Схема акустического датчика в радиолюбительских конструкциях

В первой рассмотренной схеме датчик акустического типа собран на основе пьезоэлектрического звукового излучателя, реагирует на различные вибрации в поверхности, к которой он прислонен. Основа других конструкции - типовой микрофон.

Этот датчик будет эффективен в том случае, если контролируемая им поверхность является хорошим проводником акустических волн (металл, керамика, стекло и т.п). Акустическим преобразователем в данной радиолюбительской конструкции является типовой пьезоэлектрический звуковой излучатель от китайского мультиметра типа М830. Он представляет собой округлый пластмассовый корпус, в котором размещается латунная пластина. На её поверхности, противоположной корпусу имеется пьезоэлектрический элемент, наружная сторона которого посеребрена. Провода выходят от посеребренной поверхности и от латунной пластины. Датчик, на контролируемую поверхность необходимо установить так, чтобы его пластмассовый корпус хорошо контактировал с контролируемой поверхностью. При установке акустического преобразователя на стекло для увеличения чувствительности можно вытащить излучатель из корпуса и прикрепить так, чтобы к стеклу была прижата его гладкая латунная поверхность.

При воздействии на поверхность, с которой контактирует преобразователь В1 в нем генерируются электрические колебания, которые усиливаются предварительным усилителем и преобразуются в логические импульсы компаратором на ОУ А1. Чувствительность устройства регулируют подстроечным сопротивлением R3. Если генерируемое напряжение, появляющееся в преобразователе превышает порог чувствительности ОУ. На его выходе образуются логические импульсы носящие хаотический характер.

Логическое устройство построено на микросборке К561ЛА9. Схемотехническая реализация представляет собой типовой одновибратор по схеме RS-триггера, с блокировкой входа. При подаче напряжения, от источника питания триггер переключается в единичное состояние и остается невосприимчивым к входным импульсам в течении времени пока идет зарядка конденсатора С2 через резистор R6. После завершения зарядки этой емкости триггер разблокируется.

С поступлением первого импульса от акустического датчика триггер переключается в нулевое состояние. Транзисторный ключ VT1-VT2 отпирается и подсоединяет нагрузку реле или сирену из системы охранной сигнализации. (Нагрузку подсоединяют параллельно диоду VD2). При этом начинается зарядка емкости С3 через резистор R13. Пока эта зарядка идет триггер удерживается в нулевом состоянии. Затем, он сбрасывается в единичное и нагрузка отключается.

Для исключения зацикливания схемы из-за собственных акустических колебаний, созданных сиреной существует цепочка C4-R11, которая будет блокировать вход логического устройства, и откроет его только через небольшой временной интервал после отключения нагрузки. Заблокировать логическую схему можно нажатием тумблера S1. Конструкция вернется в рабочий режим через 10 секунд после отпускания тумблера S1. Напряжение питания U п должно лежать в интервале 5-15 Вольт.

Предварительное усиление сигнала происходит в левой части схемы. VT1 типа КТ361 или его более современный аналог, на базу которого через емкость С2 следует сигнал с микрофона M1, который вместе с сопротивлением R4 образует однокаскадный микрофонный усилитель. Транзистор VT2 типа КТ315 является типовым эмиттерным повторителем и осуществляет функцию динамической нагрузки первого каскада. Ток им потребляемый, не должен превышать 0,4-0,5 мА.

Дальнейшее усиление сигнала осуществляется микросхемой DA1 типа КР1407УД2 с малым током потребления. Он включен по схеме дифференциального усилителя. Поэтому синфазные помехи наводимые в соединительных проводах отлично подавляются. Коэффициент ослабления синфазных входных напряжений составляет 100 дБ. Сигнал снимаемый с нагрузочных сопротивлений R6 и R7 следует через конденсаторы С3 и С4 на инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ DA1. Коэффициент усиления сигнала можно регулировать путем изменения номиналов сопротивлений R8 и R9. Сопротивления R10, R11 и емкость С5 создают искусственную среднюю точку, в которой напряжение равно половине напряжения блока питания. Сопротивлением R13 задаем необходимый ток потребления микросхемы.

На рисунке ниже показана схема простого высоко чувствительного звукового датчика, который управляет нагрузкой при помощи реле. В разработке применен электретный микрофон, при использовании ECM необходим резистор R1 сопротивление от 2,2 кОм до 10 кОм. Первые два биполярных транзистора представляют собой предварительный микрофонный усилитель, R4 С7 в данной схеме устраняют нестабильность усилителя.

После усилителя на BC182B акустический сигнал поступает на выпрямитель на диодах 1N4148 и конденсаторе С5, полученное постоянное напряжение после выпрямителя управляет работой транзистора BC212B, который в свою очередь управляет реле.

Вариант 2

Схема проста и в наладке не нуждается, к недостаткам можно отнести следующее: реле реагирует на любые громкие звуки, особенно на низких частотах. Кроме того наблюдалась нестабильная работа конструкции при минусовой температуре.

С помощью описываемой конструкции можно определить работает или нет механизм, расположенный в другом помещении или здании. Информацией о работе является вибрация самого механизма. Конструкция достаточно проста и содержит минимум деталей.

В системах автоматизации часто приходится определять состояние какого либо устройства или механизма просто на уровне «включено - выключено», или «работает - не работает». Достаточно реальный и наглядный пример - это насос в миникотельной.

Сам котел с устройством управления (контроллером) может быть расположен в одном помещении, а насос, создающий давление в системе отопления, в другом. И даже не просто в разных комнатах, а вообще в соседних зданиях.

Как же сообщить контроллеру о том, что насос включен и работает? Конечно, в более простых системах может использоваться не контроллер, а простой и дешевый сигнализатор для привлечения внимания оператора.

Способов тут можно найти несколько. Например, используя дополнительный контакт пускателя, включающего насос: контакт замкнут, следовательно, насос работает. Хотя, по каким-то причинам, может и не работать. К тому же на пускателе не всегда есть незадействованный контакт. Это является еще одним недостатком такой схемы.

Кроме этого способа можно получить сигнал о работе насоса, применив токовый датчик. Такой сигнал будет более объективно отражать работу устройства в целом, нежели вышеупомянутый контакт. Недостатком данного способа является вмешательство в схему электропривода.

Как же проконтролировать работу установки не вмешиваясь в ее схему? Оказывается достаточно просто, если вспомнить о том, что упомянутый насос при работе создает шум и вибрацию. Такими же свойствами обладают и многие другие устройства: электромагниты, мощные трансформаторы, просто механические части электропривода. На этих «вредных» свойствах и основана работа описываемого ниже датчика работы механизмов. Подобными датчиками также можно контролировать состояние устройства оснащенного двигателем внутреннего сгорания или дизелем.

В работе датчика в большей степени, нежели шум, используется вибрация, поэтому при его установке следует найти место механизма, где вибрация достаточна для срабатывания датчика. При этом в месте установки датчика не желательна повышенная температура. Принципиальная схема датчика показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема датчика работы механизма (чтобы увеличить схему кликните по рисунку).

Схема достаточно проста и содержит всего 3 транзистора. Принцип ее работы очень напоминает работу схемы автостопа в магнитофонах: пока идут импульсы с датчика движения магнитной ленты, сигнал остановки механизма не вырабатывается. Лента замялась или кончилась - механизм остановился.

В нашем случае датчиком вибраций является электретный микрофон М1, сигнал с которого через конденсатор С2 подается на усилитель, выполненный на транзисторе VT1. Через конденсатор С3 переменная составляющая усиленного сигнала подается на выпрямитель, выполненный по схеме удвоителя напряжения. Выпрямленное напряжение заряжает конденсатор С4, поэтому транзистор VT2 будет открыт (на коллекторе низкий уровень напряжения). Этот низкий уровень удерживает в закрытом состоянии транзистор VT3, поэтому реле Р1 отключено и сигнал тревоги на контроллер или сигнализатор не поступает. В эмиттере транзистора VT3 установлен диод VD4. Это так называемый фиксатор уровня, который обеспечивает более надежное закрытие транзистора.

В случае остановки механизма вибрации прекращаются, и микрофону улавливать становится просто нечего. Поэтому импульсы на коллекторе транзистора VT1 прекращаются, и конденсатор С4 разряжается. Поэтому транзистор VT2 закрывается, а VT3 открывается и включает реле Р1, контакты, которого сообщают контроллеру об аварийной ситуации.

Налаживание устройства

Налаживание устройства несложно. Прежде всего, с помощью резистора R2 на коллекторе транзистора VT1 следует установить напряжение примерно около половины напряжения питания. В этом случае транзистор VT1 будет работать в линейном режиме, т.е. как усилитель сигнала.

Второй этап настройки это установка уровня чувствительности всего датчика в целом при помощи переменного резистора R4. Для этого следует перевести его движок в нижнее по схеме положение. Это минимальная чувствительность датчика, реле в это случае будет включено. Затем, поместив микрофон в том месте, где он будет установлен, вращением подстроечного резистора R4 добиться выключения реле. При выключении механизма реле должно включиться вновь.

Детали и конструкция

Если предполагается изготовление нескольких экземпляров датчика, то лучше всего схему собрать на печатной плате. Наиболее просто ее изготовить по лазерно - утюжной технологии. Если требуется всего один экземпляр, то его вполне приемлемо собрать навесным монтажом. Собранную плату следует поместить в пластмассовый корпус с элементами крепления.

Транзисторы VT1, VT2 можно заменить на КТ3102 с любым буквенным индексом, КТ503 на КТ815 или КТ972. Все диоды можно заменить любыми высокочастотными маломощными, например КД521, КД503.

Все резисторы типа МЛТ-0,25 или импортные. Электролитические конденсаторы также проще купить импортные на рабочее напряжение не менее 25В.

В качестве реле Р1 допустимо применение любого малогабаритного реле, возможно также импортного, с напряжением срабатывания 12В. Питание устройства возможно от маломощного источника, например от китайского сетевого адаптера.

При самостоятельном изготовлении блока питания потребуется трансформатор мощностью не более 5 Вт, с напряжением вторичной обмотки около 15 В. Проще всего такой источник собрать на базе интегрального стабилизатора 7812. Подобную схему найти достаточно легко, поэтому ее описание здесь не приводится.

CMA-4544PF-W или аналогичны;

1 Электретный капсюльный микрофон CMA-4544PF-W

Мы воспользуемся готовым модулем, в котором присутствует микрофон, а также минимально необходимая обвязка. Приобрести такой модуль можно .

2 Схема подключения микрофона к Arduino

Модуль содержит в себе электретный микрофон, которому необходимо питание от 3 до 10 вольт. Полярность при подключении важна. Подключим модуль по простой схеме:

• вывод "V" модуля - к питанию +5 вольт,
• вывод "G" - к GND,
• вывод "S" - к аналоговому порту "A0" Arduino.

3 Скетч для считывания показаний электретного микрофона

Напишем программу для Arduino, которая будет считывать показания с микрофона и выводить их в последовательный порт в милливольтах.

Const int micPin = A0; // задаём пин, куда подключён микрофон void setup() { Serial.begin(9600); // инициализация послед. порта } void loop() { int mv = analogRead(micPin) * 5.0 / 1024.0 * 1000.0; // значения в милливольтах Serial.println(mv); // выводим в порт }

Для чего может понадобиться подключать микрофон к Arduino? Например, для измерения уровня шума; для управления роботом: поехать по хлопку или остановиться. Некоторые даже умудряются «обучить» Arduino определять разные звуки и таким образом создают более интеллектуальное управление: робот будет понимать команды «Стоп» и «Иди» (как, например, в статье «Распознавание голоса с помощью Arduino»).

4 «Эквалайзер» на Arduino

Давайте соберём своеобразный простейший эквалайзер по приложенной схеме.

5 Скетч «эквалайзера»

Немного модифицируем скетч. Добавим светодиоды и пороги их срабатывания.

Const int micPin = A0; const int gPin = 12; const int yPin = 11; const int rPin = 10; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(gPin, OUTPUT); pinMode(yPin, OUTPUT); pinMode(rPin, OUTPUT); } void loop() { int mv = analogRead(micPin) * 5.0 / 1024.0 * 1000.0; // значения в милливольтах Serial.println(mv); // выводим в порт /* Пороги срабатывания светодиодов настраиваются вами экспериментальным методом: */ if (mv }

Эквалайзер готов! Попробуйте поговорить в микрофон, и увидите, как загораются светодиоды, когда вы меняете громкость речи.

Значения порогов, после которых загораются соответствующие светодиоды, зависят от чувствительности микрофона. На некоторых модулях чувствительность задаётся подстроечным резистором, на моём модуле его нет. Пороги получились 2100, 2125 и 2150 мВ. Вам для своего микрофона придётся определить их самим.

Используется для слежения за уровнем шума или обнаружения громких сигналов: хлопков, стуков или свиста.

Элементы платы

Микрофон и электронная обвязка модуля

Микрофон преобразует звуковые колебания в колебания электрического тока. Если этот сигнал напрямую подключить к аналоговым входам микроконтроллера, такого как Arduino, результат скорее всего будет неудовлетворительным. Сигнал с микрофона предварительно необходимо усилить, избавиться от отрицательной полуволны и сгладить сигнал. Все эти действия выполняет электронная обвязка модуля.

Почему мы не можем просто взять любой микрофон? Этому есть несколько причин.

Во-первых, сигнал от микрофона очень слаб. Настолько, что, если мы подключим его к аналоговому входу Arduino, то analogRead всегда будет возвращать 0 . Перед тем как использовать, сигнал с микрофона необходимо усилить.

Во-вторых, даже усиленный звуковой сигнал - это всегда колебания. Поэтому показания микрофона очень зависят от того, в какой момент времени произошло измерение напряжения микроконтроллером. Даже при самом громком хлопке analogRead может вернуть 0 .

Как видим, даже измерение максимальных значений амплитуды не даст четкую информацию об уровне громкости. Чтобы получить эту информацию, нужно делать измерения максимально часто и подвергать эти данные математической обработке. Численной характеристикой громкости является площадь под графиком звуковой волны. Именно её и «считает» электронная обвязка микрофона.

Потенциометр регулировки чувствительности

Потенциометр регулирует коэффициент усиления усилителя сигнала с микрофона. Он бывает полезен, если необходимо изменить условия срабатывания вашего устройства без изменения его прошивки. Чем выше чувствительность модуля, тем выше доля помех в полезном сигнале датчика. Мы рекомендуем начинать работу с модулем при среднем положении потенциометра. В таком случае чувствительность модуля будет легко изменить в любую сторону.

Контакты подключения трёхпроводного шлейфа

Модуль подключается к управляющей электронике двумя трёхпроводными шлейфами .

Назначение контактов трёхпроводного шлейфа:

Питание (V) - красный провод. На него должно подаваться напряжение от 3 до 5 В.

Земля (G) - чёрный провод. Должен быть соединён с землёй микроконтроллера.

Сигнал датчика шума (E) - жёлтый провод. Через него происходит считывание сигнала датчика уровня шума микроконтроллером.

Вторым шлейфом с пина S снимается сигнал аналогового микрофона.

Видеообзор

Пример использования

Отобразим показания датчика шума и микрофона на экране компьютера. В качестве управляющего микроконтроллера возьмём Arduino.

Самодельные датчики

На рис. 1 представлено устройство усилителя слабых сигналов. Устройство реализовано на двух однотипных кремниевых транзисторах п-р-п проводимости, обладающих высоким коэффициентом усиления (80- 100 по току). При звуковом воздействии на микрофон ВМ1 переменный сигнал поступает в базу транзистора VT1 и усиливается им. С коллектора транзистора VT2 снимается выходной сигнал, управляющий периферийными или исполнительными устройствами отрицательным фронтом.

Электрическая схема чувствительного акустического датчика на биполярных транзисторах

Оксидный конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения источника питания. Резистор обратной связи R4 предохраняет усилитель слабых сигналов от самовозбуждения.

Выходной ток транзистора VT2 позволяет управлять маломощным электромагнитным реле с рабочим напряжением 5 В и током срабатывания 15...20 мА. Расширенная схема акустического датчика показана на рис. 3.9. В отличие от предыдущей схемы она отличается дополнительными возможностями регулировки усиления и инверсии выходного сигнала.

Расширенная схема акустического датчика

Регулировка усиления слабых сигналов с микрофона ВМ1 осуществляется переменным резистором R6 (см. рис. 2). Чем меньше сопротивление данного резистора, тем больше усиление транзисторного каскада на транзисторе VT1. При длительной практике эксплуатации рекомендуемого узла удалось установить, что при сопротивлении резистора R6 равным нулю возможно самовозбуждение каскада. Чтобы его избежать, последовательно с R6 включают еще один ограничительный резистор сопротивлением 100- 200 Ом.

Электрическая схема акустического датчика с возможностью инверсии выходного сигнала и регулировкой усиления

На схеме показаны два выхода, с которых снимается управляющий сигнал для последующих схем и оконечных электронных узлов. С точки "ВЫХОД 1" снимают управляющий сигнал с отрицательным фронтом (который появляется при звуковом воздействии на микрофон ВМ1). С точки "ВЫХОД 2" соответственно инверсный сигнал (с положительным фронтом).

Благодаря применению в качестве оконечного токового усилителя полевого транзистора КП501А (VT2) устройство снижает потребление тока (относительно предыдущей схемы), а также Имеет возможность управления более мощной нагрузкой, например, исполнительным реле с током включения до 200 мА. Этот транзистор можно заменить на КП501 с любым буквенным индексом, а также на более мощный полевой транзистор соответствующей конфигурации.

Эти простые конструкции в налаживании не нуждаются. Все они испытаны при питании от одного и того же стабилизированного источника с напряжением 6 В. Потребляемый ток конструкции (без учета тока потребления реле) не превышает 15 мА.