2 Схемы
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
Модуль датчика удара или вибрации в сигнализацию авто
В Интернете можно найти множество самодельных и фирменных конструкций датчиков удара или вибрации для автомобильных охранных сигнализаций, а также сигнализаторов обнаружения разбития дверей / окон и любых других объектов. Но основа у всех чаще всего одинакова – пьезодетектор стука (реже ставят индукционный датчик).
Устройство датчика от сигнализации
Для основы сигнализации можно взять готовое устройство, которое называется на Алиэкспрессе «Модуль датчика вибрации автомобиля / мотоцикла».
Вот основные технические параметры этого устройства:
Цветовой код провода: белый, синий или зеленый – выход сигнала (односекундный понижающий сигнал в активном состоянии), черный – земля, красный – плюс источника питания.
Далее можете увидеть внешний вид и внутреннюю часть устройства, после снятия крышки.
Основными компонентами печатной платы выступают пьезоэлектрический элемент и 8-контактный чип. Пьезоэлектрики легко доступны, поэтому во многих проектах они служат дешевыми шумоуловителями. Здесь пьезик используется как датчик удара / вибрации, а дополнительная пружина с небольшой массой на подвесном конце делает его более чувствительным. Чёрный 8-контактный чип представляет собой операционный усилитель (LM358), который обрабатывает выходные сигналы, поступающие от пьезоэлектрического датчика, для получения сигнала управления выхода. Встроенный потенциометр нужен для установки чувствительности обнаружения стука. Вот его схема. Значения большинства компонентов здесь не помечены – это намеренно из-за определенных ограничений.
Первоначально тестировался модуль с входами питания 5 В и 12 В, и он работал как и положено. В случае удара или вибрации его выходной сигнал изменяется с высокого на низкий примерно на одну секунду, что также отображается красным светодиодом. Скорее всего выходное напряжение не находится на «фиксированном» уровне – оно всего на несколько вольт ниже фактического уровня Vcc – это вполне естественно, потому что практически нет встроенного стабилизатора напряжения или чего-либо подобного, чтобы обеспечить стабильное напряжение на микросхеме операционного усилителя. А это приведет к серьезным проблемам при использовании интерфейса с микроконтроллером – будьте осторожны при подключении к МК.
Как показала практика, потенциометр управления чувствительностью не имеет смысла, поскольку устройство может улавливать удары / вибрацию только тогда, когда ручка потенциометра находится на максимальном перемещении, хотя это и не большая проблема.
Автомобильные датчики удара, предназначенные для обнаружения вибраций, вызванных движением транспортного средства, защищают стекла и колеса вашего авто. Активные действия злоумышленников вызывают прохождение ударных волн через металлическую конструкцию автомобиля. Поднятие авто домкратом и откручивание колесных гаек также может вызвать вибрации. Датчик удара автомобиля посылает сигнал на подключенную охранную сигнализацию, когда происходит какое-либо подобное событие.
Настройка датчика для микроконтроллеров
Предлагаемая схема подключения чуть изменена. Теперь датчик удара готов к работе с любым микроконтроллером (например под Ардуино) – независимо от того как он запитан.
Просто подключитесь к микроконтроллеру или к таймеру 555 – всё будет работать и запускать исполнительное устройство. Здесь BC847B (код SMD 1FW) – это транзистор общего назначения для коммутации и усилителей. Этот NPN-транзистор имеет максимальное напряжение коллектор-эмиттер 45 В и ток коллектора 100 мА.
Вот еще одна простая идея: добавим активный пьезо-зуммер между контактами vcc и out 3-контактного разъема, поэтому в активном состоянии будет визуальное и звуковое предупреждение об ударе / вибрации продолжительностью в одну секунду.
Возможно, вы захотите разместить электромагнитное реле для управления мощной нагрузкой, например, ревуном авто, но тогда понадобится реле слаботочного типа.
Эти маленькие автомобильные датчики удара очень дешевы и их можно найти на eBay, Aliexpress, Banggood и многих других сайтах по электронике.
Самодельный датчик удара или вибрации
И раз уж мы заговорили про схемотехнику датчиков – вот пример такого самодельного устройства:
Достаточно чуть к нему прикоснуться или ударить, как стрелка микроамперметра подпрыгнет вверх. Последовательно с микроамперметром следует поставить подстроечный резистор, чтобы регулировать его чувствительность. В схеме используется одинарный операционный усилитель LM358, можно использовать и его аналоги, например, TL071.
Минимальное напряжение питания зависит от выбора операционного усилителя, если применить LM358, то минимальное напряжение питания будет 3 вольта, если взять TL072 – то схема будет работать минимум от 7 вольт. Не следует повышать напряжение питания более 16 В.
Низкоомный резистор R4 на схеме задаёт чувствительность. Чем меньше его сопротивление, тем более чуткой становится схема даже к мелким ударам. Не следует понижать его сопротивление ниже 0,33 ома, чувствительности схемы и так хватает. Вместо стрелочника можно поставить светодиод, тогда он будет мигать во время ударов.
Датчик вибрации для охраны автомобиля
Датчик вибрации – устройство, которое реагирует на малейшие вибрации вызванные движением человека (и не только). На основе датчика вибрации можно построить довольно хорошие охранные системы для дома и автомобиля, одно из которых мы сегодня рассмотрим.
Сердцем такой схемы является двухканальный операционный усилитель LM358. Микросхема выбрана, как самый доступный вариант, но в принципе можно использовать почти любой ОУ. Устройство питается в диапазоне напряжений от 6 до 16 Вольт, что позволяет применить микросхему для охраны автомобиля, питая ее от бортовой сети 12 Вольт.
В качестве датчика вибрации использован пьезоэлемент – такой можно найти в любых пищалках, музыкальных шкатулках, электронных часах с будильником, в детских игрушках и т.п.
Не смотря на простоту и доступность использованных компонентов схемы, датчик довольно чувствительный и реагирует на мельчайшие вибрации. Резистор R6 – ограничитель тока, если используйте светодиод или микроамперметр.
Чувствительность прибора 8-10 метров – более, чем достаточна. Единственный недостаток схемы заключается в том, что датчик срабатывает только при наличии вибрации и прекращает работы, если вибрация отсутствует. Для устранения этого недостатка несколько месяцев назад я совместил схему датчика вибрации со старой доброй схемы электронной кнопку, статья уже была опубликована на нашем сайте.
Принцип заключается в том, что как только датчик вибрации срабатывает, напряжение с выхода микросхемы замыкает кнопку. Все, что вам нужно – подключить звуковую сирену или же мощный прожектор – сигнализация на ваше усмотрение.
Схема датчика вибрации была разработана год назад близким мне человеком, проверена в деле лично мной, так, что спокойно можно собирать. Устройство можно приспособить под капотом, работать будет так же точно, как и дорогая автомобильная сигнализация.
Изучаем датчики вибрации
Датчик вибрации представляет собой устройство, которое реагирует на вибрационные явления и регистрирует их. Предназначен для определения виброскорости, виброперемещения и виброускорения. Своевременное определение показателей позволяет выявить недостатки и неисправности в работе приборов, предотвратить поломки. Применяются в различных аппаратах, которые требуют учет вибрационных процессов, различных диагностических системах, теплоэнергетике, электроэнергетике, транспорте.
Конструкция и свойства
Основной характеристикой данного прибора является чувствительность. Она может быть разной и варьируется в диапазоне от 0.5 mB/g для миниатюрных моделей до 100 mB/g для промышленных агрегатов и свыше 500 mB/g для высокочувствительных.
К основным свойствам относятся:
Представляют собой конструкцию, состоящую из двух блоков: вибропреобразователя и электронного блока. Первый представляет собой чувствительный элемент, предназначен для улавливания вибрационного движения и преобразования данного механического сигнала в электрический. Второй компонент выполняет функцию дешифровщика полученного электрического импульса и вывода информации в доступной форме, например цифровой. Современные модели оборудован микропроцессорным блоком управления. С его помощью возможна цифровая обработка сигналов, а также использование сложные алгоритмы, с их помощью учитывается весь спектр вибрационного воздействия.
Классификация
Выделяют несколько классификаций в зависимости от параметра, положенного в основу:
Оптический датчик вибрации работает на основе эффекта Доплера. Он состоит из нескольких элементов:
В состоянии покоя длина волны луча лазера при отражении соответствует истинной длине луча. При возникновении вибрационных процессов происходит сдвиг длины волны. Определение значения и направления величин, на которую меняется длина волн лазерного луча, позволяет определить скорость и направление движения. С помощью интерферометрической схемы, которая располагается в приемнике, определяется данная величина. Таким образом, определяются тип вибрационных колебаний. Оптические ДВ делятся на 2 типа:
Применяются чаще всего в исследовательских лабораториях, в строительстве. К основным преимуществам можно отнести высокую чувствительность, быстродействие, компактность и пожаробезопасность. Кроме того, диагностика может осуществляться бесконтактным способом. В качестве недостатков можно выделить высокую стоимость, необходимость подключения сложного оборудования. Такие приборы потребляют большое количество энергии, чувствительны к качеству и чистоте поверхности, окружающей среде, атмосферным явлениям. При работе необходимо обязательное соблюдение мер предосторожности и использование дополнительных средств защиты.
Принцип работы трибоэлектрического устройства заключается в обнаружении каких-либо процессов деформации конструкции. Для этого предусмотрен специальный чувствительный элемент, особенностью которого является эффект трибэлектричества. Применяется чаще всего в оборудовании охранных систем, ограждении территорий.
Вихретоковые датчики вибрации предполагают бесконтактный способ работы. С их помощью можно провести замеры перемещения, а также частоты вращения. Состоят из трех основных элементов:
На диэлектрическом наконечнике расположена катушка индуктивности, в которой возникают высокочастотные колебания с помощью драйвера. В результате этого образуется электромагнитное поле, которое необходимо для обеспечения взаимодействия с исследуемым объектом. На поверхности под действием электромагнитного поля возникают вихревые токи, способные изменить параметры самой катушки, ее активное и индуктивное сопротивление. Все изменения преобразуются драйвером в электрические сигналы.
Конструкция может отличаться в зависимости от того в каком варианте выполнен пробник и длины удлинительного кабеля (их может быть несколько). Они высокочувствительны, не имеют нижних пределов по частоте, позволяют получить достаточно точные результаты, которые не требует математической обработки. Предназначен, в основном, для проверки в сфере тяжелой промышленности, диагностики турбинных установок, электромоторов.
В основу работы пьезоэлектрических устройств положен пьезоэффект. Пьезоэффект — это явление при котором возникает разность потенциалов на пьезокристалле при условии его механической деформации. Располагается пьезокристалл внутри чувствительного элемента.
Работает по следующему принципу:
Таким образом, чувствительный элемент предназначен для преобразования обнаруженных механических волн в электрический сигнал. Раньше их использовали только для определения ускорений, в настоящее время они позволяют измерить весь диапазон вибрационных характеристик с высоким уровнем точности.
Такие датчики вибрации, как пьезоэлектрические, достаточно распространены и доступны за счет относительного простого устройства, надежности, устойчивости к механическим воздействиям. К основным недостаткам можно отнести невозможность определения вибрационных колебаний без непосредственного контакта с предметом исследования. Кроме того, механические способ передачи не позволяет уловить весь спектр воспринимаемых частот.
Радиоволновые приборы относятся к типу бесконтактных, предоставляют возможность измерения различных параметров. Используются в любых условиях, на различных расстояниях, не чувствительны к загрязнениям, повреждениям поверхности. В основе работы используется принцип зависимости исследуемых параметров от величины параметров электромагнитных систем, которые можно контролировать, например, амплитуда сигнала, число колебаний, их частота, время прохождения волны от предмета исследования до источника. Выделяют 2 группы:
Применение в транспортной сфере
Приборы данного типа определяют вибрации электродвигателей, высокий уровень которых непосредственно влияет на надежность двигателя, снижает надежность подшипников. Все виды нагрузок от вибрирующего ротора разрушают масляную пленку подшипников скольжения, приводят к появлению механических повреждений. Также подвержен разрушению подшипники качения, появление трещин, сколов, разрыв сепараторов приводит к выходу их из строя. Ускоряется изнашивание обмоток, вала, появляются трещин статора, возникают повреждения опорной рамы. Задача измерения уровня вибрационных процессов, их характера необходима для устранения причин, которых может быть множество:
Для предотвращения повреждений, измеряются показатели на всех подшипниках электродвигателей в 3 направлениях:
Полученные показатели вибросокорости варьируются от 2.8 до 4.5 мм/с, в зависимости от числа оборотов (от 600 до 6000 об/мин).
Измерение проводится двумя способами: контактным и бесконтактным. Первый способ предполагает пьезоэлектрический датчик вибрации. Он устанавливается непосредственно на саму рабочую поверхность, например на подшипник. Наиболее предпочтительным в данном случае является резьбовое соединение. Необходимо учитывать, что штифт должен быть установлен в направлении вибрации. Не менее важным показателем является масса, которая должна быть не более 5% массы самого электродвигателя. Бесконтактным способом измерения проводятся с помощью вихретоковых датчиков или ультразвука. Проводить измерения лучше всего в режиме холостого хода для получения более точных результатов.
Какой датчик выбрать
Прежде чем приступить к изучению параметров, необходимо учитывать:
Особенности использования
К отличительным особенностям можно отнести:
Видео по теме
Предотвращаем аварии: датчик контроля вибрации мотора с передачей данных на смартфон по BLE
Типовая схема датчика мониторинга вибраций мотора, разработанная Texas Instruments, базируется на трехосевом аналоговом акселерометре, малошумящем усилителе, программируемом микроконтроллерном блоке с АЦП и беспроводном контроллере с BLE-интерфейсом. Схема может автономно работать от полугода до 25 лет (в зависимости от режима работы и задействования беспроводной части) и позволяет отслеживать состояние систем кондиционирования, холодильных установок насосов, бытовых и промышленных конструкций и сооружений для ранней профилактики аварийных ситуаций.
Основное предназначение датчиков в системах автоматизации – это индикация текущего состояния объекта управления, своевременное обнаружение и оповещение о внештатных ситуациях.
Развитие и миниатюризация вычислительной техники, а также удешевление датчиков позволяет внедрять предиктивные (предсказательные) методы технического обслуживания. Данные методы предназначены для определения состояния оборудования без вывода из эксплуатации. Их основная задача – предсказать, когда будет нужно провести то или иное техническое обслуживание, чтобы предотвратить приближающийся отказ оборудования.
| Линейка поставок компании Texas Instruments содержит все необходимые компоненты для построения систем предиктивного обслуживания: Помимо аппаратных решений, компания предоставляет и программные ресурсы: Структурная схема датчика вибрацииОдним из опорных решений TI является проект TIDA-01575 [1, 2], представляющий собой датчик мониторинга вибраций мотора. В данном решении задействован аналоговый трехосевой акселерометр, малошумящий усилитель, программируемый микроконтроллерный блок с АЦП и беспроводной контроллер с BLE-интерфейсом. Задача представленного решения – анализировать уровень и характер вибраций, возникающих при работе мотора, чтобы определить момент его технического обслуживания, не дожидаясь выхода мотора из строя. Главные особенности предлагаемого решения: Структурная схема датчика вибраций мотора TIDA-01575 представлена на рисунке 1. В нее входят:
Рис. 1. Структурная схема датчика вибраций мотора Принцип работыЦентральным элементом датчика является микроконтроллер MSP432P401R, выполняющий задачи по приему и обработке сигналов акселерометра, спектральному анализу сигналов, выдаче результатов по UART или передаче их сетевому процессору CC2650. Сбор первичных данных, обработка измерений и выдача результатов разделены логически в коде приложения и представлены различными программными задачами в рамках операционной системы TI RTOS. Работой с сигналами акселерометра ведает задача vibration Task. Она запускает АЦП на опрос каналов по прерываниям таймера с частотой 74 кГц и 14-битным разрешением. Благодаря этому каждый из трех каналов акселерометра опрашивается с частотой 24 кГц. По завершении фазы опроса вызывается функция частотного анализа – по полученным данным для каждого канала (каждой оси вибрации). При работе без сетевого процессора данные контроллером передаются по интерфейсу UART при помощи задачи comms Task. UART настраивается на режим 8-N-1 при скорости 460,8 кбит/с, и при помощи любого программного обеспечения, способного работать с виртуальным COM-портом, возможен прием или визуализация этих данных. Когда MSP432P401R является хост-контроллером для BLE-процессора, запускается задача AP_create Task, вызывающая функции SimpleLink SDK Bluetooth для установки связи с BLE-процессором на основе СнК CC2650. На рисунке 2 представлено взаимодействие задач опроса акселерометра и передачи обработанных данных по Bluetooth.
Рис. 2. Схема работы приложения в связке «хост-контроллер + сетевой процессор» (BLE-процессор) При неустановленном соединении (то есть когда нет подключения к конкретному смартфону) устройство рассылает adv-пакеты определенного формата (рисунок 3). В широковещательных данных пакета после небольшого заголовка последовательно идут скомпонованные данные по всем трем осям. В данных для каждой оси указываются параметры преобразования Фурье, номер гармоники с максимальной энергией и значение ее энергии.
Рис. 3. Структура широковещательных данных датчика вибрации Зная формат adv-пакетов, можно в фоновом режиме отслеживать состояние мотора даже без подключения смартфона к датчику вибраций. После подключения датчик предоставляет подключенному устройству набор сервисов и характеристик в соответствии со специализированным профилем, и приложение уже может считывать сами спектры вибраций по любой из осей. Так как датчик может быть расположен в труднодоступном месте (под защитными кожухами или внутри корпуса станка) возможна проблема с его обеспечением стационарным питанием. В связи с этим актуально подключение возможностей режимов пониженного энергопотребления MSP432P401R для продления времени работы без замены батареи. Приложение управляет питанием элементов системы, синхронизируя работы программных компонентов и аппаратной части. Сам акселерометр и схема обработки его сигналов в процессе измерений потребляют довольно большой ток, поэтому в промежутках между сериями измерений необходимо их отключать. Управление питанием разделено программой на две части. В периоды между измерениями, – а это относительно длительные промежутки простоя, – контроллер переходит на уровень LPM3. Длительность данных промежутков определяется функцией pretive_maintenance_setWakeTime (uint8_t Hours, uint8_t Minutes), описанной в файле vibCapture.c. Аргументами функции являются значения длительности интервала, заданные в часах и минутах. Во время самих измерений, когда требуются промежутки ожидания, например, для стабилизации питания и сигналов в аналоговой части, контроллер переходит в режим потребления LPM0. Этими мерами минимизируется время нахождения контроллера в активном режиме и, следовательно, дополнительно снижается среднее энергопотребление всего датчика. Схема профиля энергопотребления приведена на рисунке 4.
Рис. 4. Профиль энергопотребления датчика вибрации Тестирование приложенияДля тестирования опорного программно-аппаратного проекта был собран небольшой макет (рисунок 5). В его состав входит:
Рис. 5. Тестовый макет для опорного решения датчика уровня вибраций Симуляция неисправности проводилась путем неполного затягивания креплений ведущего мотора, вследствие чего характер его вибраций изменялся. Взаимодействие с датчиком по BLE производилось при помощи приложения для смартфона SimpleLink SDK Explorer, которое доступно в соответствующих магазинах приложений для платформ Android и IOS. При неустановленном соединении из adv-пакетов, рассылаемых датчиком, извлекается информация о доминирующих гармониках в спектре колебаний и их энергии (рисунок 6).
Рис. 6. Окно приложения до установки BLE-соединения с датчиком вибраций После установки соединения приложению доступна детальная информация о спектре колебаний по каждой из осей. На рисунке 7 представлены спектры вибраций по оси Х для случая нормально закрепленного мотора (отмечен как «Passing motor») и случая, когда крепления мотора были ослаблены («Failing motor»).
Рис. 7. Спектры вибраций по оси Х для случая нормально закрепленного мотора (а) и мотора с ослабленными креплениями (б) По характеру спектров видно, что в первом случае преобладают вибрации на основной частоте работы мотора (60 Гц), а при ослаблении спектр начинает размываться и появляются дополнительные гармоники, при этом мощность основной гармоники падает. Аналогичные графики доступны и для осей Y и Z. Диаграмма потребления тока системой во время работы представлена на рисунке 8. Из него видим, что длительность активной фазы работы составляет порядка 65…70 мс, средние токи в активной фазе не превышают нескольких миллиампер (6…9 мА в среднем, с пиками – до 10…12 мА).
Рис. 8. Профиль потребления тока датчиком вибраций на различных этапах работы Рекомендованным для данного проекта источником автономного питания является батарея типа CR123A с емкостью порядка 1470 мА⋅ч. Неизбежный саморазряд батареи несколько снизит ее емкость: для дальнейших расчетов принято снижение полной емкости на 5%, что даст эффективную емкости батареи 1396 мА⋅ч. В случае, если хост-контроллер датчика работает автономно (без беспроводного сетевого процессора), основным фактором, влияющим на длительность автономной работы, будет период измерений. В таблице 1 приведены оценки среднего тока потребления и длительности работы датчика вибраций без задействованного BLE-процессора в зависимости от периода измерений. Таблица 1. Оценки среднего тока потребления и длительности работы датчика вибраций без задействованного BLE-процессора
Добавление BLE-процессора в датчик несколько увеличивает энергопотребление. Поскольку события подключения к датчику по BLE пользователем достаточно редки, основной вклад в увеличение среднего тока потребления будет давать рассылка беспроводным контроллером adv-пакетов, а точнее – интервал между их рассылкой. Увеличение интервала между рассылкой adv-пакетов снижает среднее энергопотребление (таблица 2), но, с другой стороны, несколько затрудняет обнаружение устройства, рассылающего пакеты (по крайней мере, стандартными средствами или при настройках поиска близлежащих устройств «по умолчанию»). Таблица 2. Средний ток потребления и длительность работы датчика вибраций при подключенном BLE-процессоре в зависимости от интервала рассылки adv-пакетов
Дальнейшим усовершенствованием проекта в плане энергопотребления может быть применение внешнего нанотаймера/супервизора для отключения питания на время паузы между замерами. Также можно использовать adv-пакеты для фоновой трансляции результатов измерений – не просто максимальных значений и их частот, а полного спектра. Конечно, такое решение потребует некоторых дополнительных изменений программного обеспечения на смартфоне: режим рассылки adv-пакетов не предусматривает подтверждения их приема и какого-либо протокола обмена данными, рассылка идет в одностороннем порядке. ЗаключениеОпорный проект датчика вибраций является прекрасным примером системы с беспроводным BLE-интерфейсом, реализованным на микроконтроллере и беспроводном сетевом процессоре. Отдельного упоминания достойны задействованные в проекте меры по оптимизации энергопотребления как на стороне аналогово-измерительной части, так и на стороне микроконтроллеров. Напрямую проект может быть применен в таких задачах, как: |
