Текст книги "Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником"
Автор книги: Генрих Кардашев
Жанр:
Технические науки
сообщить о нарушении
Текущая страница: 14 (всего у книги 19 страниц)
«Дверь бесшумно отворилась, и голый [инженер Щукин] с радостным воем вбежал в затопленную квартиру. Шумели краны. Вода в столовой образовывала водоворот. В спальне она стояла спокойным прудом, по которому тихо, лебединым ходом, плыли ночные туфли. Сонной рыбьей стайкой сбились в угол окурки. Воробьяниновский стул стоял в столовой, где было наиболее сильное течение воды. Белые бурунчики образовались у всех его четырех ножек»…
Прервем на этом печально-комическом месте зрелище, представшее перед взором изумленного Великого комбинатора – Остапа Бендера, и задумаемся, а как в принципе можно предотвратить подобные наводнения. Кроме того, возможны ведь и прямо противоположные случаи: позарез нужна вода, а ее, как на грех, забыли накачать в бак или необходимо поливать цветы в Ваше отсутствие и т. д.
Итак, проблема заключается в регулировке количества воды.
Вполне понятно, что «Электроника» в умелых руках поможет элементарно решить эти и подобные им проблемы. Поскольку нас интересует автоматизированная (а в будущем и вовсе автоматическая) система, то независимо от ее конкретного назначения она должна состоять из датчика, различающего наличие воды в данном месте, и сигнального устройства либо еще и автомата, выполняющего заданную программу. Для начала проанализируем работу простейшего устройства для индикации уровня воды в баке.
Датчик уровня воды Мастер КИТ NM4012
Вода, как электролит, обладает удельным сопротивлением примерно 1 МОм·см-1, что позволяет сделать кондуктометрический преобразователь в виде двух «погружных» электродов. Для этого можно использовать две прямоугольные пластинки из одностороннего «фольгированного» стеклотекстолита размерами 10x50 мм и сложить их (фольгой внутрь) через промежуточные изолирующие втулки на расстоянии 3…5 мм. Припаяв к электродам изолированные проводники, получим простейший «датчик воды» (см. верхнюю часть рис. 110).
Рис. 110. Датчик уровня воды Мастер КИТ NM4012 (общий вид)
Минимальное сопротивление датчика будет, когда он полностью заполнится водой и составит примерно 100 кОм. В баке датчик надо располагать перпендикулярно зеркалу воды вблизи дна, если требуется сигнал о том, что бак пуст или команда на включение насоса, и, соответственно, вблизи верхнего допустимого уровня – для сигнализации или команды на отключение насоса. Два подобных датчика с соответствующей логикой в принципе могут обеспечить полную автоматизацию.
Подобный же датчик, размещенный на полу квартиры, можно использовать также для отключения воды при аварии в вашей квартире. Правда, в этом случае потребуются еще и электромагнитные клапаны, но их можно «добыть»» из старых «стиралок»». Этот же датчик может включить и тревожную сирену – Alarm, которая поднимет на ноги всех соседей, если вас заливают сверху! Чем не «Интеллектуальный дом»»?
Однако сам по себе датчик ничего не сделает. Сигнал с него еще надо получить и отработать. Как это делается, посмотрим на модели в программе EWB. Схемная модель показана на рис. 111.
Рис. 111. Виртуальная модель в EWB датчика уровня воды Мастер КИТ NM4012
Устройство представляет собой пороговый элемент на составном транзисторе (VT1, VT2) по схеме Дарлингтона, смонтированный на универсальной печатной плате А401, имеющей контактные площадки 1…8. С этой платой мы познакомились в самом начале нашего вхождения в электронику (см. рис. 57).
«Датчик воды» – Sensor – в виртуальной модели на рис. 111 представлен в виде переменного резистора R8, включенного к выводам 2 и 3. Сопротивление датчика регулируется управляющей клавишей [S]. При уменьшении сопротивления датчика ниже порогового транзисторы открываются и загорается светоизлучающий диод VD1. Резистор R2 и конденсатор С1 служат для снижения вероятности ложного срабатывания устройства. Переменный резистор R1 является «подстроечным». В модели его величина регулируется клавишей [R], а в процессе эксплуатации он может быть определен по величине и заменен постоянным.
Питание устройства осуществляется от источника постоянного напряжения 6…15 В. (Эти величины должны быть согласованы с параметрами светоизлучающего диода.) В модели использована батарея Е1 на 12 В.
Для наблюдения работы устройства в режиме сигнализатора включаем моделирование, затем переводим выключатель питания [Space] в нижнее положение и, последовательно нажимая клавишу [S], уменьшаем сопротивление датчика (как бы заливаем его водой).
В некотором положении [S] стрелки на светоизлучающем диоде «зачернятся» (это анимация его горения – см. рис. 110, а). Дополнительно можно параллельно поднимать чувствительность, нажимая клавиши Shift+[R]. Обратные процедуры приведут к погасанию индикатора.
Спецификация компонентов, использованных в конкретном устройстве, приведена в таблице.
Технические характеристики устройства
Номинальное напряжение питания… 6…15 В
Ток нагрузки… 75 мА
Размер печатной платы… 30x45 мм
Общий вид устройства показан на рис. 110.
Рассмотренные устройства могут быть снабжены дополнительными исполнительными органами и датчиками. Например, в модели на рис. 111 это электромагнитное реле (Rele) и двигатель (М), в качестве которых использованы электромагнитное реле и двигатели из библиотеки программы. Диод VD2 служит для защиты транзисторов и от повторных срабатываний реле, а резистор R9 для подбора совместного режима работы усилителя и реле. В реальном устройстве потребуется подобрать соответствующее по чувствительности реле с необходимой коммутируемой мощностью. Для решения ряда задач можно также рекомендовать специальные исполнительные элементы.
Исполнительный элемент Мастер КИТ NK146
Этот блок, собирается по аналогичной схеме (рис. 112).
Рис. 112. Исполнительный элемент Мастер КИТ NK146
Технические характеристики исполнительного элемента
Номинальное напряжение питания… 6-15 В
Управляющее напряжение… 3-12 В при токе >5 мА
Коммутируемый ток нагрузки… 6 А при 220 В
Размер печатной платы… 32x25 мм
Внимание! При переходе от устройств с батарейным питанием к устройствам, которые питаются от электросети напряжением 220 В, строго соблюдайте правила электробезопасности при монтаже, наладке и эксплуатации.
Двигатель М в модели использован для демонстрации ее работоспособности: при срабатывании датчика перекидной контакт реле подключает двигатель к источнику Е2 и он начинает «работать». Вольтметр V играет роль тахометра (RPM – Revolution Per Minute – обороты в минуту). Условно 1 вольту соответствует 1 оборот вала в минуту (моделирование двигателя было описано ранее: см. рис. 100).
Сборка и наладка устройства не представляет особого труда и рекомендуется начинающим радиолюбителям. Нет сомнений, что Ваша работа увенчается успехом, и «Умная электроника» охранит Вас от негаданных потопов, перегревов или вовремя напоит страждущих.
Рассмотренная модель и конкретное изделие далее могут самостоятельно дорабатываться. Например, при автоматическом поливе цветов надо поэкспериментировать с датчиками, работающими во влажном грунте, и т. д. Вообще же, приведенная схема является базовой для целой группы полезных устройств бытовой автоматики. Все они собираются по однотипной схеме на плате А401 и отличаются лишь входным первичным преобразователем информации («датчиком» или «сенсором») и, соответственно, несколькими компонентами, служащими для согласования датчиков с усилителем сигнала. Поэтому ограничимся лишь их кратким описанием.
Технические характеристики устройств
Номинальное напряжение питания… 6-15 В
Ток нагрузки… 75 мА
Размер печатной платы… 30x45 мм
За более подробными сведениями необходимо обратиться к технической документации, которой сопровождается каждый комплект Мастер КИТ. Помимо уровня воды часто требуется контролировать или регулировать ее температуру. Для этих целей предназначено термореле.
Термореле Мастер КИТ NM4016
Термореле (рис. 113, а) предназначено для управления различными исполнительными устройствами (электронагреватель, вентилятор и т. д.) для поддержания заданной температуры в некотором объеме.
Например, если поместить «термодатчик» в бак с водой, то «термореле» будет управлять включением/выключением электронагревательных приборов, тем самым, поддерживая определенную температуру воды. При токе нагрузки более 75 мА в качестве исполнительного устройства необходимо использовать электромагнитное реле (в комплект набора не входит), параметры которого должны соответствовать коммутируемому току нагрузки. Датчиком температуры служит «терморезистор» NTC73103/4,7 кОм. Температурный диапазон регулирования составляет: 20…120 °C.
Удобным дополнением к рассматриваемым системам домашней автоматики является минитаймер.
Рис. 113. Устройства домашней автоматики:
а – термореле Мастер КИТ NM4016; б – минитаймер NM4011
Минитаймер Мастер КИТ NM4011
Этот миниатюрный таймер (рис. 113, б) предназначен для формирования сигналов задержки включения/выключения исполнительного устройства. Такой таймер можно использовать, например, для включения/выключения проекционной лампы при печати фотографий и т. д. Таймер имеет регулировку времени задержки и индикатор состояния исполнительного устройства, максимальный ток которого не должен превышать 75 мА. При токе нагрузки более 75 мА необходимо использовать промежуточное электромагнитное реле (в комплект набора не входит), параметры которого должны соответствовать коммутируемому току нагрузки.
Датчиком служит специальная тактовая кнопка, а регулировка времени выдержки выполняется «подстроенным» резистором. Для получения больших задержек емкость рабочего конденсатора увеличена и составляет 470 мкФ.
Сенсорный выключатель Мастер КИТ NM4013
Миниатюрный сенсорный выключатель (рис. 114) предназначен для включения исполнительных устройств (электронных игрушек, настольных ламп, бытовой техники и т. д.) легким прикосновением к сенсорному датчику.
Рис. 114. Сенсорный выключатель Мастер КИТ NM4013
Выключатель имеет индикатор срабатывания. Небольшие габаритные размеры и надежность позволяют устанавливать датчик в любом удобном месте, удаленном от исполнительного устройства. При токе нагрузки более 75 мА в качестве исполнительного устройства необходимо использовать электромагнитное реле (в комплект набора не входит), параметры которого должны соответствовать коммутируемому току нагрузки.
Датчиком служат специально изготовленная из фольгированного стеклотекстолита пластинка размерами 10x10 мм, показанная в верхней части рис. 114. Пластинка имеет гребенчатую структуру прорезей в токопроводящем покрытии. Геометрию этого сенсора можно изменить и экспериментально подобрать соответствующую чувствительность устройства.
Фотоприемник Мастер КИТ NM4014
Миниатюрный фотодатчик (рис. 115) предназначен для управления различными устройствами в зависимости от освещенности.
Рис. 115. Фотоприемник Мастер КИТ NM4014
Например, с наступлением темноты, фотодатчик включит освещение на улице и в подъезде вашего дома, а на рассвете – выключит. Предусмотрена регулировка порога срабатывания, а также индикация включения исполнительного устройства, ток нагрузки которого не должен превышать 75 мА. При токе более 75 мА в качестве исполнительного устройства необходимо использовать электромагнитное реле (в комплект набора не входит), параметры которого должны соответствовать коммутируемому току нагрузки.
Небольшие размеры, наличие индикатора, простота подключения и надежность позволяют устанавливать датчик в любом удобном месте, удаленном от исполнительного устройства. В качестве первичного преобразователя в устройстве используется фоторезистор СФЗ-1 или MPY54C569.
Несколько более сложным по изготовлению и наладке является устройство, относящееся к противопожарным системам.
Сигнализатор задымленности Мастер КИТ NK291
Этот прибор позволяет обнаружить дым в помещении и включить сигнал тревоги. Устройство (рис. 116) создано на базе инфракрасного барьера.
Рис. 116. Сигнализатор задымленности Мастер КИТ NK291
Барьер представляет собой область между излучающим светодиодом и фотоприемником. Инфракрасные лучи, проходя через область дыма, попавшего в барьер, подвергаются рассеянию и поглощению. В результате сигнал, принимаемый фотоприемником, уменьшается и срабатывает реле, включающее сигнал тревоги.
В качестве сигнала тревоги могут быть использованы различные звуковые сирены или световые эффекты.
Сигнализатор питается от стабилизированного источника с напряжением 12 В, минимальный ток потребления 150 мА. Размеры печатной платы: 59x45мм. Рекомендуемый корпус: G024.
Сигнализатор задымленности устанавливается под потолком помещения и предназначен для любительского применения: он не может заменить профессиональные противопожарные системы, проходящие необходимую сертификацию в соответствующих службах.
Неслышимые звуки«Мухтар, ко мне!»
Ультразвуки
Человеческий орган слуха путем длительной эволюции приобрел вполне определенную АЧХ, зависящую от конкретного индивидуума, но в среднем имеющую вид полосно-пропускающего фильтра с нижней границей среза на 20 Гц и верхней – на 20 кГц.
Область пропускания уха относится к звуку, колебания ниже 20 Гц – к инфразвуку, а выше 20 кГц – к ультразвуку. Общеизвестно, что чем выше частота колебаний (в волнах любой природы) и, соответственно, ниже длина волны, тем больше возможность их локализации в пространстве в виде направленных пучков, меньше размеры излучателей и приемников. Однако с ростом частоты растет поглощение волн, а мощность излучателей и чувствительность приемников имеют естественные физиологические или физические ограничения, поэтому существует оптимальная область частот для передачи и приема информации. Природа и человечество изобрели немало способов выхода из этой коллизии в зависимости от конкретных проблем.
Поскольку ультразвук не слышен человеческим ухом, то с его помощью можно скрытно передавать информацию объекту, обладающему обратными свойствами. Этот факт впервые интуитивно открыли безвестные средневековые браконьеры. Охотясь в заповедных королевских лесах Британии, они подавали не слышимые людям звуки своим натасканным собакам. Натасканные псы послушно приносили хитроумным хозяевам, подстреленную с помощью бесшумного же оружия (лук и стрелы), заветную дичь.
«Браконьерский свисток» со временем прошел через техническую эволюцию: превратился в милицейский (с переходом в звуковую область, ввиду противоположной задачи). Он лег в основу и ряда технологических ультразвуковых устройств, интенсифицирующих сложные гидро– и аэромеханические процессы (растворения, фильтрации, коагуляции и т. п.).
Акустические сигналы в виде упругих волн с частотой более 20 кГц используются в пультах дистанционного управления, барьерах охранной сигнализации, гидролокации, линиях задержки, для неразрушающего контроля материалов и т. п.
Мощные ультразвуковые колебания (интенсивностью более 1 Вт/см2) используют в технологии: для пайки алюминия (существуют специальные ультразвуковые паяльники), обезжиривания деталей, размерной механической обработки твердых материалов и т. п.
Ультразвук применяется также в медицине, как для диагностики и терапии, так и в хирургии. Источниками или приемниками ультразвука служат в большинстве случаев электроакустические преобразователи на основе пьезокерамических или магнитострикционных материалов.
Модель пьезокерамического излучателя
В пьезокерамическом излучателе пластинка пьезокристалла имеет металлизацию (обкладки, электроды) с двух сторон и специальный тип крепления. При переменном напряжении определенной частоты пластинка колеблется на этой частоте, излучая звуковые/ультразвуковые волны в окружающее пространство. Амплитуда этих вынужденных колебаний пьезоизлучателя зависит от амплитуды и частоты приложенного напряжения, геометрии, свойств материала пластинки и характера ее закрепления. Постепенно увеличивая частоту внешнего возбуждения, можно обнаружить, что АЧХ механических колебаний имеет резонансный характер, аналогичный кривой АЧХ последовательного электрического контура. Поэтому максимальная интенсивность излучения будет соответствовать возбуждению преобразователя на его резонансной частоте.
Поскольку пьезоизлучатель является колебательной электромеханической системой, то в его электрической модели механические элементы (эффективную колеблющуюся массу и эквивалентную упругость) можно заменить аналогичными электрическими: индуктивностью и емкостью. Потери на нагрев и излучение звука можно учесть резистивными элементами.
Модель пьезопреобразователя, как элемента электрической Цепи, можно представить в виде сложного R-L–C контура. Для этого обратимся к программе EWB.
Вышеизложенное позволяет выбрать в электрической схеме замещения (рис. 117, а) величины индуктивности Ls, моделирующей механическую инерцию (зависящую от массы колеблющейся пластинки, соединенных с ней элементов и «присоединенной массы» воздуха), колебательной емкости, моделирующей упругость пластинки при ее колебаниях Cs, и сопротивления Rs, связанного с внутренними потерями при циклических деформациях.
Здесь, как принято, индексом s отмечены параметры последовательного (serial) контура. Уточняя схему замещения, необходимо еще учесть собственную статическую емкость С0, образованную между обкладками пьезокварцевой пластинкой и проявляющуюся в отсутствие колебаний.
Рис. 117. Виртуальная модель в EWB пьезоизлучателя:
а – схема замещения; б – АЧХ; в – схема исследования модельного компонента; г – окно выбора модели; д – окно редактирования свойств
Поскольку нас в первую очередь интересует принцип действия устройства, то численные значения параметров выбраны несколько произвольно, но так, чтобы работа модели «полуколичественно» согласовывалась в дальнейшем со схемой возбуждающего генератора.
В данной схеме наблюдаются два резонанса (рис. 117, б) в последовательном контуре – резонанс напряжений (верхний пик) и в параллельном контуре резонанс токов (нижний пик), что хорошо видно на экране Боде-плоттера. Для параметров, указанных на схеме, резонансная частота последовательного контура примерно равна 22 кГц, а для параллельного – выше (67 кГц).
В разделе смесь программы EWB можно также открыть готовый схемный компонент Crystal (кристалл)
и собрать аналогичную схему для его исследования (рис. 117, в).
Свойства пьезокварца выбираются в соответствующих последовательно открываемых окнах (рис. 117, г, д).
Параметры выбранного резонатора Р соответствуют использованным в предыдущей схеме замещения (см. рис. 117, а), поэтому АЧХ, получаемая на Боде-плоттере, будет идентична показанной на рис. 117, б, и здесь не приводится.
Для исследования поведения реального излучателя можно воспользоваться следующим устройством.
Миниатюрный излучатель Мастер КИТ АК076
Внешний вид этого излучателя был показан (см. рис. 19, а); его технические характеристики таковы: полоса частот 2,5…45 кГц, размеры 30x14 мм.
Проведя опыты и ознакомившись с пьезоизлучателем, на его основе можно создать полезное устройство для дома, для семьи.
Ультразвуковой свисток для собак Мастер КИТ NK028
…Монмаранси всякий раз усаживался рядом и сопровождал исполнение заунывным воем…
«Какого черта он так воет, когда я играю?» – возмущался Джордж, запуская в него башмаком.
«А какого черта ты так играешь, когда он воет?» – продолжал Гаррис, подхватывая башмак, – «оставь его в покое. Как ему не выть! У него музыкальный слух, а от твоей игры поневоле завоешь».
Джером К. Джером. «Трое в одной лодке, не считая собаки»
У английского писателя Джерома К. Джерома не было ультразвукового свистка, не было у него и собственной собаки, до тех пор, пока он не приехал в Россию, где ему и подарили точно такого же фокстерьера, как воспетый им Монмаранси…
Сохранить покой окружающих ранним утром или поздним вечером во время прогулки с собакой Вам поможет не слышный человеческому уху ультразвуковой свисток. Чуткое ухо Вашего любимца мгновенно уловит ультразвуковой сигнал даже на сравнительно больших расстояниях, и эти сигналы не будут повторять несносных звуков банджо, которые извлекал Джордж. При желании вы сможете натренировать Вашу собаку адекватно реагировать на привычные команды в ультразвуковом исполнении…
Это компактное устройство может работать от батарейки. Набор укомплектован пьезоизлучателем.
Принципиальная схема устройства показана на рис. 118, а, собранной в виде виртуальной модели в программе EWB.
В модели сохранены параметры и позиционные обозначения оригинала. Устройство представляет собой обычный мультивибратор на двух NPN-транзисторах VT1 и VT2 и усилительный каскад на PNP-транзисторе VT3. Регулировка частоты повторения импульсов осуществляется резистором R6. На выход усилителя подключен пьезоизлучатель Р, параметры которого мы выбрали, как и ранее, в соответствии с рис. 117, д. Дополнительно в модель подключен осциллоскоп и «датчик тока» в нагрузке Ri.
Сделав необходимые установки на осциллоскопе, включив моделирование и питание (ключ Е), наблюдаем картину колебаний на экране осциллоскопа (рис. 118, б).
Рис. 118. Ультразвуковой свисток для собак Мастер КИТ NK028:
а – виртуальная модель в EWB; б – осциллограмма колебаний; в – общий вид
Верхний луч (канал А) регистрирует ток в преобразователе, а нижний (канал В) – напряжение на нем. Звуки, а точнее ультразвуки, воспроизводимые реальным устройством, в общих чертах будут похожи на кривую тока.
От виртуальности переходим к реальности.
Устройство монтируется на плате А501 размером 27x55 мм в соответствие с приложенным описанием и заключается в корпус BOX-G027. К устройству подключается батарейка с кнопкой и пьезоизлучатель (рис. 118, в).
Уровень и высота тона (в пределах 8…22 кГц) регулируются подстроечным резистором R6. Теперь предстоят «полевые испытания».
Запасаемся колбасой и отправляемся натаскивать своего четвероногого друга на нужные нам команды. Здесь полезно предварительно прочитать, как промышлял собаками бравый солдат Швейк. Впрочем, даже «мягкая дрессура» – занятие посложнее электроники…
«Не пройти, никогда, никакому врагу!»
В природе не только (и даже, пожалуй, не столько) собаки, но и в еще большей мере летучие мыши, дельфины и киты используют ультразвук для коммуникаций, определения различных целей и ориентации в пространстве.
После гибели «Титаника», когда он оказался фактически «слепым» в водной среде, и позже, в связи с разбоем немецких подводных лодок в водах Атлантики в период Первой мировой войны, многие задумались над тем, а как же можно «прозреть» в морских глубинах. Сама задача стояла и раньше: первые гидроакустические приборы «гидрофоны» испытывались в Галерной гавани Петербурга еще в конце XIX в., но в них не применялась пьезо– или магнитострикция, и поэтому они были весьма примитивными (не «браконьерский свисток», но близко к нему).
Творцом первого гидролокатора является наш соотечественник, к сожалению, несправедливо забытый, эмигрировавший из России задолго до революции сначала во Францию, а затем в США, К. В. Шиловский. Металлокварцевый излучатель ультразвука, созданный Шиловским, лег в основу так называемого «пакета Ланжевена», а используемая система гидролокации содержала все необходимые современные атрибуты: генератор электрических колебаний, излучатель, приемник и индикатор. В англоязычной литературе это устройство называется сонаром (SONAR – SOund Navigation And Randing – звуковая навигация и определение дальности), а в русскоязычной – гидролокатором. По аналогии с сонаром устройство, использующее радиоволны для радиообнаружения и определения дальности, назвали радаром (RADAR – Radio Detection And Randing), или радиолокатором.
В системах охранной сигнализации, предназначенных для обнаружения несанкционированного проникновения на объект (детекторы движения, барьеры), используются два идентичных преобразователя, один из которых служит излучателем, а другой – прием ником ультразвука. Возможна работа и с одним приемоизлучающим устройством на отраженных сигналах, в режиме переключения передача/прием. При пересечении ультразвукового пучка, созданного излучателем (невидимого и неслышимого), в приемнике возникает импульсный сигнал, отрабатываемый в соответствующей системе.
Примером подобной системы служит описываемый ниже «Ультразвуковой радар» NS167 (здесь слово «радар» использовано в условно-собирательном смысле), правильнее его назвать «Ультразвуковым локатором» или, пользуясь терминологией, принятой в охранных системах, «Ультразвуковым барьером».
Ультразвуковой барьер Мастер КИТ NS167
Ультразвуковой барьер предназначен для использования в качестве акустического датчика в охранной сигнализации. Это простое и интересное устройство позволяет обнаружить движение любых физических объектов в закрытом помещении или автомобиле (детектор движения). Устройство имеет регулировку чувствительности детектора. Максимальный радиус действия 10 м. Принципиальная схема барьера показана на рис. 119, а.
Схема устройства состоит из трех блоков: усилителя на биполярном транзисторе TR3 (типа ВС 547) и двух ОУ IC1 и IC2 (типа 741); логического устройства на двух элементах NAND (N3, N4) и двух биполярных транзисторах TR1, TR2 (также типа ВС 547); автогенератора ультразвуковых электрических колебаний на основе двух элементов NAND (N1, N2) и пьезопреобразователя Т (TRANSMITTER – передатчик), включенного в цепь ОС (выводы 5, 6). Здесь и далее выводы на плате обозначаются в круглых скобках, а на микросхеме без них. Элементы N1-N4, показанные на принципиальной схеме (в стандарте ANSI) в разнесенном виде, входят в состав КМОП микросхемы 4093 (аналог – К561ТЛ1) и представляют собой триггеры Шмитта, на входе каждого из которых стоит двухвходовой элемент NAND, причем они, кроме N4, использованы как инверторы.
Рис. 119. Ультразвуковой барьер Мастер КИТ NS167:
а – принципиальная схема; б – печатная плата и подключение внешних устройств; в – модель генератора; г – выбор пьезокварца; д – осциллограмма сигналов; е – разнесенная модель логического блока; ж – модель логического блока на микросхеме
Устройство смонтировано на печатной плате размером 50x88 мм (рис. 119, б). На вход усилителя (выводы (3),(4)) включается пьезоприемник R (RECIEVER – приемник), между выводами (2) и (9), обозначенными на рис. 119, б, как «ВЫХОД», через токоограничивающий резистор R18 = 470 Ом включается светоизлучающий диод (Light Emitting Diode) – LED. Между выводами (7), (8) включается тумблер SPTP, служащий для сброса системы в исходное (сторожевое) состояние после приема сигнала. Потенциометр Р1 служит для регулировки коэффициента усиления принимаемого сигнала, а Р2 – для регулировки рабочей частоты. Питание устройства осуществляется от источника постоянного напряжения 9…12 В, подключаемого к выводам 1, 2 (1 – «плюс», 2 – «земля»).
Моделирование работы устройства
Поскольку работа приемника и усилителя сигналов тривиальна, то смоделируем в программе EWB работу двух других основных блоков: генератора и логического устройства.
Модель генератора, в соответствии с принципиальной схемой, соберем из базовых логических элементов NOT, содержащих триггеры Шмитта (рис. 119, в). На приведенной схеме (и далее) сохранены позиционные обозначения моделируемого устройства (см. рис. 119, а).
В качестве пьезопреобразователя Т использована библиотечная модель на частоту 32,768 кГц марки R38 (raltron), выбираемая последовательным нажатием ЛKM на пиктограммы и
, с последующей буксировкой на рабочее поле и выбором в окне свойств кристалла (рис. 119, г).
Для наблюдения колебаний на выход генератора включен двухканальный осциллоскоп. Лучи разнесены по вертикали: канал А регистрирует постоянную составляющую, а В – переменную. Картина электрических колебаний показана на рис. 119, д для указанного на схеме (рис. 119, в) положения потенциометра Р2 50 %.
Уменьшая это значение нажатием на клавишу R или, напротив, увеличивая нажатием на Shift+R, можно регулировать частоту повторения импульсов в пределах примерно 10…100 кГц.
Реальный излучатель будет возбуждаться подобными импульсами и генерировать в окружающее пространство ультразвук в виде последовательности, состоящей из затухающих колебаний на его собственной частоте. Если частота возбуждения совпадет с собственной частотой, а затухание в системе (включая потери на излучение) будет невелико, то возникнет режим стационарных автоколебаний (наиболее выгодный для излучения).
Для моделирования работы логического блока соберем его модель (рис. 119, е).
Ультразвуковой пучок, попавший на приемник и далее усиленный, формирует высокий уровень на входе 2 элемента N3. В модели это представлено источником Е1, ключом с управляющей клавишей Space и резистором r = 100 кОм. На вход 1 этого же элемента через резистор R12 также подается высокий уровень, а выход с него (при двух высоких уровнях на входе – низкий уровень) через R14 поступает на транзисторную сборку типа Дарлингтона (TR1,TR2) и далее на светодиод LED. При низком уровне сигнала на выводе 3 светодиод не горит. Ключ К должен замыкать контакты (7) и (8), также поддерживая высокий потенциал точки (8) при низком на 3, 5, 6 и, соответственно, высоком на 4 и (7). Для моделирования прерывания ультразвукового пучка, размыкаем ключ Space: светодиод загорится (на схеме рис. 119, е две стрелки вблизи него, имевшие просвет в своих окончаниях, «зачернятся» ).
Не забудьте, разумеется, при проведении моделирования нажимать предварительно на виртуальный выключатель О/I, расположенный в верхнем правом углу окна. Однако после возврата ключа Space в этой модели в исходное состояние, светодиод опять гаснет, так как был использован элемент NAND без гистерезиса.
Поэтому соберем последнюю виртуальную модель, воспользовавшись библиотечным компонентом микросхемы 4093, и используем ее и для генератора, и для логического блока, как и предусмотрено в реальном устройстве. Эта модель показана на рис. 119, ж.
Перед проведением эксперимента в окне Analysis Options, для устойчивости счета, изменим две установки: примем в закладке Global RELTOL = 0.1 и в закладке Transient ITL4 = 100. Ключи Space и К – замкнуты, включаем моделирование. Светодиод не горит.
Нажимаем два раза Space (вход в луч и выход из него) – светодиод загорается и продолжает гореть. Система сработала – виртуальный нарушитель пойман, для приведения устройства в исходное состояние надо нажать ключ К и вернуть устройство в исходное состояние. Светодиод погас и система вновь готова к регистрации прерываний луча.
Для тех, кто «поднаторел» в электронике и хотел бы поработать с полной виртуальной моделью, приводим ее возможный вариант (рис. 120). Однако наладка подобных моделей – дело не простое, и лучше вначале отладить отдельные блоки, а затем, воспользовавшись техникой субблоков, собрать из них структурную схему-модель.
