Эта бесконтактная кнопка (по-сути датчик отражения ИК луча) позволяет обнаруживать присутствие объекта, такого как рука или палец, который находясь в зоне действия луча инфракрасного частично его отражает. Схема может не просто менять состояние выхода, как тумблер, а активироваться на заданное время, например включая насос в автоматическом дозаторе мыла или дезинфицирующей жидкости. Устройство может питаться от небольших батареек, так как потребляет очень мало энергии.
Принципиальная схема бесконтактной ИК кнопки
Технические параметры бесконтактной кнопки
- обнаружение объекта с помощью ИК излучения,
- дальность около 5 см,
- выход с открытым стоком,
- регулируемое время активации выхода: от 0,8 до 8 секунд,
- источник питания с напряжением 3 – 6 В,
- средний ток потребления 30 мкА при питании 3 В.
Проект создан потому, что сейчас все большее значение приобретает бесконтактная работа с бытовыми устройствами. Устраняя физический контакт кожи с поверхностью выключателя, мы поддерживаем полную гигиену и сводим к минимуму риск передачи вирусов. Представленная схема периодически сканирует свое окружение с помощью коротких импульсов инфракрасного света и проверяет, отражаются ли они от руки. Если это так, блок активирует выход на установленный период времени. Если он не обнаруживает отражения импульса, он остается в состоянии покоя. Схема отличается тем, что потребляет исключительно малый ток, что позволяет ей очень долго работать от батареек.
Принципиальная схема энергосберегающего датчика отражения приведена на рисунке выше. Его условно можно разделить на две части: передающую и приемную. В передающей части находится генератор прямоугольных импульсов, созданный с использованием элементов R1, C1 и US1B, имеющего триггерные входы Шмитта. Период генерируемого сигнала составляет примерно 770 мс.
За US1B находится схема дифференциатора C2, R2, задача которой – формировать короткие импульсы в тот момент, когда присутствуют фронты сформированного прямоугольного сигнала. Подключение резистора R2 к положительной линии питания приводит к тому, что в состоянии покоя на входе US1A имеется высокое логическое состояние.
Роль резистора R3 заключается в ограничении тока, протекающего через диоды, защищающие вход затвора US1A. Такие импульсы появятся в момент подачи нарастающего фронта на левый вывод C2 – мгновенный потенциал входа US1A страется достичь удвоенного напряжения питания, но диоды, содержащиеся в структуре микросхемы, будут препятствовать этому. В любой другой ситуации через этот резистор не будет протекать ток, поэтому на нем не будет падения напряжения.
Выходной сигнал элемента US1A периодически каждые 770 мс становится высоким примерно на 110 мкс. Его источником являются дифференцированные спадающие фронты сигнала, генерируемого US1B.
Полученные сигналы включают транзистор T1, поэтому светодиод LED1 излучает сильный импульс инфракрасного света. Ток через него ограничивается резистором R4 и не должен превышать 1 А.
Приемный тракт схемы начинается с фототранзистора Т2. Он чувствителен к излучению такой же длины волны, излучаемой ИК LED1. Освещение его отраженным светом заставляет ток течь через коллектор, что вызывает падение напряжения на резисторе R5.
В установившемся режиме на вход US1C подается напряжение, соответствующее высокому логическому состоянию, поэтому на его выходе низкий уровень. Достаточно сильное засвечиание Т2 для переключения его выхода вызывает открытие транзистора Т3. После исчезновения импульса освещения этот транзистор перестает проводить. Резистор R6, подключенный последовательно к входам микросхемы, защищает их от повреждений, вызванных электростатическим разрядом или сильными электромагнитными помехами, которые могут возникнуть при наличии длинных соединительных проводов между транзистором T2 и платой.
Задача Т3 – разрядить конденсатор С3. Ток разряда ограничивается резистором R7. В установившемся состоянии этот конденсатор заряжается до напряжения, равного напряжению подаваемому на схему, так что US1D видит состояние с высокой логикой. При резком разряде этой емкости логика становится низкой, и выход элемента переключается.
Если конденсатор С3 разряжен, значит получен импульс отраженный препятствием. Схема сообщает об этом, поляризуя свой выход OUT с потенциалом земли. Это делается транзистором Т4. Таким образом можно включить электродвигатель, лампу или отправить информацию на панель управления, замкнув ее входную линию на массу.
После исчезновения светового импульса конденсатор С3 начинает заряжаться. Скорость этого процесса определяется сопротивлением последовательного соединения элементов: резистора R8 и потенциометра P1. Чем он выше, тем медленнее будет зарядка, поэтому импульс, генерируемый на выходе, будет длиннее. Резистор R8 устанавливает минимальную длительность этого импульса и одновременно ограничивает зарядный ток C3, так что транзистор T3 и резистор R7 не будут повреждены, даже если потенциометр P1 установить на нулевое сопротивление. Это может случиться в крайнем положении движка P1.
Кстати, выходной импульс может быть увеличен если препятствие все еще находится в пределах рабочего диапазона датчика. Это связано с тем, что C3 регулярно разряжается, и даже его максимальная скорость зарядки (840 мс) меньше периода повторения импульсов LED1 (770 мс).
В схеме используются четыре логических элемента NAND с входами Шмитта типа CD4093. Чип CD40106 мог бы выполнять ту же роль, но тогда два элемента остались бы неиспользованными – поэтому был выбран CD4093.
Схема собрана на двусторонней печатной плате размером 45 х 20 мм. Рисунок дорожек и схема сборки платы показаны на рисунке. Монтаж следует начинать с планарных элементов, которые находятся только на верхней стороне платы. После их пайки можно переходить к потенциометру P1 и разъемам J1, которые паяются через сквозные отверстия. И потом выполнить установку LED1 и фототранзистора T2, чтобы обрезать их выводы до нужной длины и, при необходимости, согнуть их.
Правильно собранная схема сразу готова к работе. Он требует постоянного напряжения питания, хорошо отфильтрованного, но не обязательно стабилизированного, со значением в диапазоне 3 – 6 В. Среднее потребление тока составляет около 30 мкА при питании от 3 В.
Единственная операция запуска, которую необходимо выполнить, – это установить время активации выхода с помощью потенциометра P1. При повороте вправо (ползунок перемещается к MAX) время увеличивается. Минимальное значение этого времени составляет около 0,8 с, а максимальное – около 8 с.
Может случиться так, что часть света, излучаемого передающим IR LED, попадет прямо на фототранзистор, что приведет к самовозбуждению схемы. Тогда между этими элементами нужно вставить небольшую перегородку из материала, непрозрачного для инфракрасного излучения. Другое решение может заключаться в том, чтобы раздвинуть эти два элемента на увеличенное расстояние.
Дальность обнаружения, понимаемая как максимальное расстояние от препятствия до оптоэлектронных элементов схемы, при котором активируется выход, составляет около 5 см в случае руки и питании напряжением 3 В. Этот диапазон может меняться в зависимости от:
- напряжение питания схемы,
- размера и структуры поверхности препятствия,
- расположение передающего светодиода и фототранзистора.
Выход схемы – сток полевого МОП-транзистора с N-каналом. Он соединяет средний контакт разъема J1 с землей на заданное время. Его пороговое напряжение составляет не более 1,2 вольт, поэтому при приложении напряжения затвор-исток 3 вольта или более, он может считаться полностью открытым. Транзистор управляющий выходом защищен диодом D1, предназначенным для сокращения импульсов, генерируемых индуктивными нагрузками, возникающими при их отключении. Если данная нагрузка должна питаться от напряжения выше, чем подаваемое схемой, удалите диод D1 и установите второй защитный диод, встречно-параллельный клеммам этой нагрузки.
Максимальное значение напряжения питания было установлено на уровне 6 В, исходя из тока, протекающего через светодиод LED1 при его включении. Превышение 12 В не допускается, поскольку это максимальное напряжение затвор-исток полевых транзисторов используемых в устройстве.
