Самодельный датчик вибрации для осциллографа. Датчик вибрации ардуино

Датчики вибрации Ардуино (их еще иногда называют датчиками сигнализации) применимы для выявления внешних воздействия вибрационного характера и широко используются в противоугонных автомобильных системах, различных охранных сигнализациях, позволяют детектировать вибрации при начинающемся землетрясении. В этой статье мы рассмотрим строение датчика и схему подключения к платам Arduino.

Основной элемент датчика – металлическая пружина гибкой структуры, расположенная во внутренней части трубки из пластика. При наличии каких-либо воздействий на нее она начинает колебаться. Усиление сигнала происходит за счет его подачи сначала на операционный усилитель, а потом на выход аналогового типа. Важным элементом датчика вибрации является потенциометр, который регулирует чувствительность прибора, и позволяет устанавливать необходимый порог срабатывания.

Датчик вибрации имеет три выхода:

• Земля;
• Питание;
• Выход аналогового сигнала А0.

Находящийся на плате потенциометр позволяет настроить его чувствительность. Он представляет собой переменный резистор c сопротивлением регулируемого типа. На плате датчика также присутствуют светодиоды, которые сигнализируют о наличии питания. Кроме того, некоторые разновидности оснащаются цифровым выводом D0, который выдает логический ноль при достижении порогового значения уровня вибрации.

В состоянии покоя модуль находится в разомкнутом состоянии, и протекания тока по нему нет. При наличии внешних вибрационных воздействий за счет раскачивания пружины происходит кратковременное замыкание контактов. В результате происходит сработка датчика, и на выходе появляется логический 0.

Срабатывание датчика происходит в независимости от его пространственного расположения.

Технические параметры датчиков вибрации для Ардуино (могут отличаться в зависимости от модели устройства):

• Питающее напряжение от 3 до 5 В;
• Ток потребления 4-5мА;
• С наличием или отсутствием цифрового выхода;
• С наличием или отсутствием регулировки чувствительности.

Датчики могут отличаться по весу и габаритам, но обязательно содержат монтажное отверстие для крепления к плате.

Варианты применения

Наиболее актуальным применение датчиков вибрации может быть реализовано в сфере охранной сигнализации различного назначения. За счет высокого уровня чувствительности такие устройства могут реагировать на вибрации широкого диапазона интенсивности, улавливая колебания во всех плоскостях. Благодаря простому способу подключения, датчики вибрации применяются для реализации самых разнообразных проектов:

• Системы охраны;
• Сигнализации;
• Электронные замки;
• Детекторы движения;
• Противоугонные системы;
• Сейсмостанции;
• Детские игрушки;
• Бытовые приборы;
• Спортивный инвентарь.

Пример реализации

Схема подключения датчика вибрации к ардуино

Вариантом использования вибрационного датчика может стать охранная сигнализация, в которой при ударе о поверхность, с закрепленным на ней устройством, происходит сработка (в данном примере загорится светодиод, присоединенный к пину 13). Для проекта следует подготовить такие детали:

• плату Arduino Uno;
• датчики вибрации 801S или Logo sensors v1.5;
• макетную плату;
• соединительные провода.

Сборка схемы производится согласно рисунку. Цифровой вывод DO соединяем с цифровым пином 2. При наличии вибраций значение сигнала многократно увеличивается и при достижении порогового значения, которое устанавливается потенциометром, на вывод DO подается логическая единица. Мы обрабатываем эту ситуацию, считывая значение функцией digitalRead, после чего подаем с помощью функции 5В на порт 13 и загорается встроенный в плату светодиод.

Пример скетча

Сегодня мы с вами поговорим о такой интересной штуке, как датчик вибрации, область ее применения зависит от вашей фантазии. Я, например, использовал его как датчик, для приклеив его к рамке, на которой установлена дверь. Теперь поговорим о самом устройстве. Схема датчика была разработана лично мной, и ее нет нигде в интернете - только на нашем сайте. Характеристики ее следующие: устройство начинает работать сразу после правильной сборки – то есть, не нуждается ни в каких настройках, которые мы с вами так не любим, чувствительность просто потрясающая - с десяти метров от него, исполняя какой нибудь танец, микроамперметр или светодиод начнет подтанцовывать вместе с вами. Вот сама схема датчика вибрации:

Микросхему LM358 использовал, так как она, на мой взгляд, является самым распространенным операционным усилителем, есть она в любом радиомагазине, и стоит копейки. В крайнем случае, ее можно выдрать из краба – универсального зарядного для аккумуляторов мобильных телефонов или из автомобильной сигнализации – там они часто встречаются в приемной части, еще можно заменить на LM324 – у нее плюс питания на четвертую ногу, а минус на одиннадцатую при этом конечно уже не соединяем восьмую и четвертую. Пьезодинамик покупаем или достаем из убитых калькуляторов, наручных часов, велосипедных пищалок и прочих пиликающих игрушек. Микроамперметр бывает в советских магнитофонах, усилителях или авометрах (древних тестерах). Пьезик можно заменить на светодиод или небольшой динамик с малым током потребления (около 20-ти миллиампер, тогда убираем R6). Резисторы R3, R5 – могут быть в пределах 1к до 3к3, главное чтоб они были одинакового номинала. Резистор R4 - влияет на чувствительность, меньше сопротивление - выше чувствительность (минимальное что я ставил 0, 33 ом – это подкрадываясь почувствует на расстоянии 5-6 метров). R1, R2 в пределах 47к … 220к тоже оба с одинаковыми номиналами. R6 как ограничение тока, подходит для микроамперметра и светодиода. Конденсаторы C1 и C2 от 1мк до 47мк. Питание датчика вибрации
возможно даже от литиевого аккумулятора 3,7 вольта, тогда для светодиода можно будет убрать R6. В принципе всё, если собрали все необходимые детали - можно начинать сборку. Собираем сначала схему датчика на ОУ и не трогаем пьезодинамик. Вариант изготовления платы смотрим здесь:

Теперь разбираемся с пьезо динамиком. У него есть середина из пьезоэлемента с напылением сверху для пайки, и пластина (обычно бронзовая или никелированное железо) на которой с одной стороны та самая середина из пьезоэлемента. Припаиваем к середине пьезоэлемента провод, другой его конец провода припаиваем к выводу 3 микросхемы, потом припаиваем пластину прямо на плату, а на противоположной от платы стороне к пьезодинамику прикрепляем пружину (для большей чувствительности) смотрим рисунок. Итак, датчик вибрации собран, можно проверять. Подключаем питание и ждем, пока пружина не успокоится. Когда на выходе будет "0” (не светится светодиод или микроамперметр показывает "0”), щелкаем пальцами или хлопаем, датчик должен отреагировать. Если все работает – отлично, если нет, проверьте, нет ли замыканий, правильно ли все соединили. Микросхема вообще должна быть рабочей, даже если вы ее выпаяли из какого нибудь устройства (на ней нет никакой нагрузки). Если интересно как этот датчик работает, читаем тут. У операционного усилителя есть два входа (один из них называют "+” другой "-”) и один выход. Если подаем на вход "+” напряжение больше чем на вход "-", на выходе имеем "+” если же наоборот на выходе будет "-". По схеме напряжение входе "+” меньше чем на входе "–" на пару милливольт и поэтому на выходе имеем "-". Теперь пьезо динамик - такая крутая вещь, что преобразует звук или вибрацию в напряжение (у меня от пьезодинамика даже светодиод светился, просто ударяя по нему карандашом), и он при вибрации увеличивает напряжение на входе "+”и, следовательно, имеем на выходе тоже "+”. Заранее благодарю за повторение моих конструкции. Автор статьи - Леша "левша", устройство испытал: АКА.

Схема простого, но чувствительного датчика вибрации на ОУ LM358. Устройство наладки не требует и начинает работать сразу. Реагирует на шаги с расстояния в несколько метров.

Схема вибродатчика показана на рисунке ниже:

В качестве датчика используется плоский пьезоизлучатель от наручных часов либо похожий. Провод от центральной пластины пьезоэлемента подключается ко входу ОУ. Сам пьезоэлемент закрепляется на контролируемой поверхности. Для усиления чувствительности к основанию пьезоэлемента можно прикрепить небольшую пружинку с грузиком таким образом, чтобы пьезоэлемент работал на изгиб. В спокойном состоянии напряжение на неинвертирующем входе U1 на несколько милливольт ниже, чем на инвертирующем. Поэтому на выходе U1 (выв.1) присутсвует напряжение, близкое к 0 (лог.0). При появлении вибрации на выводе 3 ОУ появляется дополнительное напряжение, которое в сумме с постоянным напряжением от делителя R3-R1-R2 оказывается выше, чем на выводе 2. ОУ переключается, и на его выходе появляется напряжение, близкое к напряжению питания (лог. 1). Таким образом, на выходе датчика формируются прямоугольные импульсы в такт с вибрацией. Выходной сигнал подается на 2 контакт разъема J1.

Резистором R1 подбирается чувствительность датчика. Его номинал может колебаться от 0.33 Ом до 10 Ом. Чем меньше сопротивление - тем выше чувствительность. Кондерсатор С1 выполняет роль фильтра, исключая ложное срабатывание от одиночных импульсов. Резисторы R2 и R3 должны быть одинакового сопротивления от 1 до 3 кОм. Резисторы R4 и R5 тоже должны быть одинакового сопротивления от 47 до 200 кОм.

Датчик может питаться напряженим от 4 до 12 вольт. Резистор R6 ограничивает выходной ток в случае напряжения питания больше 5 вольт и чувствительной нагрузке на выходе. Выход датчика модет быть подключен к микроконтроллеру или транзистору, управляющему, например, реле. Также к выходу датчика может быть подключен светодиод или вольтметр.

Датчик может быть собран на печатной плате, чертеж которой представлен на рисунке:

Пьезолемент подключется через разъем слева. Провода к нему должны быть скручены между собой.

Датчик вибрации своими руками — дополненный простой системой крепления и несколькими спаянными «на весу» компонентами, пьезоэлемент может детектировать механические удары. Собственно датчик состоит из керамического пьезоэлемента и тонкого латунного диска. Такого рода сборка раньше использовалась во многих телефонных аппаратах в качестве источника вызывного сигнала или в наручных часах с будильником.

В зависимости от способа монтажа, датчик может воспринимать удары в направлении одной оси (Рисунок 16) или трех (Рисунок 16). Для одно осевого измерения припаяйте один край датчика к завернутому в монтажное основание винту. На противоположный край припаяйте груз, чтобы увеличить чувствительность датчика. Пара небольших крючков, прикрепленных к основанию, ограничивает движение датчика, не допуская поломки пьезоэлемента.

Если вы хотите, чтобы система была чувствительна к ударам в трех измерениях, один край датчика припаяйте к винту точно так же, как в первом случае. На другой край припаяйте винт с плоской потайной головкой, направленный в сторону, противоположную монтажному основанию. Используйте пару контр-гаек, чтобы увеличить полярный момент инерции конструкции. Положение контр-гаек определяет чувствительность пьезоэлемента. В обоих случаях, для того чтобы не нарушить соединение пьезоэлемента с латунным диском, время пайки должно быть минимально возможным.

На Рисунке 2 изображена простая схема сигнализации. При хорошем щелчке по пьезозлементу на 10-мегаомном резисторе R1 возникнет напряжение в несколько вольт. После этого микросхема сдвоенного таймера 1с1 в течение одной минуты будет включать питание звукового излучателя с периодичностью 1 с. Излучатель звука имеет собственную встроенную схему управления, генерирующую пронзительный сигнал со звуковым давлением 90 дБ.

в качестве датчиков вибрации радиолюбители часто используют пьезокерами- ческие излучатели серии ЗП, больше известные как звуковые «пищалки». Ошибки здесь нет. Пьезоизлучатели являются обратимыми приборами, т.е. они могут генерировать звук (основная функция) или улавливать внешние звуковые колебания (дополнительная функция).

Если корпус «пьезопищалки» жёстко закрепить на шасси исследуемого объекта, то любые щелчки, удары, вибрация будут преобразовываться в переменное или импульсное электрическое напряжение. Полезный сигнал обычно имеет малую амплитуду, поэтому между МК и пьезодатчиком ставят предварительный усилитель. Кроме усиления он играет роль буферной защиты, поскольку резкий и сильный удар по пьезопластине может вызвать короткий импульс очень большой амплитуды, способный повредить МК.

Вместо «пищалок» также используют высокочувствительные промышленные пьезодатчики, применяемые в охранных сигнализациях. Кроме того, в чулане или на чердаке может залежаться старый проигрыватель грампластинок. Его пьезоголовка тоже подходит для экспериментов как хороший высокоомный датчик.

На Рис. 3.31, а…к показаны схемы подключения датчиков вибрации к МК.

Рис. 3.31. Схемы подключения датчиков вибрации к МК {начало):

а) датчик вибрации НА! w МК соединяются между собой через двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1, VT2. Резисторами R1, /? J устанавливают максимальную чувствительность датчика при отсутствии самовозбуждения усилителя;

б) транзисторный усилитель с диодным детектором, удваивающим амплитуду сигнала. Резистором /?/регулируют симметричность ограничения сигнала на коллекторе транзистора VT1\

в) аналогичнРис. 3.31, б, но с дополнительным транзисторным усилителем, с регулятором чувствительности /?2и с другими номиналами радиоэлементов;

г) резистором R1 подбирается рабочая точка транзистора VT1 по максимальной досто1юрно- сти срабатывания датчика вибрации НА 1 (например, если он слишком чувствительный);

Рис. 3.31. Схемы подключения датчико!^ вибрации к МК {окончание):

д) необычное применение телевизионной микросхемы DA 1 в качестве входного усилителя;

е) диоды VD1, KZ)2 защищают транзистор КГ/от всплесков напряжения пьезодатчика НА1, а также от электростатических разрядов. Резистором R1 задают оптимальный режим для АЦП;

ж) датчик для автомобильного стетоскопа. Диоды VDJ, К/)2ограничивают входной сигнал на уровне ±(0.7…0.9) В. Резистором /?2 выставляется рабочая точка АЦП МК примерно в середине передаточной характеристики. Доработка датчика НА 1 заключается в его утяжелении;

з) подключение пьезодатчика к быстродействующему компаратору DA1, имеющему «цифровой» выход с открытым коллектором. Напряжение входного сигнала должно быть не более 5 В;

и) Я/4/ -это вибродатчик музыкальной ударной установки. Питание микросхемы DAlw МК осуществляется от разных напряжений. Вместо пьезодатчика может без изменения схемотехники использоваться оптодатчик с перекрывающимся световым каналом;

к) резистором R! регулируют порог срабатывания сигнала отдатчика вибрации НА1.