วงจรเตือนอัลตร้าโซนิคอัลตร้าโซนิคโดยใช้การตรวจจับความปั่นป่วนของอากาศ

วงจรสัญญาณเตือนอัลตร้าโซนิคอัลตร้าโซนิคที่อธิบายไว้ด้านล่างนี้จะตรวจจับสถานการณ์อันตรายจากไฟไหม้โดยการรับการเปลี่ยนแปลงของคลื่นอากาศรอบข้างหรือความปั่นป่วนของอากาศ ความไวสูงของวงจรช่วยให้มั่นใจได้ว่าแม้ความปั่นป่วนของอากาศเพียงเล็กน้อยที่เกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิหรือไฟจะถูกตรวจจับได้อย่างรวดเร็วและอุปกรณ์เตือนภัยที่ต่ออยู่จะดังขึ้น

ภาพรวม

เซนเซอร์ตรวจจับไฟทั่วไปใช้ระบบที่หลากหลายเพื่อระบุการเกิดเพลิงไหม้และมาพร้อมกับความซับซ้อนทุกประเภท

ระบบเตือนอัคคีภัยธรรมดาใช้ เซ็นเซอร์อุณหภูมิ เพื่อตรวจจับความแปรปรวนของอุณหภูมิที่สูงผิดปกติที่เกิดจากไฟไหม้

ไม่ใช่พื้นฐานที่มีเพียงชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เช่นไฟล์ เทอร์มิสเตอร์ หรือใช้อุปกรณ์อุณหภูมิเซมิคอนดักเตอร์ แต่ใช้วัสดุง่ายๆเช่นลิงค์หลอมอุณหภูมิต่ำหรือสวิตช์อุณหภูมิ bimetal

แม้ว่าจะต้องการความเรียบง่ายของสัญญาณเตือนประเภทดังกล่าว แต่ความน่าเชื่อถือก็ยังเป็นที่น่าสงสัยเนื่องจากการตรวจจับจะเกิดขึ้นเมื่อไฟไหม้สุกแล้ว

มีระบบแจ้งเหตุเพลิงไหม้ที่ซับซ้อนมากขึ้นตัวอย่างเช่นเครื่องตรวจจับควันที่ติดตั้งชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกต่างกันซึ่งตรวจจับการมีอยู่ของอนุภาคควันก๊าซและไอที่ติดไฟได้

นอกเหนือจากนั้นยังมี ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ระบบเตือนอัคคีภัยซึ่งจะทำงานเมื่อควันในรูปแบบใด ๆ ปิดกั้นลำแสงของพวกมัน ระบบตรวจจับอัคคีภัยประเภทดังกล่าวเผยแพร่ทาง Hobby Electronics

การตรวจจับความร้อนโดยใช้ Doppler Shift

วิธีใหม่ในการตรวจจับไฟโดยใช้ เสียงอัลตราโซนิก ได้อธิบายไว้ในบทความนี้ มีหลักการดำเนินงานเช่นเดียวกับที่มีชื่อเสียง Doppler Shift สัญญาณเตือนผู้บุกรุกอัลตราโซนิก ระบบตรวจจับไฟนี้มีความไวอย่างมากต่อความปั่นป่วนในอากาศนอกเหนือจากการเคลื่อนไหวของวัตถุที่เป็นของแข็ง

ความร้อนจากไฟไฟฟ้าก่อให้เกิดความปั่นป่วนอย่างมากและกระตุ้นสัญญาณเตือน บ่อยครั้งการตั้งปลุกที่ผิดพลาดเนื่องจากความปั่นป่วน ด้วยเหตุนี้สัญญาณเตือนไฟไหม้ประเภทนี้จึงเหมาะสำหรับบ้านแม้ว่าผู้คนที่อาศัยอยู่ในนั้นมักจะไม่เห็นคุณค่าก็ตาม

การเลือกปฏิบัติทางเสียงเกิดขึ้นได้อย่างไร

ข้อเสียเปรียบอย่างหนึ่งของการใช้สัญญาณกันขโมย Doppler Shift เป็นสัญญาณเตือนไฟไหม้คือพื้นที่ตรวจจับขนาดใหญ่ที่หน่วยนี้มอบให้ อย่างไรก็ตามสิ่งนี้กลายเป็นประโยชน์เพราะสามารถตรวจจับได้อย่างรวดเร็วแม้ว่าไฟจะเริ่มในมุมเล็ก ๆ ของพื้นที่ตรวจจับก็ตาม

หลักการมาตรฐานของสัญญาณเตือนไฟไหม้ทั่วไปคือการตรวจจับเพลิงไหม้โดยไม่สนใจคนที่กำลังตะเกียกตะกายไปรอบ ๆ ห้อง นี่เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากระบบเตือนภัยถูกตั้งค่าให้ทำงานจนกว่าจะเปิดใช้งาน

สัญญาณเตือน Doppler Shift แบบอัลตราโซนิกทั่วไปไม่สามารถแยกความแตกต่างระหว่างผู้คนและความปั่นป่วนได้ ดังนั้นระบบแจ้งเหตุเพลิงไหม้จึงเหมาะสมกว่าที่จะใช้วงจรที่ควบคุมพื้นที่การทำงานขนาดเล็ก

หน่วยเตือนภัยสามารถวางไว้ในตำแหน่งในห้องที่มีการเคลื่อนไหวของมนุษย์เพียงเล็กน้อย แต่ก็ยังสามารถระบุความปั่นป่วนที่เกิดจากไฟไหม้ได้อย่างรวดเร็ว

ระบบทำงาน

สัญญาณเตือนอัลตราโซนิกพื้นฐานมีวงจรอิสระสองวงจรที่เชื่อมต่อผ่านแหล่งจ่ายไฟเดียวกัน

วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ง่ายกว่าทำหน้าที่ส่งสัญญาณซึ่งปล่อยความถี่เสียงที่สม่ำเสมอไปยังเครื่องรับซึ่งเป็นวงจรที่ซับซ้อนกว่า

แผนภาพบล็อกของสัญญาณเตือนไฟไหม้แสดงในรูปที่ 1

ตามที่อธิบายไว้วงจรเครื่องส่งจะทำงานเพื่อสร้างเสียงอัลตราโซนิกโดยใช้ออสซิลเลเตอร์และป้อนสัญญาณผ่านลำโพง

สัญญาณไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นคลื่นเสียงโดยลำโพง แต่มนุษย์ไม่สามารถได้ยินได้เนื่องจากสัญญาณดังกล่าวอยู่เหนือระยะการได้ยิน

เครื่องขยายเสียงทั่วไปทำงานได้ไม่ดีที่ความถี่อัลตราโซนิกเนื่องจากตัวแปลงสัญญาณชนิด Piezoelectric

โดยปกติจะมีตัวปรับระดับเอาต์พุตเพื่อให้ความไวของวงจรสามารถปรับให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมได้

ผู้รับ

ไมโครโฟนที่เครื่องรับจะตรวจจับคลื่นเสียงจากเครื่องส่งสัญญาณและแปลงกลับเป็นสัญญาณไฟฟ้า

อีกครั้ง a ตัวแปลงสัญญาณ Piezoelectric เฉพาะ ใช้กับไมโครโฟนรับสัญญาณเนื่องจากไมโครโฟนปกติไม่เหมาะที่จะใช้งานที่ความถี่สูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งความถี่อัลตราโซนิก

สถานะการเคลื่อนย้ายของเสียงอัลตราโซนิกอย่างมากทำให้เกิดปัญหาในการตรวจจับระหว่างไมโครโฟนและลำโพงในกรณีที่อุปกรณ์ทั้งสองติดตั้งอยู่เกือบติดกัน

ในสถานการณ์จริงสัญญาณที่จับได้คือแสงสะท้อนจากผนังหรือเฟอร์นิเจอร์ในห้อง

ยิ่งไปกว่านั้นเอาต์พุตจากไมโครโฟนค่อนข้างต่ำและโดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 1 mV RMS ดังนั้นจึงมีการรวมเครื่องขยายเสียงเพื่อเพิ่มสัญญาณให้อยู่ในระดับที่ใช้งานได้

โดยปกติจะใช้การขยายสัญญาณความถี่สูงสองระดับอย่างน้อยที่สุดในสัญญาณกันขโมยแบบอัลตราโซนิค อย่างไรก็ตามเนื่องจากระบบแจ้งเหตุเพลิงไหม้ที่กล่าวถึงนั้นต้องการความไวที่น้อยกว่าดังนั้นการขยายขั้นตอนเดียวจึงเหมาะสมกว่า

เครื่องตรวจจับ

ส่วนถัดไปของวงจรคือเครื่องตรวจจับการมอดูเลตแบบแอมพลิจูด ในสถานการณ์จริงสัญญาณที่ตรวจพบคือคลื่นเอาต์พุต 40kHz โดยตรงจากเครื่องส่ง

สัญญาณนี้ถูกรวบรวมโดยใช้เส้นทางต่างๆและจะแบ่งตามขั้นตอนโดยพลการ แต่ทั้งแอมพลิจูดของสัญญาณและความสัมพันธ์เฟสจะถูกรักษาไว้โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ดังนั้นจึงไม่มีการสร้างเอาต์พุตจากตัวสร้างแอมพลิจูดภายใต้สถานการณ์ที่พร้อม

เมื่อใดก็ตามที่มีการเคลื่อนไหวด้านหน้าเครื่องตรวจจับหรืออากาศปั่นป่วนสถานการณ์ทั้งหมดจะเปลี่ยนไป

ที่มีชื่อเสียง Doppler Shift รับประจุและทำให้เกิดการแกว่งของความถี่สัญญาณที่สะท้อนจากวัตถุในการเคลื่อนที่หรือความผิดปกติในอากาศ

สัญญาณที่สื่อสารส่วนหนึ่งจะถูกรวบรวมโดยตรงหรือโดยใช้สิ่งของที่ไม่เคลื่อนไหวผ่านอากาศซึ่งทนต่อความปั่นป่วน

หลังจากนั้นความถี่สองความถี่ขึ้นไปจะถูกส่งไปยังแอมพลิจูดดีโมดูเลเตอร์ ในขั้นตอนนี้ความสัมพันธ์ของเฟสอยู่นอกเหนือการควบคุมเนื่องจากสัญญาณมีความถี่ที่แตกต่างกัน

รูปคลื่นอัลตราโซนิก

เมื่อดูแผนภาพรูปคลื่นในรูปที่ 2 ด้านล่างลองนึกภาพว่ารูปคลื่นด้านบนเป็นสัญญาณมาตรฐาน 40 kHz และรูปคลื่นด้านล่างเป็นสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงความถี่ ในช่วงแรกสัญญาณจะอยู่ในเฟสหรือเพิ่มและลดขนาดเป็นเนื้อเดียวกันในขณะที่ยังคงขั้วเดียวกัน

สัญญาณในเฟสจะถูกสรุปไว้ภายในเครื่องถอดรหัสเพื่อสร้างสัญญาณเอาต์พุตขนาดใหญ่ หลังจากนั้นในระหว่างลำดับรูปคลื่นพวกมันจะเข้าสู่โซนต่อต้านเฟส

ซึ่งหมายความว่าสัญญาณยังคงเพิ่มและลดแอมพลิจูดสม่ำเสมอ แต่ตอนนี้มีขั้วตรงกันข้าม

เป็นผลให้ demodulator สร้างสัญญาณเอาท์พุตที่อ่อนแอเนื่องจากสัญญาณอีกสองสัญญาณยกเลิกซึ่งกันและกัน แต่ในท้ายที่สุดสัญญาณจะกระโดดกลับไปอยู่ในเฟสและปล่อยเอาต์พุตที่ทนทานจากเดโมดูเลเตอร์

ในขณะที่เปิดใช้งานวงจรจะมีการวัดระดับเอาต์พุตที่เปลี่ยนแปลงจากเดโมดูเลเตอร์

ความถี่ของสัญญาณเอาต์พุตจะเหมือนกับความแปรปรวนระหว่างสัญญาณอินพุตคู่

โดยปกติจะพบเห็นได้ในความถี่เสียงต่ำหรือความถี่ต่ำกว่าปกติ ไม่ต้องสงสัยเลยว่าสัญญาณจากเอาต์พุตจะถูกจับได้อย่างง่ายดายหลังจากที่แอมพลิฟายเออร์กำลังขยายสูงเพิ่มประสิทธิภาพ

เครื่องกำเนิดสัญญาณเตือน

เมื่อขยายสัญญาณแล้วจะใช้เพื่อควบคุมวงจรสลักมาตรฐานที่เมื่อเปิดใช้งานแล้วสัญญาณเตือนจะดังต่อไปจนกว่าระบบจะรีเซ็ต การดำเนินการล็อคจะถูกควบคุมโดยทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งที่เชื่อมโยงแรงดันไฟฟ้าควบคุมกับวงจรตรวจจับสัญญาณเตือน

เครื่องกำเนิดสัญญาณเตือนสร้างขึ้นโดยใช้ Voltage Controlled Oscillator (VCO) ที่กลั่นกรองโดยออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำ

รูปคลื่นทางลาดเกิดขึ้นโดยออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำและเอาต์พุตจาก VCO จะค่อยๆเพิ่มความถี่จนถึงระดับเสียงสูงสุด

จากนั้นสัญญาณจะเปลี่ยนกลับเป็นระดับเสียงต่ำสุดและเพิ่มความถี่ขึ้นเรื่อย ๆ กระบวนการนี้จะดำเนินต่อไปและให้สัญญาณเตือนที่มีประสิทธิภาพ

วงจรทำงานอย่างไร

ภาพวาดวงจรที่สมบูรณ์ของระบบตรวจจับอัลตร้าโซนิคหรือตัวรับแสดงไว้ในรูปด้านล่าง

วงจรรับ : เส้นประรวมเข้ากับรางจ่ายของวงจรตัวส่งสัญญาณด้านล่าง

วงจรส่งสัญญาณ

เครื่องส่งสร้างขึ้นโดยใช้อุปกรณ์จับเวลา 7555 IC1 ส่วนประกอบ CMOS นี้เป็นประเภทพลังงานต่ำของตัวจับเวลา 555

สำหรับเครื่องกำเนิดสัญญาณเตือนประเภทนี้ 7555 เหมาะอย่างยิ่งเมื่อเทียบกับ 555 เนื่องจากการใช้พลังงานทั้งหมดของวงจรจะคงไว้ที่ประมาณ 1mA หรือน้อยกว่าซึ่งก่อให้เกิดการใช้พลังงานแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ

ยิ่งไปกว่านั้น 7555 IC ยังใช้ในวิธีการสั่นทั่วไปโดยเลือกชิ้นส่วนเวลา R13, RV1 และ C7 เป็นพิเศษเพื่อสร้างความถี่ 40 kHz

ค่าที่ตั้งไว้ล่วงหน้าได้รับการควบคุมเพื่อสร้างความถี่เอาต์พุตที่ให้ประสิทธิภาพที่ดีเยี่ยมจากวงจรรับและส่งสัญญาณ ค่าที่ตั้งไว้ถูกระบุว่าเป็น RV2 ในแผนผังวงจร

ผู้รับ

X1 เป็นเซ็นเซอร์จับสัญญาณในวงจรรับสัญญาณและเอาท์พุทเชื่อมต่อกับอินพุตของเครื่องขยายสัญญาณอีซีแอลทั่วไปซึ่งได้รับการออกแบบรอบ Q1

ในช่วงหัวเลี้ยวหัวต่อนี้จะมีการเก็บรักษากระแสไฟฟ้าที่ต่ำประมาณ 0.1 A เพื่อให้แน่ใจว่าการใช้พลังงานของชิ้นส่วนทั้งหมดต่ำ

โดยทั่วไปแล้วใคร ๆ ก็คิดว่าสิ่งนี้ทำให้ได้รับผลตอบแทนน้อยลงจากแอมพลิฟายเออร์ประเภทนี้ แต่โดยรวมแล้วมันเกินพอสำหรับการทำงานที่มีอยู่

Capacitor C2 รวมเอาท์พุทที่ปรับปรุงแล้วจาก Q1 ไปเป็นตัวถอดรหัส AM ปกติโดยใช้ D1, D2, R3 และ C3

ต่อมาสัญญาณความถี่ต่ำที่เป็นผลสืบเนื่องจะถูกเพิ่มขึ้นโดยใช้เครื่องขยายสัญญาณตัวส่งสัญญาณทั่วไปตัวที่สองซึ่งอยู่ที่ Q2

ตัวจับเวลา IC1 อื่นใช้เป็นสลัก ตรงกันข้ามกับการปฏิบัติตามปกติ IC1 ตัวจับเวลาจะใช้ในวิธีการแบบโมโนสเตเบิลที่ให้พัลส์เอาต์พุตเป็นบวกหากพิน 2 ลดลง 33% จากแรงดันไฟฟ้า

โดยปกติความกว้างพัลส์เอาต์พุตจะถูกควบคุมโดยตัวต้านทานและตัวเก็บประจุแบบจับเวลา แต่วงจรนี้ไม่มีส่วนประกอบเหล่านั้น

แต่หมุด 6 และ 7 ของ IC1 จะเชื่อมโยงกับรางจ่ายไฟลบ เมื่อเปิดใช้งานเอาต์พุตของ IC1 จะเปิดและยังคงอยู่ในสถานะนั้นต่อไปเพื่อให้สามารถดำเนินการล็อคได้

จากตัวสะสมของทรานซิสเตอร์ Q2 พิน 2 ของ IC1 จะเชื่อมต่อและควบคุมให้เท่ากับครึ่งหนึ่งของแรงดันไฟฟ้า

ดังนั้นภายใต้สภาวะสแตนด์บาย IC1 จะไม่เปิดใช้งาน ขณะที่หน่วยเริ่มทำงานแรงดันไฟฟ้าของตัวสะสมที่ Q2 จะสั่น

ยิ่งไปกว่านั้นในช่วงครึ่งรอบที่เป็นลบมันจะต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ทริกเกอร์ การใช้สวิตช์ปฏิบัติการ SW1 และอินพุตรีเซ็ตของแรงดันไฟฟ้า IC1 ถึง 0V สามารถรีเซ็ตวงจรทั้งหมดได้

ส่วนประกอบที่ใช้ในการส่งกำลังไปยังวงจรสัญญาณเตือนเมื่อเปิดใช้งาน IC1 คือทรานซิสเตอร์ Q3 เพื่อความปลอดภัย R8 ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทาน จำกัด กระแส

สัญญาณเตือน

IC2 เป็นชิปตัวสุดท้ายซึ่งเป็นลูปล็อกเฟส CMOS 4046BE อย่างไรก็ตามในการออกแบบนี้เฉพาะส่วน VCO เท่านั้นที่มีความสำคัญ เครื่องเปรียบเทียบเฟสถูกใช้อย่างเหมาะสม แต่เป็นเพียงอินเวอร์เตอร์ของวงจรเตือนภัยเท่านั้น

การผกผันของเอาต์พุตของ VCO ส่งผลให้เอาต์พุตสองเฟสซึ่งช่วยให้เรโซเนเตอร์เซรามิก LS1 ได้รับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดถึงจุดสูงสุดเป็นสองเท่าของแรงดันไฟฟ้า

เป็นผลให้เกิดสัญญาณเตือนเสียงกรีดร้อง หากจำเป็นคุณสามารถเพิ่มเอาต์พุตจากพิน 4 ของ IC2 และใช้เพื่อเพิ่มพลังให้กับลำโพงมาตรฐานได้ Capacitor C6 และตัวต้านทาน R12 ทำหน้าที่เป็นชิ้นส่วนจับเวลาสำหรับ VCO ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ให้ความถี่เอาต์พุตที่คงที่ประมาณ 2kHz ซึ่งเป็นโซนที่เครื่องสะท้อนเซรามิกมีประสิทธิภาพสูงสุด

สัญญาณการมอดูเลตเกิดจากออสซิลเลเตอร์คลายตัวทั่วไปจากทรานซิสเตอร์ Q4 สิ่งนี้ให้รูปคลื่นทางลาดที่แตกต่างกันที่ 4 kHz

วิธีการตั้งค่า

เริ่มต้นด้วย RV1 ในจุดกึ่งกลางและ RV2 กำหนดสำหรับเอาต์พุตสูงสุดซึ่งหันไปในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาอย่างเต็มที่

ใช้มัลติมิเตอร์ (ถ้ามี) ตั้งค่า RV2 เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงต่ำสุดและต่อเข้ากับ R3 เนื่องจากหัววัดลบติดอยู่กับสายจ่ายเชิงลบ

เปิดเครื่องและวางทรานสดิวเซอร์หันหน้าเข้าหาผนังหรือพื้นผิวเรียบใด ๆ โดยห่างออกไปประมาณ 10 หรือ 20 ซม.

เมื่อเปิดใช้งาน RV1 จะมีการอ่านหรือการเคลื่อนไหวบนมัลติมิเตอร์จากนั้น RV1 จะถูกปรับให้เข้ากับการอ่านค่าสูงสุดที่เป็นไปได้

ขอแนะนำอย่างยิ่งให้แก้ไขตัวนำข้าม SW1 เมื่อทำตามระเบียบเนื่องจากเครื่องกำเนิดสัญญาณเตือนถูกปิดเสียงและเอาต์พุตจะไม่ส่งผลต่อการวัด

ในกรณีที่ไม่สามารถใช้งานมัลติมิเตอร์ได้ RV1 สามารถปรับแต่งได้โดยใช้วิธีการลองผิดลองถูกเพื่อค้นหาค่าที่ใช้ได้กับทั้งส่วน

แม้ว่า RV2 จะได้รับการปกป้องอย่างดี แต่หน่วยเตือนภัยก็ยังคงอ่อนไหว ตำแหน่งการติดตั้งต้องได้รับการวางแผนอย่างดีสำหรับตัวเครื่อง จุดที่ดีควรอยู่เหนือโต๊ะทำงานของผู้ปฏิบัติงานเล็กน้อยซึ่งมีความเสี่ยงสูงสุดที่จะเกิดไฟไหม้เนื่องจากเครื่องมือไฟฟ้าและวัสดุบัดกรี

ข้อดีอีกประการหนึ่งของการวางเครื่องให้สูงขึ้นเนื่องจากอากาศร้อนจะลอยขึ้นและทำให้ส่งเสียงเตือนได้ง่ายขึ้นโดยไม่ต้องเสี่ยงกับสัญญาณที่ผิดพลาดซึ่งเกิดจากคนที่กำลังวิ่งอยู่ในห้อง

ด้วยการทดลองเพียงไม่กี่ครั้งตำแหน่งที่เหมาะสมโดยไม่มีผลจากปัจจัยมนุษย์และความไวที่มั่นคงสามารถทำได้สำหรับเครื่องกำเนิดสัญญาณเตือนไฟไหม้

เพื่อทดสอบประสิทธิภาพของตำแหน่งของหน่วยหัวแร้งที่ใช้งานได้จะถูกวางไว้ข้างใต้และด้านหน้าของส่วนประกอบ

เมื่อเกิดอากาศปั่นป่วนเพียงพอควรเปิดใช้งานสัญญาณเตือน เมื่อเปิดสวิตช์วงจรจะไม่ทำงาน แต่สามารถถูกยกเลิกได้ทันทีโดยวาง SW1 ไว้ที่รีเซ็ต

วงจรเตือนอัลตร้าโซนิคอัลตร้าโซนิคไม่ได้ออกแบบมาพร้อมกับสวิตช์หน่วงเวลา แต่ต้องมั่นใจว่าคุณอยู่หลังเครื่องเมื่อใช้งาน SW1 ไม่มีความเสี่ยงหากคุณเอามือออกหลังจากเสียบสวิตช์

ส่วนรายการ

การออกแบบ PCB และเค้าโครงติดตาม

ภาพต้นแบบ