Ультразвуковой датчик движения на эффекте Доплера

Ультразвуковой дальномер HC-SR04 (Ultrasonic Ranging Module HC-SR04) знаком многим радиолюбителям [1]. Он снабжён двумя ультразвуковыми преобразователями, один передающий, второй — приёмный, а принцип работы основан на измерении временного промежутка между излучённым и отражённым от предмета сигналами. Выходная информация этого дальномера заложена в длительности выходного импульса, чем длиннее импульс, тем дальше предмет. Чаще всего радиолюбители используют дальномер HC-SR04 совместно с микроконтроллерами, например, с платформой Arduino [2]. Но есть варианты его автономного использования [3], в частности, как датчик движения [4].

Датчик движения, описание которого приводится далее, тоже ультразвуковой, но работает по другому принципу — он использует эффект Доплера. Суть этого эффекта заключается в том, что если какой-либо объект является источником сигнала (электромагнитного или в данном случае акустического), в зависимости от того, приближается он к наблюдателю или удаляется, частота принимаемого сигнала будет отличаться от излучаемого. При сближении частота увеличивается, при удалении — уменьшается. Наличие этих изменений свидетельствует о том, что объект движется, и при желании можно определить его скорость.


Этот эффект свойственен всем электромагнитным и другим распространяющимся колебаниям и широко используется в полицейских радарах, системах безопасности автомобилей, а также более простых устройствах, например, в СВЧ-датчиках движения RCWL-0515 и RCWL-0516 [5]. Подробнее об одном из этих датчиков и эффекте Доплера рассказано в [6].

Изменение частоты при эффекте Доплера называют доплеровским смещением или доплеровской частотой Fd [7], которая зависит от частоты сигнала и скорости сближения или удаления. Для активного датчика движения, когда сигнал сначала излучается, а затем принимается: Fa = 2-Vo-cosa-Fc/Vc, где Vo — скорость движения объекта; а — угол между направлением движения объекта и направлением на него; Vc — скорость звука; Fc — частота сигнала. Цифра 2 означает, что сигнал проходит удвоенное расстояние до объекта. Поэтому Fd тем больше, чем больше частота сигнала Fc и меньше скорость его распространения Vc. Кроме того, когда cosa = 0, это означает, что объект перемещается перпендикулярно направлению на датчик и Fd = 0, т. е. датчик движение регистрировать не будет.

Поэтому задача датчика движения, работающего по такому принципу, — определить доплеровское смещение частоты. Сделать это можно, сравнив частоты излучаемого и отражённого сигналов. В этом поможет так называемый автодинный приёмник. Определение такого приёмника приведено в [8]: "(от Авто... и греческого dÿnamis — сила, способность) радиоприёмник с положительной обратной связью, в котором одновременно происходят процессы генерирования на частоте, отличной от принимаемой, и детектирования, в результате чего выделяется разность генерируемой и принимаемой частот в виде биений. Автодин служит для приёма на слух телеграфных сигналов по методу биений и для приведения в действие автоматических устройств. Автодинными преобразователями называются генерирующие преобразователи частоты".

Именно автодинный приёмник и реализован в предлагаемом датчике движения. Схема устройства показана на рис. 1. На транзисторе VT1 собран упомянутый в определении генерирующий преобразователь частоты, по сути это просто LC-генератор, собранный по схеме ёмкостной трёхточки. В качестве ультразвукового приёмника и передатчика использован ультразвуковой преобразователь от дальномера HC-SR04, предположительно это преобразователь серии ТСТ40-16Т2 или AW8T40-16ОА00, AW8R40-16OA00. Его резонансная частота — 40±1 кГц, а вблизи неё его сопротивление носит индуктивный характер, за счёт этого и получается LC-генератор, работающий вблизи частоты механического резонанса преобразователя. Напряжение питания генератора стабилизировано интегральной микросхемой DA1.


Излучаемый преобразователем НА1 ультразвуковой сигнал генератора с частотой FTX отражается от объекта, принимается тем же преобразователем и преобразуется в электрический сигнал с частотой Frx, который смешивается с сигналом генератора и получаются сигналы с частотами Fra ± FRX. Частота Доплера будет разностной: Fd = FTX - FRX или Fd = Frx - Fp,, в зависимости от того, удаляется объект или приближается. Когда объект неподвижен, FTX = FRX и Fd=0-

Сигнал с частотой Доплера через ФНЧ R3C4 поступает на усилитель на ОУ DA2.1 с полосой пропускания от постоянного тока до примерно 330 Гц. Коэффициент усиления можно изменять подстроечным резистором R4. После усиления сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ DA2.2, который работает как компаратор. На неинвертирующий вход поступает постоянное напряжение с движка подстроечного резистора R7, которым устанавливают порог срабатываний компаратора. На этот резистор напряжение подаётся с выхода ОУ DA2.1 через ФНЧ R6C8 с частотой среза в несколько герц.

В исходном состоянии выходное напряжение ОУ DA2.2 будет близко к нулю. Если в зоне действия датчика будет движущийся объект, в преобразователе частоты появится сигнал с частотой Доплера, который после усиления поступит на инвертирующий вход компаратора в качестве переменной составляющей. Если амплитуда этого сигнала превысит порог компаратора, на выходе ОУ DA2.2 появятся импульсы напряжения, которые и являются сигналом о наличии движущегося объекта. Далее эти импульсы можно использовать для управления какими-либо устройствами.

Все элементы устройства смонтированы на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 ...1,5 мм, её чертёж показан на рис. 2. Применены постоянные резисторы МЛТ, С2-23, подстроечные резисторы — PVC6A (РОС6АР), СПЗ-19. Оксидные конденсаторы — К50-35, конденсаторы С1 и СЗ должны быть с небольшим ТКЕ, подойдут плёночные, которые можно взять из драйвера КЛЛ, остальные конденсаторы — плёночные или керамические выводные. Дроссель L1 — из драйвера КЛЛ, его индуктивность 3...5 мкГн, он намотан на гантелевидном магнитопроводе диаметром 6 мм. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 3.

Налаживание датчика сводится к установке коэффициента усиления резистором R4 и порога компаратора резистором R7. Этими настройками можно получить максимальную дальность действия датчика около 3 м. Потребляемый устройством ток — 10 мА.

Выходной сигнал этого датчика — пачки импульсов со случайной длительностью, и они напрямую не годятся, например, для включения на какое-то время осветительного прибора или сигнала тревоги. В этом случае потребуется специальный формирователь импульсов, который и будет управлять осветительными или сигнальными устройствами. Схема такого формирователя показана на рис. 4 [4]. При этом резистор R9 (на схеме датчика) будет ненужным. Формирователь представляет собой одновибратор (формирователь одиночного импульса), который запускается выходным сигналом датчика движения.


Этот сигнал поступает на верхний по схеме вход логического элемента DD1.1 (вывод 2). В исходном состоянии конденсатор С9 разряжен, поэтому на выходе элемента DD1.1 будет лог. 1, а на выходе элемента DD1.2 — лог. О, транзистор VT2 закрыт и нагрузка обесточена. Когда на выходе датчика появляется серия импульсов, через конденсатор С9 напряжение лог. 1 поступает на нижний по схеме вход логического элемента DD1.1, и на его выходе появляется лог. О, а на выходе элемента DD1.2 — лог. 1. Транзистор VT2 открывается, и на его нагрузку (например, светодиодный светильник) поступает питающее напряжение.

Одновибратор остаётся в таком состоянии до тех пор, пока конденсатор С9 зарядится примерно до половины напряжения питания. Если в это время с выхода датчика будут поступать импульсы, время выдержки одновибратора не изменится. После зарядки конденсатора С9 одновибратор переключится, транзистор VT2 закроется и нагрузка обесточится, а конденсатор быстро разрядится через выход элемента DD1.2 и его вход со встроенным защитным диодом. После этого одновибратор снова готов к срабатыванию. Чертёж печатной платы датчика с одновибратором показан на рис. 5. Здесь можно применить такие же детали, как и у датчика.

Если применить мощный полевой транзистор, который указан на схеме, он сможет управлять мощной светодиодной лентой или светильником с напряжением питания 12 В. Если в качестве нагрузки применить электромагнитное реле, его контакты могут управлять устройствами, питающимися от сети 230 В. Контакты реле должны быть рассчитаны на коммутацию сетевого напряжения.