НВЧ-датчик руху RCWL-0515

В інтернеті та в радіомагазинах можна недорого придбати НВЧ-датчики руху RCWL-0515 і RCWL-0516 [1]. Звісно, це не принципово нові пристрої, аналоги з'явилися вже давно, але ці датчики стали останнім часом доступними через невисоку вартість. Принцип їхньої роботи однаковий, відрізняються вони схемами та мають невеликі відмінності в параметрах. Далі докладніше читайте датчик руху RCWL-0515.

Основні параметри цього датчика наведені в [2]. Робоча частота — 2,7 ГГц; заявлена максимальна дальність виявлення — 7...15 м; кут виявлення — 360°; вихідний сигнал — логічні 0 або 1; інтервал напруги живлення — 4... 15 В (за деякими даними4...18 В), споживаний струм без навантаження — 4...6 мА, габаритні розміри — 24x17 мм. Всі заявлені параметри загалом відповідають дійсності. Але дальність виявлення сильно залежить від розмірів і матеріалу рухомого об'єкта, а також від наявності та розташування навколишніх предметів і перешкод. Елементи датчика змонтовані на двосторонній друкованій платі, яка зображена на рис. 1 і рис. 2.


Але спочатку трохи про принцип роботи датчика руху RCWL-0515. Він ґрунтується на ефекті Доплера [3], суть якого полягає в тому, що якщо якийсь об'єкт є джерелом сигналу (електрономобільного або іншого коливання), залежно від того, наближається він до спостерігача або видаляється, частота отриманого сигналу відрізнятиметься від випромінюваного. Під час зближення частота збільшується, у разі видалення — зменшується. За цими змінами можна визначити швидкість наближення або видалення об'єкта.

Цей ефект є властивостями всіх електромагнітних та інших ширюваних коливань, наприклад, світла та звукових хвиль. У масштабах розширюваного всесвіту ефект Доплера проявляється в так званому "червоному зміщенні" [4], а на побутовому рівні він широко використовується, наприклад, у поліцейських радарах і просунутих системах безпеки автомобілів. До речі, під час Другої світової війни ефект Доплера використовувався в радіолокаційних вибухачах [5], якими забезпечувалися артилерійські зенітні снаряди. Під час зближення з літаком такий радіувач зробляв. Усім відомий також ефект зміни частоти сигналу поїзда під час його проїзду повз спостерігача. У разі наближення його частота вища, а під час видалення знижується.

У разі активної радіолокації, коли відбувається приймання відбивного сигналу, відбувається порівняння частот випромінюваного та відбиваного сигналів. Якщо сигнал відбивається від нерухомого (відносно передавача) об'єкта, частоти переданого та прийнятого сигналів збігаються. Якщо об'єкт рухається, з'явиться різниця між частотами цих сигналів. Тому для побудови датчика руху необхідно визначити наявність цієї різниці. Так і зроблено в датчикі руху RCWL-0515. Можливий, звичайно, і пасивний варіант датчика руху, але тоді передавач має бути на рухомому об'єкті, а частота його сигналу відома та стабільна.

Зміна частоти під час ефекту Доплера називають доплерівським зміщенням або доплерівською частотою Fd [6], яка залежить від частоти сигналу та швидкості зближення або видалення. Для випадку радіолокаційного виявлення Fd = 2-V0-cosaA, де Vo — швидкість руху об'єкта; а кут між напрямком руху об'єкта та напрямком на нього; X — довжина хвилі коливання. Цифра 2 означає, що сигнал проходить подвоєну відстань, тобто до об'єкта та назад. Оскільки А. = Vc/Fc, де Vc — швидкість поширення сигналу; Fc — частота сигнала, то Fd= 2-Vo>cosa-Fc/Vc. З цього вираження видно, що Fd тим більше, що більша частота сигналу Fc і менша швидкість його поширення Vc. Крім того, якщо об'єкт переміщається перпендикулярно напрямку на датчик, тоді cosoc = 0, отже, і Fd = 0, тобто датчик рух реєструвати не буде.

Тому стає зрозумілим, чому для підвищення чутливості та роздільної здатності датчиків руху, що працюють у діапазоні радіохвиль, потрібно збільшувати частоту сигналу. Завдяки тому, що швидкість поширення звукових хвиль на кілька порядків менша за швидкість поширення електромагнітних хвиль у вільному просторі, ефект Доплера сильніше проявляється під час поширення саме звукових хвиль.

Наведений вираз дає змогу оцінити частоту Доплера в датчикі RCWL-0515 для випадку, коли Гс = 2,7 ГГц і об'єкт наближається до нього або видаляється від нього зі швидкістю Vo = 5 км/год (швидка): Fd = 2-V0-Fc/Vc = 25 Гц, де Vc — швидкість світла. Якщо акустичний датчик руху працюватиме на ультразвуковій частоті Fc = 40 кГц, для того ж випадку Fd = 2*VO-FC/VC = 336 Гц, де Vc — швидкість звуку. В обох випадках під час видалення об'єкта частота буде зі знаком мінуса, у разі наближення — зі знаком плюс.

Отже, у датчику руху мають бути генератор сигналу, приймача-передаюча антена, перетворювач частоти (змішувач) і аналізувальний пристрій, який виробляє сигнал залежно від того, чи є поблизу нього рухомі об'єкти або немає. По суті, виходить так званий автодинний приймач [7].


Усі ці елементи є й у датчику RCWL-0515. Його спрощувана функціональна схема, що пояснює принцип роботи, показана на рис. 3. Антена А1 забезпечує передавання сигналу НВЧ-генератора G1 і приймання відбиваного сигналу. У змішувачі U1 відбувається перетворення сигналу. Активний фільтр Z1 виділяє низькочастотний сигнал і підсилює його. Пороговий пристрій A4 спрацьовує, коли рівень низькочастотного сигналу перевищує певний рівень. Формувальник А5 виробляє вихідний сигнал певної тривалості. Якщо в датчику RCWL-0515 встановити фоторезистор R, пристрій реагуватиме на рівень освітленості. Коли вона достатня, порожевий пристрій A3 блокує формування вихідного сигналу. Взамін фоторезизора можна встановити, наприклад, терморезистор відповідного номіналу, і тоді датчик вмикатиметься або вимикатиметься за певної температури довкілля. Якщо встановити дротяну перемичку, робота датчика буде блокована. Живлення всіх вузлів здійснюється від стабілізатора напруги А2.


Схема датчика RCWL-0515 показана на рис. 4. Вона складена на основі плати (см. рис. 1, рис. 2) і опису датчика в [2]. Нумерація елементів — довільна, оскільки на друкованій платі немає. На транзисорі VT1 (BFR520 [8]) зібраний НВЧ-генератор. Частозавальними елементами слугують конструктивна котушка індуктивності L', конденсатор С і деякі інші елементи на платі. Ці елементи становлять відкриту резонансну систему, яка одночасно виконує й функції антени. Крім того, транзистор VT1 працює як змішувач, салонний сигнал генератора та відбитий сигнал. Різультувальний низькочастотний сигнал через ФНЧ R6C7 надходить на подальше оброблення.

Отже, каскад на транзисорі VT1 і його обв'язка виконують функції вузлів А1, G1 і U1 одночасно (див. 3). Інші вузли розміщені в спеціалізованій мікросхемі ТТ1712В, інформацію про яку знайти не вдалося, але це в цьому разі не має великого значення. Можливо, активний фільтр Z1 (см. рис. 3) зібраний на вбудованому в мікросхему ОУ, вхід якого — виведення 2, а вихід — виведення 1. До ланцюга зворотного зв'язку входять елементи R5, R7-R9, С6, С8. Конденсатор С6 визначає нижню межу смуги пропускання — 1,5...2 Гц, а конденсатор С8 визначає верхню межу смуги пропускання — приблизно 20 Гц. На частоті понад 20 Гц посилення зменшується плавно. Резистори R5, R7-R9 слугують для встановлення необхідного коефіцієнта посилення. Резистор R5 (маркування на платі — G+) на платі не встановлений, він слугує для збільшення коефіцієнта посилення. Резистор R8 (маркування на платі — G-) на платі також не встановлений, він слугує для зменшення коефіцієнта посилення. Поріговий пристрій A4 (см. рис. 3) вбудований у мікросхему, і як він працює, поки невідомий.


Ланцюг R13C11 задає тривалість вихідного сигналу, який виробляє формувальник А5 під час спрацьовування датчика. Цей сигнал (без навантаження) — з рівнями лог. 1 — 3,3 В і лог. О. О. На виході датчика встановлений токоігранувальний резистор R14, що дає змогу під'єднувати до нього світлодіод, краще за червоне або зелене світіння. В описі на датчик RCWL-0515 наведена інформація про те, що за вказаних на схемі номінатах ланцюга R13C11 тривалість вихідного сигналу — 5...6 с. У разі встановлення додатково конденсатора С12 (маркування на платі Т+) місткістю 10 нФ тривалість становитиме 50...60 с, а з конденсатором місткістю 100 нФ — 500...600 с. Очевидно, що постійна часу ланцюга R13C11, навіть із додатковим конденсатором С12, на багаторяджень менше тривалості вихідного сигналу. Це наводить на думку про те, що ланцюг R13C11 є задньою для RC-генератора, імпульси якого підраховує вбудований у мікросхему лічильник. Це підтверджено після перевірки форми напруги на конденсаторі С11, яка показана на рис. 5.

Поки датчик не спрацював, на цьому конденсаторі є напруга приблизно 3,3 В. Під час спрацьовування датчика починає працювати вбудований релаксаційній генератор і конденсатор С11 заряджається і розряджається між напруженнями 1,2 В і 2,25 В. Частота проходження імпульсів із зазначеними на схемі номіналями ланцюга R13C11 — приблизно 20 кГц. Ці імпульси підраховує (видимому, двоїчний десятирозрядний) лічильник, у разі переповнення якого RC-генератор зупиняється і вихідний сигнал датчика стає рівним нулю. У разі подальшого спрацьовування датчика, найімовірніше, лічильник обнуляється, і формування вихідного сигналу починається заново.

Якщо датчик виявить рух під час дії вихідного імпульсу, відлік його тривалості почнеться заново.

Виведення 3 мікросхеми DA1 працює як вхід Enable, який дає змогу активувати або дезактивувати формування вихідного сигналу. Напруга активації — приблизно 0,7 В, але не більш ніж 3,3 В. За напруги менш ніж 0,7 В на виведенні 3 мікросхеми датчик неактивний. Це необхідно враховувати під час під'єднання фоторезизора (терморезизора), для якого призначене посадкове місце з маркуванням CDS. Для підстроювання порога спрацьовування можна використовувати додатковий резистор R10, який на платі не має маркування, а посадкове місце для нього є в лівому нижньому кутку плати на рис. 1.

Всі вузли, вбудовані в мікросхему, а також каскад на транзисорі, живляться від стабілізатора напруги 3,3 В, вбудованого в мікросхему. Завдяки цьому датчик працює за великого інтервалу живильної напруги, а споживаний струм водночас залишається практично постійним. Поживна напруга подається на виведення 5 мікросхем, а стабілізована напруга знімається з виведення 8.

Найприродніше застосування датчика RCWL-0515 — у сигналі про несанкціоноване проникнення в приміщення, що охороняється, автоматі увімкнення освітлення, підсвічування тощо. Але вихідної напруги (3,3 В) і струму датчика здебільшого недостатньо для увімкнення будь-якого виконавчого пристрою, і потрібно застосування додаткового каскаду на польовому або біполярному транзисорі.

Для під'єднання акустичного сигналізатора можна застосувати каскади, схеми яких показані на рис. 6. Для зазначених на схемі елементів можна використовувати малопотужні сигналізатори, наприклад, НРМ14АХ, НРМ24АХ, AW1B23TSP, SC235B, SCT235, SUL516, SULM516 та аналогічні. Якщо ж необхідно вмикати потужну сирену з вбудованим генератором, краще застосувати схему на рис. 6,6 і потужний польовий транзистор із малою напругою відкривання, наприклад, IRLB3034 або аналогічний.


Для керування електромагнітним реле додатковий каскад можна зібрати по одній із схем, показаних на рис. 7. Тут номінальна напруга реле має відповідати напрузі живлення. Контактами реле можна вмикати та вимикати різні пристрої, зокрема й мережі 230 В, що живляться. Але ці контакти мають бути розраховані на це напругу та струм, що споживається пристроєм.

У деяких випадках під час спрацьовування датчика RCWL-0515 тривалості імпульсу на його виході може бути недостатньо. Тоді можна встановити додатковий конденсатор С12 з маркуванням на платі Т+ (см. рис. 4). Якщо цей варіант не підходить і потрібне оперативне регулювання тривалості імпульсу, можна застосувати розширювач імпульсу на логічне мікросхемі (мал. 8.


Працює він у такий спосіб. У вихідному стані транзистор VT1 закритий, конденсатор С1 розряджений, на входах логічного елемента DD1.1 високий логічний рівень, тому на його виході низький рівень. У разі появи вихідного сигналу датчика RCWL-0515 польовий транзистор відкривається й конденсатор С1 швидко заряджається практично до напруги живлення. У цьому разі на нижньому по схемі входи елемента DD1.1 буде низький рівень, а на виході — високий. Оскільки тривалість вихідного імпульсу датчика RCWL-0515 5...6 с, цього часу досить для заряджання конденсатора С1. Резистор R1 обмежує струм заряджання, а завдяки застосуванню логічного елемента з перемикачною характеристикою тригера Шміта вихідного сигналу пристрою має прямокутну форму та круті фронт і спад. Після закінчення вихідного імпульсу датчика RCWL-0515 транзистор VT1 закриється і конденсатор С1 повільно розряджатиметься через резистори R1-R3. Водночас струм розряджання, а отже, і її тривалість визначає насамперед резистор R2. Якщо в цей час на виході датчика RCWL-0515 з'явиться імпульс, конденсатор С1 буде знову заряджений і витримка часу почнеться спочатку. Коли конденсатор розрядиться приблизно до третьої частини напруги живлення, логічний елемент DD1.1 перемкнеться в стан із низьким рівнем на вході. Тривалість вихідного імпульсу розширювача залежить від ємності конденсатора С1 і введеної частини опору резистора R2. Для отримання стабільної витримки треба застосувати конденсатор із малим струмом витоку.