- Електричні принципові схеми
- Схема ємнісного сенсорного датчика
- Схема сенсорного вимикача
- Конструкція і деталі ємнісних сенсорних датчиків
- Сенсорного датчика присутності
- Конструкція і деталі ємнісного сенсорного вимикача
- Універсальна друкована плата
Датчиком місткості - це один з типів безконтактних датчиків, принцип роботи якого заснований на зміні діелектричної проникності середовища між двох обкладок конденсатора. Однією обкладанням служить сенсорний датчик схеми у вигляді металевої пластини або дроти, а другий - електропровідне речовина, наприклад, метал, вода або тіло людини.
При розробці системи автоматичного включення подачі води в унітаз для біде виникла необхідність застосування ємнісного датчика присутності і вимикача, що володіють високою надійністю, стійкістю до зміни зовнішньої температури, вологості, пилу і живлячої напруги. Хотілося також виключити необхідність дотику людини з органами управління системи. Пред'являються вимоги могли забезпечити тільки схеми сенсорних датчиків, що працюють на принципі зміни ємності. Готової схеми задовольняє необхідним вимогам не знайшов, довелося розробити самостійно.
Вийшов універсальний ємнісний сенсорний датчик, який не вимагає настройки і реагує на наближаються електропровідні предмети, в тому числі і людини, на відстань до 5 см. Область застосування пропонованого сенсорного датчика не обмежена. Його можна застосовувати, наприклад, для включення освітлення, систем охоронної сигналізації, визначення рівня води і в багатьох інших випадках.
Електричні принципові схеми
Для управління подачею води в біде унітазу знадобилося два ємнісних сенсорних датчика. Один датчик потрібно було встановити безпосередньо на унітазі, він повинен був видавати сигнал логічного нуля при присутності людини, а при відсутності сигнал логічної одиниці. Другий ємнісний датчик повинен був служити вмикачем води і перебувати в одному з двох логічних станів.
При тому, що піднесло до сенсора руки датчик повинен був міняти логічне стан на виході - з вихідного одиничного стану переходити в стан логічного нуля, при повторному дотику руки з нульового стану переходити в стан логічної одиниці. І так до нескінченності, поки на сенсорний вмикач надходить дозволяючий сигнал логічного нуля з сенсорного датчика присутності.
Схема ємнісного сенсорного датчика
Основою схеми ємнісного сенсорного датчика присутності є задає генератор прямокутних імпульсів, виконаний за класичною схемою на двох логічних елементах мікросхеми D1.1 і D1.2. Частота генератора визначається номіналами елементів R1 і C1 і обрана близько 50 кГц. Значення частоти на роботу ємнісного датчика практично не впливає. Я міняв частоту від 20 до 200 кГц і впливу на роботу пристрою візуально не помітив.
З 4 виведення мікросхеми D1.2 сигнал прямокутної форми через резистор R2 надходить на входи 8, 9 мікросхеми D1.3 і через змінний резистор R3 на входи 12,13 D1.4. На вхід мікросхеми D1.3 сигнал надходить з невеликою зміною нахилу фронту імпульсів через встановленого датчика, що представляє собою шматок дроту або металеву пластину. На вході D1.4, через конденсатора С2, фронт змінюється на час, необхідний для його перезарядження. Завдяки наявності підлаштування резистора R3, є можливість фронти імпульсу на вході D1.4, виставити рівним фронту імпульсу на вході D1.3.
Якщо наблизити до антени (сенсорному датчику) руку або металевий предмет, то ємність на вході мікросхеми DD1.3 збільшиться і фронт надходить імпульсу затримаються в часі, щодо фронту імпульсу, що надходить на вхід DD1.4. щоб «вловити» цю затримку про інвертовані імпульси подаються на мікросхему DD2.1, що представляє собою D тригер, що працює в такий спосіб. За позитивного фронту імпульсу, що надходить на вхід мікросхеми C, на вихід тригера передається сигнал, який в той момент був на вході D. Отже, якщо сигнал на вході D не змінюється, що надходять імпульси на рахунковий вхід C не впливають на рівень вихідного сигналу. Це властивість D тригера і дозволило зробити простий ємнісний сенсорний датчик.
Коли ємність антени, через наближення до неї тіла людини, на вході DD1.3 збільшується, імпульс затримується і це фіксує D тригер, змінюючи своє вихідний стан. Світлодіод HL1 служить для індикації наявності напруги живлення, а HL2 для індикації наближення до сенсорного датчика.
Схема сенсорного вимикача
Схему ємнісного сенсорного датчика можна використовувати і для роботи сенсорного вимикача, але з невеликою доопрацюванням, так як йому необхідно не тільки реагувати на наближення тіла людини, але і залишатися в сталому стані після видалення руки. Для вирішення цього завдання довелося до виходу сенсорного датчика додати ще один D тригер, DD2.2, включений за схемою подільника на два.
Схема ємнісного датчика була трохи доопрацьована. Для виключення помилкових спрацьовувань, так як людина може підносити і видаляти руку повільно, через наявність перешкод датчик може видавати на рахунковий вхід D тригера кілька імпульсів, порушуючи необхідний алгоритм роботи вимикача. Тому була додана RC ланцюжок з елементів R4 і C5, яка на невеликий час блокувала можливість перемикання D тригера.
Тригер DD2.2 працює так само, як і DD2.1, але сигнал на вхід D подається не з інших елементів, а з інверсного виходу DD2.2. В результаті по позитивному фронту імпульсу, що приходить на вхід С сигнал на вході D змінюється на протилежний. Наприклад, якщо в початковому стані на виводі 13 був логічний нуль, то піднісши руку до сенсора один раз, тригер перемкнеться і на виводі 13 встановиться логічна одиниця. При наступному впливі на сенсор, на виводі 13 знову встановиться логічний нуль.
Для блокування вимикача при відсутності людини на унітазі, з сенсора на вхід R (установка нуля на виході тригера незалежно від сигналів на всіх інших його входах) мікросхеми DD2.2 подається логічна одиниця. На виході ємнісного вимикача встановлюється логічний нуль, який по джгута подається на базу ключового транзистора включення електромагнітного клапана в Блоці харчування і комутації.
Резистор R6, при відсутності блокуючого сигналу з ємнісного датчика в разі його відмови або обриву керуючого дроти, блокує тригер по входу R, тим самим виключає можливість мимовільної подачі води в біде. Конденсатор С6 захищає вхід R від перешкод. Світлодіод HL3 служить для індикації подачі води в біде.
Конструкція і деталі ємнісних сенсорних датчиків
Коли я почав розробляти сенсорну систему подачі води в біде, то найбільш важким завданням мені здавалася розробка ємнісного датчика присутності. Обумовлено це було поруч обмежень по установці і експлуатації. Не хотілося, щоб датчик був механічно пов'язаний з кришкою унітазу, так як її періодично треба знімати для мийки, і не заважав при санітарній обробці самого унітазу. Тому і вибрав в якості реагує елемента ємність.
Сенсорного датчика присутності
За вище опублікованій схемі зробив дослідний зразок. Деталі ємнісного датчика зібрані на друкованій платі, плата розміщена в пластмасовій коробці і закривається кришкою. Для підключення антени в корпусі встановлений одноштирьковий роз'єм, для подачі напруги живлення і сигналу встановлено чотирьох контактний роз'єм РШ2Н. З'єднана друкована плата з роз'ємами пайкою мідними провідниками в фторопластовою ізоляції.
Сенсорний ємнісний датчик зібраний на двох мікросхемах КР561 серії, ЛЕ5 і ТМ2. Замість мікросхеми КР561ЛЕ5 можна застосувати КР561ЛА7. Підійдуть і мікросхеми 176 серії, імпортні аналоги. Резистори, конденсатори і світлодіоди підійдуть будь-якого типу. Конденсатор С2, для стабільної роботи ємнісного датчика при експлуатації в умовах великих коливаннях температури навколишнього середовища потрібно брати з малим ТКЕ.
Встановлено датчик під майданчиком унітазу, на якій встановлений зливний бачок в місці, куди в разі протікання з бачка вода потрапити не зможе. До унітазу корпус датчика приклеєний за допомогою двостороннього скотча.
Антенний датчик ємнісного сенсора є відрізком мідного багатожильного проводу довгою 35 см в ізоляції з фторопласту, приклеєного за допомогою прозорого скотчу до зовнішньої стінки чаші унітазу на сантиметр нижче площини очка. На фотографії сенсор добре видно.
Для настойки чутливості сенсорного датчика необхідно після його установки на унітаз, змінюючи опір підлаштування резистора R3 добитися, щоб світлодіод HL2 погас. Далі покласти руку на кришку унітазу над місцем знаходження сенсора, світлодіод HL2 повинен загорятися, якщо руку прибрати, згаснути. Так як стегно людини по масі більше руки, то при експлуатації сенсорний датчик, після такого налаштування, буде працювати гарантовано.
Конструкція і деталі ємнісного сенсорного вимикача
Схема ємнісного сенсорного вимикача має більше деталей і для їх розміщення знадобився корпус більшого розміру, та й з естетичних міркувань, зовнішній вигляд корпусу, в якому був розміщений сенсорний датчик присутності не надто підходив для установки на видному місці. Увага на себе звернула настінна розетка rj-11 для підключення телефону. За розмірами вона підходила і мала гарний зовнішній вигляд. Видаливши з розетки все зайве, розмістив в ній друковану плату ємнісного сенсорного вимикача.
Для закріплення друкованої плати в основі корпусу була встановлена коротка стійка і до неї за допомогою гвинта прикручена друкована плата з деталями сенсорного вимикача.
Датчик ємнісного сенсора зробив, приклеївши на дно кришки розетки клеєм «Момент» лист латуні, попередньо вирізавши в них віконце для світлодіодів. При закриванні кришки, пружина (взята від кремінної запальнички) стикається з латунним листом і таким чином забезпечується електричний контакт між схемою і сенсором.
Кріпиться ємнісний сенсорний вмикач на стіну за допомогою одного шурупа. Для цього в корпусі передбачено отвір. Далі встановлюється плата, роз'єм і закріплюється засувками кришка.
Налаштування ємнісного вимикача практично не відрізняється від настройки сенсорного датчика присутності, описаного вище. Для настоянки потрібно подати напругу живлення і резистором відрегулювати, щоб світлодіод HL2 загорявся, коли до датчика підноситься рука, і гас, при її видаленні. Далі потрібно активувати сенсорний датчик і піднести і видалити руку до сенсора вимикача. Повинен моргнути світлодіод HL2 і спалахнути червоний світлодіод HL3. При видаленні руки червоний світлодіод повинен продовжувати світитися. При повторному піднесенні руки або видаленні тіла від датчика, світлодіод HL3 повинен згаснути, тобто вимкнути подачу води в біде.
Універсальна друкована плата
Представлені вище ємнісні датчики зібрані на друкованих платах, кілька відрізняються від друкованої плати наведеної нижче на фотографії. Це пов'язано з об'єднанням обох друкованих плат в одну універсальну. Якщо збирати сенсорний вмикач, то необхідно тільки перерізати доріжку під номером 2. Якщо збирати сенсорний датчик присутності, то віддаляється доріжка номер 1 і в повному обсязі елементи встановлюються.
Чи не встановлюються елементи, необхідні для роботи сенсорного вимикача, але заважають роботі датчика присутності, R4, С5, R6, С6, HL2 і R4. Замість R4 і С6 запаюються дротові перемички. Ланцюжок R4, С5 можна залишити. Вона не буде впливати на роботу.
Нижче наведено малюнок друкованої плати для накатки при використанні термічного методу нанесення на фольгу доріжок.
Досить роздрукувати малюнок на глянцевому папері або кальці і шаблон готовий для виготовлення друкованої плати.
Безвідмовна робота ємнісних датчиків для сенсорної системи управління подачі води в біде підтверджена на практиці протягом трьох років постійної експлуатації. Збоїв в роботі не зафіксовано.
Однак хочу зауважити, що схема чутлива до потужних імпульсних перешкод. Мені приходило лист про допомогу в налаштуванні. Виявилося, що під час налагодження схеми поруч знаходився паяльник з тиристорним регулятором температури. Після виключення паяльника схема запрацювала.
Ще був такий випадок. Ємнісний датчик був встановлений в світильник, який підключався в одну розетку з холодильником. При його включенні світло включався і при повторному вимикався. Питання було вирішене підключенням світильника в іншу розетку.
Приходив лист про успішне застосування описаної схеми ємнісного датчика для регулювання рівня води в накопичувальному баку з пластика. У нижній і верхній частині було приклеєно силіконом по датчику, які управляли включенням і вимиканням електричного насоса.
