Ultraljudslarmkrets med hjälp av luftdetektering

Prova Vårt Instrument För Att Eliminera Problem





Den enkla ultraljudslarmkretsen som förklaras nedan upptäcker en brandfarlig situation genom att plocka upp variationerna i de omgivande luftvågorna eller luftturbulensen. Kretsens höga känslighet säkerställer att även den minsta luftturbulensen som skapas av en temperaturskillnad eller brand snabbt upptäcks och en ansluten larmanordning avges.

Översikt



Konventionella brandsensorer använder olika system för att identifiera brand, och de kommer med alla möjliga komplexiteter.

Ett vanligt brandlarmsystem använder en temperatursensor för att känna den ovanligt höga temperaturvariansen som orsakas av en brand.



Det är inte grundläggande att endast en elektronisk del som en termistor eller en halvledartemperaturanordning används, men enkelt material som en smältbar länk med låg temperatur eller en bimetall-temperaturomkopplare.

Även om enkelheten hos sådana larmtyper är att föredra är deras tillförlitlighet ifrågasatt eftersom detektering endast sker när en brand redan har mognat.

Mer komplexa brandlarmsystem finns, till exempel rökdetektorer som är utrustade med en distinkt halvledardel som känner av förekomsten av rökpartiklar, brännbar gas och ånga.

Annat än det finns det optoelektronisk brandlarmsystem som utlöses när rök av någon form blockerar deras ljusstrålar. En sådan typ av branddetekteringssystem publicerades på Hobby Electronics.

Värmedetektering med Doppler Shift

En ny metod för branddetektering med ultraljud beskrivs i denna artikel. Med samma driftsprinciper som den berömda Doppler Shift ultraljudslarm , detta branddetekteringssystem är oerhört känsligt för turbulens i luften, förutom det fasta föremålets rörelse.

Värmen från en elektrisk eld ger enorm turbulens och utlöser larmet. Ofta utlöses falska larm på grund av turbulensen. Som ett resultat är denna typ av brandlarm perfekt för ett hem även om människor som bor i det ofta inte skulle uppskatta det.

Hur ljuddiskriminering händer

En nackdel med att använda ett Doppler Shift-inbrottslarm som brandlarm är det massiva detekteringsområdet som denna enhet levererar. På något sätt, här visar det sig vara en välsignelse eftersom snabb upptäckt blir möjlig även om en brand startar i ett litet hörn av detekteringsområdet.

Standardprincipen för konventionella brandlarm är att upptäcka bränder medan man ignorerar människor som krypterar runt i rummet. Detta är avgörande eftersom larmsystemet är inställt på att köra tills det är aktiverat.

Ett typiskt ultraljud Doppler Shift-larm skiljer inte mellan människor och turbulens. Därför är det vettigare för ett brandlarmsystem att använda en krets som styr ett litet arbetsområde.

Larmenheten kan placeras på en plats i rummet där mänsklig rörelse är minimal, men ändå snabbt kunna identifiera turbulensen till följd av en brand.

System fungerar

Ett grundläggande ultraljudslarm är utrustat med två oberoende kretsar som är anslutna via samma strömförsörjning.

Den enklare elektroniska kretsen verkar en sändare som avger enhetliga ljudfrekvenser till mottagaren, vilket är den mer komplicerade kretsen.

Ett blockschema över brandlarmet visas i figur 1.

Som beskrivet arbetar sändarkretsen för att producera ultraljud med hjälp av en oscillator och matar signalen via en högtalare.

Den elektriska signalen omvandlas till ljudvågor av högtalaren, men människor kan inte höra dem eftersom de är tonade över hörselområdet.

Vanliga ljudförstärkare fungerar inte bra vid ultraljudfrekvenser på grund av den piezoelektriska typen av sändande givare.

Vanligtvis ingår en utgångsnivå moderator så att kretsens känslighet kan anpassas till rätt nivå.

Mottagare

En mikrofon vid mottagaren känner av ljudvågorna från sändaren och omvandlar dem till tillbaka till elektriska signaler.

Återigen, a specialiserad piezoelektrisk omvandlare används på den mottagande mikrofonen eftersom de normala är olämpliga att fungera vid höga, speciellt ultraljudfrekvenser.

Ultraljudets extremt manöverläge orsakar detekteringsproblem mellan mikrofonen och högtalaren om båda enheterna är installerade nästan bredvid varandra.

I praktiska situationer är de fångade signalerna reflektioner från väggar eller möbler i rummet.

Dessutom är utgången från mikrofonen relativt låg och vanligtvis cirka 1 mV RMS. Så, en förstärkare är införlivad för att förbättra signalen till en arbetsnivå.

Normalt används två förstärkningssteg med hög förstärkning åtminstone i ett ultraljudstjuvlarm. Eftersom det diskuterade brandlarmsystemet kräver mindre känslighet är det dock ett enda förstärkningssteg som är mer lämpligt.

Detektor

Nästa sektion av kretsen är en amplitudmodulationsdetektor. I en praktisk situation är den detekterade signalen en direkt 40 kHz utgångsvåg från sändaren.

Denna signal samlas in med olika banor och fasas arbiträrt. Men båda amplituden hos signalen och dess fasförhållanden bevaras utan någon förändring. Således genereras ingen utsignal från amplitudgeneratorn under färdiga situationer.

När det rör sig framför detektorn eller om luften är turbulent ändras hela scenariot.

De berömda Doppler Shift tar laddning och producerar en frekvenssvängning på signalerna som reflekteras från objektet i rörelse eller störningar i luften.

En del av den kommunicerade signalen samlas antingen direkt eller använder rörliga föremål genom luften som är motståndskraftig mot turbulensen.

Därefter kanaliseras två eller flera frekvenser till amplituddemodulatorn. I detta skede är fasförhållandet bortom regleringen eftersom signalerna har varierande frekvenser.

Ultraljudsvågformer

När du tittar på vågformsdiagrammet i figur 2 nedan, tänk dig att den övre vågformen är standardsignalen på 40 kHz och den nedre vågformen är den frekvensändrade signalen. I början är signalerna i fas eller ökar och minskar homogent i skala med bibehållen samma polaritet.

Fassignalerna summeras inuti demodulatorn för att generera en enorm utsignal. Därefter går de in i antifaszonen under vågformssekvensen.

Detta innebär att signalerna fortfarande ökar och minskar amplituden enhetligt men nu har motsatta polariteter.

Som ett resultat alstrar demodulatorn en svag utsignal när de två andra signalerna annullerar varandra. Men i slutändan hoppar signalerna tillbaka för att vara i fas och släpper ut en robust utgång från demodulatorn.

I det ögonblick som kretsen aktiveras mäts en förändrad utgångsnivå från demodulatorn.

Utgångssignalens frekvens är densamma som variansen mellan de dubbla insignalerna.

Detta ses normalt på lågfrekvent eller subsonisk frekvens. Utan tvivel fångas signalen från utgången enkelt efter att förstärkaren förstärkt den.

Larmgenerator

När signalen förstärks används den för att styra en standard spärrkrets som en gång aktiverats fortsätter larmet att blinka tills systemet återställs. Låsningsoperationen styrs av en omkopplingstransistor som länkar styrspänningen till larmdetekteringskretsen.

Larmgeneratorn är byggd med en spänningsstyrd oscillator (VCO) som modereras av en lågfrekvent oscillator.

En rampvågform produceras av lågfrekventa oscillatorn och en utsignal från VCO kommer gradvis att öka i frekvens tills dess högsta stigning.

Sedan kommer signalen att återgå till minsta tonhöjd och gradvis öka i frekvens igen. Denna cykliska process fortsätter och ger en effektiv larmsignal.

Hur kretsen fungerar

Den fullständiga kretsritningen för ultraljudssystemet eller mottagaren avbildas i figuren nedan.

MOTTAGARE KRETS : De streckade linjerna förenas med försörjningsskenorna i sändarens krets nedan

SÄNDERKRETS

Sändaren är byggd med en 7555 timerenhet, IC1. Denna CMOS-komponent är 555-timern med låg effekt.

För denna typ av larmgenerator är en 7555 idealisk jämfört med en 555 eftersom kretsens totala strömförbrukning upprätthålls till endast 1 mA eller mindre, vilket bidrar till effektiv användning av batteriström.

Dessutom används 7555 IC i en typisk oscillerande metod varvid tidsdelarna R13, RV1 och C7 väljs speciellt för att generera en frekvens på 40 kHz.

Förinställningen regleras för att generera utfrekvensen som ger optimal effektivitet från de mottagande och sändande kretsarna. Förinställningen identifieras som RV2 i kretsschemat.

Mottagare

X1 är den signalfångande sensorn i mottagarkretsen och dess utgång är ansluten till ingången till en vanlig sändarförstärkare som är utformad runt Q1.

Vid denna tidpunkt upprätthålls en låg kollektorström på cirka 0,1 A för att säkerställa att energiförbrukningen för hela delen är låg.

Typiskt skulle man tro att detta orsakar mindre vinst från en förstärkare av detta slag, men totalt sett är det mer än tillräckligt för den befintliga operationen.

Kondensator C2 kombinerar den förbättrade utsignalen från Q1 till en vanlig AM-demodulator genom att använda D1, D2, R3 och C3.

Senare rampas den efterföljande lågfrekventa signalen med användning av en andra gemensam sändarförstärkare placerad vid Q2.

En annan IC1-timer används som spärr. I motsats till normal praxis används timern IC1 i det monostabila tillvägagångssättet som ger en positiv utgångspuls om stift 2 reduceras med 33% från matningsspänningen.

Vanligtvis skulle utgångspulsbredden regleras av ett par tidsmotstånd och kondensator, men denna krets är utan dessa komponenter.

Istället är stift 6 och 7 i IC1 kopplade till minusförsörjningsskenan. När den är aktiverad slås utgången från IC1 på och fortsätter att vara i det tillståndet, vilket möjliggör låsning.

Från kollektorn för transistorn Q2 är stift 2 i IC1 ansluten och reglerad till lika hälften av matningsspänningen.

Således är IC1 under standby-tillstånd inte aktiverat. När enheten startas oscillerar kollektorspänningen vid Q2.

Dessutom blir den lägre än utlösarens tröskelspänning under de negativa halvcyklerna. Med hjälp av manöverbrytare SW1 och återställningsingången för IC1 till 0V matningsspänning kan hela kretsen återställas.

Komponenten som används för att kanalisera effekt till larmkretsen när IC1 aktiveras är transistorn Q3. Av säkerhetsskäl fungerar R8 som ett strömbegränsande motstånd.

Larmsignal

IC2 är det sista chipet, vilket är en faslåst loop av CMOS 4046BE. Men i denna design är endast VCO-delen avgörande. En faskomparator används lämpligt men endast som en inverterare till larmkretsen.

Inversionen av utgången från VCO resulterar i en tvåfasutgång som tillåter keramisk resonator LS1 att ta emot en topp-till-topp-spänning är två gånger matningsspänningen.

Som ett resultat alstras en skrikande larmsignal. Vid behov kan utgången från stift 4 i IC2 förbättras och användas för att aktivera en standardhögtalare. Kondensator C6 och motstånd R12 fungerar som tidsdelar för VCO. De elektroniska komponenterna ger en stabil utgångsfrekvens runt 2 kHz, vilket är den zon där den keramiska resonatorn når toppeffektivitet.

Modulationssignalen produceras av en typisk avkopplingsoscillator för unjunktion från transistorn Q4. Detta ger en divergerande rampvågform vid 4 kHz.

Hur man ställer in

Börja med RV1 halvvägs och RV2 bestäms för maximal effekt som är helt vriden moturs.

Använd en multimeter (om tillgänglig), ställ RV2 till dess minsta likspänning och anslut den över R3 när den negativa sonden är ansluten till den negativa matningsledningen.

Slå på strömmen till enheten och placera givarna mot en vägg eller någon slät yta med cirka 10 eller 20 cm avstånd.

När RV1 aktiveras kommer det att läsas av eller röras på multimetern, och sedan ställs RV1 in för att nå maximal avläsning.

Det rekommenderas starkt att fixera en ledare över SW1 när regleringen görs eftersom larmgeneratorn är tyst och dess uteffekt inte kan påverka mätningarna.

I händelse av att en multimeter inte är tillgänglig kan RV1 ställas in genom att använda test-och-fel-metoden för att upptäcka ett värde som fungerar för hela delen.

Även om RV2 är väl skyddad är alarmenheten fortfarande känslig. Monteringsplatsen måste vara väl planerad för enheten. En bra plats skulle vara något ovanför operatörens arbetsbänk där den största risken för brand finns på grund av det elektriska verktyget och lödmaterialet.

En annan fördel med att placera enheten högre är att varm luft stiger och gör det lättare att utlösa larmet utan risken för falska signaler som skapas av människor som springer runt i rummet.

Med några få försök kan en lämplig position uppnås utan konsekvenser från mänskliga faktorer och stabil känslighet för brandlarmgeneratorn.

För att testa effektiviteten i enhetens position placeras ett arbetande lödkolv under och framför komponenten.

När tillräcklig turbulent luft produceras bör den aktivera larmet. När du slår på kan kretsen vara strömförande men detta kan omedelbart förnekas genom att sätta SW1 på återställning.

Ultraljudskretsen för brandlarm är inte utformad med en fördröjningsomkopplare men din närvaro bakom enheten måste säkerställas när du använder SW1. Det finns ingen risk om du tar bort handen efter att ha kopplat in strömbrytaren.

Dellista

PCB-design och spårlayout

Prototypbild




Tidigare: Serie 2S, 5S Li-Ion Cell Charger med BQ7718 Nästa: Body Hum Sensor Alarm Circuit