активации — около 0,7 В, но не более 3,3 В. При напряжении менее 0,7 В на выводе 3 микросхемы датчик неактивен. Это необходимо учитывать при подключении фоторезистора (терморезистора), для которого предназначено посадочное место с маркировкой CDS. Для подстройки порога срабатывания можно использовать дополнительный резистор R10, который на плате не имеет маркировки, а посадочное место для него находится в левом нижнем углу платы на рис. 1.

Все узлы, встроенные в микросхему, а также каскад на транзисторе питаются от стабилизатора напряжения 3,3 В, встроенного в микросхему. Благодаря этому датчик работает при большом интервале питающих напряжений, а потребляемый ток при этом остаётся практически постоянным. Питающее напряжение подаётся на вывод 5 микросхемы, а стабилизированное напряжение снимается с вывода 8.

Самое естественное применение датчика RCWL-0515 — в сигнализаторе о несанкционированном проникновении в охраняемое помещение, автомате включения освещения, подсветки и т. д. Но выходного напряжения (3,3 В) и тока датчика в большинстве случаев недостаточно для включения какого-либо исполнительного устройства, и потребуется применение дополнительного каскада на полевом или биполярном транзисторе.

Для подключения акустического сигнализатора можно применить каскады, схемы которых показаны на рис. 6. Для указанных на схеме элементов можно использовать маломощные сигнализаторы, например, НРМ14АХ, НРМ24АХ, AW1B23TSP, SC235B, SCT235, SUL516, SULM516 и аналогичные. Если же необходимо включать мощную сирену со встроенным генератором, лучше применить схему на рис. 6,6 и мощный полевой транзистор с малым напряжением открывания, например, IRLB3034 или аналогичный.


Для управления электромагнитным реле дополнительный каскад можно собрать по одной из схем, показанных на рис. 7. Здесь номинальное напряжение реле должно соответствовать напряжению питания. Контактами реле можно включать и выключать различные устройства, в том числе и питающиеся от сети 230 В. Но эти контакты должны быть рассчитаны на это напряжение и ток, потребляемый устройством.

В некоторых случаях при срабатывании датчика RCWL-0515 длительности импульса на его выходе может быть недостаточно. Тогда можно установить дополнительный конденсатор С12 с маркировкой на плате Т+ (см. рис. 4). Если этот вариант не подходит и требуется оперативная регулировка длительности импульса, можно применить расширитель импульса на логической микросхеме (рис. 8).


Работает он следующим образом. В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, конденсатор С1 разряжен, на входах логического элемента DD1.1 высокий логический уровень, поэтому на его выходе низкий уровень. При появлении выходного сигнала датчика RCWL-0515 полевой транзистор открывается и конденсатор С1 быстро заряжается практически до напряжения питания. В этом случае на нижнем по схеме входе элемента DD1.1 будет низкий уровень, а на выходе — высокий. Поскольку длительность выходного импульса датчика RCWL-0515 5...6 с, этого времени достаточно для зарядки конденсатора С1. Резистор R1 ограничивает ток зарядки, а благодаря применению логического элемента с переключательной характеристикой триггера Шмитта выходной сигнал устройства имеет прямоугольную форму и крутые фронт и спад. После окончания выходного импульса датчика RCWL-0515 транзистор VT1 закроется и конденсатор С1 будет медленно разряжаться через резисторы R1—R3. При этом ток разрядки, а значит, и её продолжительность определяет в первую очередь резистор R2. Если в это время на выходе датчика RCWL-0515 появится импульс, конденсатор С1 будет снова заряжен и выдержка времени начнётся сначала. Когда конденсатор разрядится примерно до третьей части напряжения питания, логический элемент DD1.1 переключится в состояние с низким уровнем на входе. Длительность выходного импульса расширителя зависит от ёмкости конденсатора С1 и введённой части сопротивления резистора R2. Для получения стабильной выдержки следует применить конденсатор с малым током утечки.