Очень простой конструктор инфракрасного датчика. Смастерит даже начинающий!

В сегодняшнем небольшом обзоре конструктор инфракрасного датчика, собрав который можно освоить азы конструирования электронных устройств, получив гарантированный результат и применить в доме, хозяйстве.
Подробности под катом.
Сразу пару слов о том, как работает устройство и в чем его отличие от популярного датчика движения HC-SR501.
Упомянутый и лично испробованный в нескольких повторенных сборках датчик HC-SR501 реагирует на появление в поле зрения тела, излучающего в инфракрасном диапазоне и на его движение. Если в поле зрения датчика излучающий тепло объект остановится (замрет), то датчик через некоторое время отключит нагрузку, например, лампу.
Обозреваемый же датчик реагирует на появление любой преграды в зоне действия. Далее включает нагрузку и не выключает ее до тех пор, пока преграда не будет удалена из его дежурной зоны. При этом преграда может быть любой, лишь бы отражала инфракрасное излучение.
К покупателю приезжает небольшой пакет с платой и россыпью электронных компонентов.



Внутри никакой инструкции нет и она, собственно, не нужна. Со сборкой справится любой начинающий радиолюбитель, усвоивший различия между диодами, резисторами, конденсаторами и другими не очень замысловатыми компонентами. Простота сборки обусловлена наличием надписей на плате, что при должном внимании не позволит допустить ошибок.



На изготовлении платы могли и сэкономить, используя геттинакс, но все же сделали из стеклотекстолита, что уже лучше и в плане изоляционных свойств, и в плане эстетики. Особо придраться, учитывая не сложность устройства, не к чему. Единственное что потребовало чуть больше внимания во время сборки, это установка диодов D6, D7, D8 – их изображение не слишком четкое, но разобраться можно.




«Сердцем» датчика является микросхемаCD4093ВЕ, включающая в себя четыре логических элемента 2И-НЕ с триггерами Шмитта. Ее полным аналогом является хорошо известная «местная» микросхема К1561ТЛ1.
Если в процессе сборки что-то «пойдет не так» и микросхема выпустит главный компонент – белый дым, то для ее быстрой замены в комплекте предусмотрена панель. Она же не даст начинающему радиогубителю перегреть микросхему в процессе пайки – сначала впаиваем панель, потом вставляем микросхему.



Исполнительный узел датчика реализован с помощью реле – именно оно подключает и отключает нагрузку. В комплект входит реле HK4100F-DC12V-SHC на 250 Вольт и 3 Ампера переменного тока, т.е. данное реле позволяет подключать довольно приличную нагрузку.




Из конденсаторов применены три керамических конденсатора емкостью 0,1 мкф и два электролитических на 16 Вольт – 47 и 100 мкФ.



Диоды взяли самые распространенные — два штуки 1N4007 и три 1N4148 (аналог –КД522Б).



Транзисторов в схеме пять штук – четыре структуры pnp — S9012 и один структуры npn — S9013.



Для настройки времени задержки выключения нагрузки в конструкции датчика применено подстроечное сопротивление на 1 МОм, для подключения нагрузки – колодка с винтовыми зажимами и пины для подключения питания.



Предпоследними элементами конструктора являются светодиод с красной линзой (индикация подключения нагрузки), излучающий инфракрасный диод с прозрачной линзой и приемник инфракрасного излучения с темной линзой. Несмотря на разное назначение при похожем внешнем виде анодом у них одинаково является длинный вывод.



И завершает композицию кучка резисторов с цветовой маркировкой. Здесь ссылка на онлайн-калькулятор цветовой маркировки, но проще (если еще не помните наизусть) воспользоваться мультиметром.



Резисторов, как часто бывает в китайских конструкторах, положили с походом – невостребованным остался резистор на 5,1 МОм.
Весьма неплохо, что на странице товара магазин разместил схему устройства. На ней же я дорисовал как подключать нагрузку.



Сборка никаких трудностей не вызывает, лишь внимательно смотрим на плату и компоненты. Все подписано и нарисовано. Сборку лучше начинать с самых мелких деталей – резисторов, диодов и конденсаторов. Как и отметил выше, немного проблемные при установке, в силу своих габаритов, диоды D6, D7, D8. Далее впаиваются элементы больших габаритов, включая панель под микросхему. Реле удобнее всего впаивать в последнюю очередь – так оно не будет мешать установке других элементов. Чтобы не перепутать при установке излучающий диод с принимающим можно подсмотреть на фото готовой конструкции на странице товара или внимательно изучить схему.
В финале получается аккуратная плата с габаритами обусловленными размерами платы и высотой реле.







Излучающий и принимающий диоды пока установил на максимальную длину выводов – моделировать буду по месту окончательной установки устройства.
В дежурном режиме, когда ИК излучение от излучающего диода уходит в пространство не встречая препятствий, составляет 32 мА. При этом красный светодиод рядом с реле и колодкой не светится.



Как только на пути ИК излучения появляется объект способный отражать в ИК диапазоне, датчик срабатывает, включая реле. Потребление схемы повышается до 52-53 миллиампер, что немного и для питания схемы можно воспользоваться безтрансформаторным блоком питания.



Немного адаптированное описание алгоритма работы схемы датчика со страницы товара:
1. Силовая цепь: входной источник питания 12 В, D5 может предотвратить обратную полярность источника питания, R7 — ограничивает, C2, фильтр C4.
2. Инфракрасная измерительная схема: генератор состоит из UIC, R10, R11, D6 и С5. Он выводит импульсный сигнал от выводов 10 U1. После усиления Q4 он управляет инфракрасным излучающим диодом D2, чтобы излучать инфракрасные сигналы в пространство. Если этот сигнал не заблокирован препятствием, инфракрасный приемник DI не может принять сигнал, поэтому схема наблюдения не работает. Когда перед D2 существует препятствие (например, дрожание руки перед D2), передаваемый инфракрасный сигнал отражается назад от препятствия. Он будет принят DI. Усилен на Q1 и Q2. Наконец, усиленный инфракрасный сигнал будет выводиться на R3. UIA будет выполнять выбор частоты и формирование UID для окончательного вывода на 11-контактный U1.
3. R5, VR1, C3 составляют схему задержки. Настройка VRI позволяет отрегулировать время задержки. Время задержки схемы регулируется в диапазоне 0-40 секунд. (фактическая задержка может немного отличаться).
4. Схема управления выключателем: Q3, QS, K1 составляют цепь управления переключателем. Если DI принимает сигнал, он, наконец, выдает сигнал управления нижнего уровня после задержки на 4-м выводе UI, так что Q3, Q5 будут включены и K1 будет закрыт. D3 — индикатор состояния реле.

На практике выглядит намного проще:
— можно путать полюса питания – не сгорит благодаря защитному диоду;
— время задержки выключения после удаления препятствия у меня получилось от 0 до 35 секунд;
— при включенном реле горит красный светодиод;
— реле не отключит нагрузку до тех пор, пока есть препятствие для ИК излучения;
— реле включается моментально, как только появляется препятствие.

К моему сожалению, область применения данного датчика довольно ограничена в силу того, что он имеет маленькую дежурную зону – всего 30 см от излучателя с приемником ИК излучения. На большем расстоянии он на препятствия не реагирует.
В остальном свои задачи конструктор выполняет и позволяет:
— занятно и с пользой провести время;
— получить вполне работоспособное устройство с гарантированным положительным результате;
— освоить навыки сборки для начинающих;
— сделать первые шаги в автоматизации (а далее ардуино, умные дома и т.д.)).
Большой плюс, что не отключает нагрузку при наличии препятствия в дежурной зоне.





Где можно применить?
Например, для подсветки клавиатуры на выдвижной полке стола. Нужно лишь датчик закрепить на боковой стенку стола, а на крышке уголок-препятствие. Крышка с уголком приближается к датчику, и он включает подсветку.



Приблизительно по такому же принципу работают смесители воды с инфракрасным датчиком – поднесли руки, открывается клапан, течет вода.