SOS-фонарик на жесткой логике с датчиком удара на пьезоэлементе
Привет, Хабр!
В этой статье я хочу поделиться с вами еще одной своей электронной игрушкой на жесткой логике, которая представляет собой прототип индикатора местоположения. Схема была разработана для демонстрации обратимости пьезоэффекта и использовалась как задание для конкурса по электронике.
Такие устройства называют еще спасательными лампами или флеш-лампами, их устанавливают на спасательные жилеты или оборудование для подачи сигнала «SOS» с помощью световых и звуковых импульсов. Сигнал активируется в случае чрезвычайной ситуации вручную, или автоматически.
Несмотря на то, что «под капотом» вы не найдете ни одного микроконтроллера, устройство обладает полноценной функциональностью. Имеются кнопки для переключения нескольких режимов работы светодиодного фонаря. Есть звуковая и световая сигнализация, которая автоматически включается при падении.
Схема содержит повышающий ШИМ-стабилизатор тока для питания светодиодов, выполненную буквально из того, что валялось под рукой, генератор сигнала «SOS» на логических микросхемах, и пьезоэлемент, выполняющий роль одновременно датчика удара и звукового излучателя.
Если вы успели соскучиться по старой доброй почти ламповой схемотехнике, прошу под кат!
❯ Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический эффект нашел достаточно широкое распространение в современной технике, начиная от генераторов искры в зажигалках и до гироскопов и акселерометров в смартфонах.
Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. В ходе эксперимента с кристаллами сахара, турмалина, кварца, топаза и сегнетовой соли было обнаружено явление возникновения электрического заряда на поверхности кристаллов при деформации вдоль оси их удлинения. Впоследствии были открыты более доступные и практичные материалы, как природные, так и созданные человеком, например, кварц и различные виды пьезокерамики.
Позднее, опираясь на предсказания Габриэля Липпмана, братья Кюри смогли экспериментально обнаружить существование обратного пьезоэлектрического эффекта. В пластине, вырезанной особым образом из пьезоэлектрического кристалла, при приложении электрического поля возникает механическая деформация. Величина этой деформации пропорциональна напряжённости приложенного поля.
В годы Великой Отечественной войны в Советском Союзе выпускали пьезоэлектрические громкоговорители на основе кристаллов сегнетовой соли. Их низкая надежность и качество звучания компенсировались простотой конструкции. По причине простоты конструкции пьезоизлучатели применяют и в современной аппаратуре.
Практически все пьезоизлучатели состоят из тонкой металлической пластины, на которую приклеена пластина из пьезокерамики. На обратную сторону этой пластины методом напыления наносится как минимум один электрод. Между металлической пластиной и напылённым электродом необходимо подавать электрический сигнал, в результате чего возникают звуковые колебания.
Под воздействием вибрации на электродах пьезоизлучателя возникает электродвижущая сила (ЭДС), амплитуда и частота которой пропорциональны механическим колебаниям. Это свойство позволяет использовать пьезоизлучатель в качестве датчика удара.
Таким образом, в моей схеме копеечный китайский пьезоизлучатель выполняет роль датчика удара и пищалки одновременно. Поскольку качество звука меня не сильно волнует, для усиления механических колебаний я приклеил его непосредственно в центр печатной платы.
❯ Основная функциональность схемы
Как это обычно бывает у самодельщиков, отсутствие четкого ТЗ в начале проектирования приводит к тому, что проект может сильно видоизменяться в процессе работы над ним. Так вышло и с этой схемой. Сперва я планировал реализовать только датчик удара на пьезоэлементе. Функциональностью SOS-фонарика схема обросла в процессе. А дополнительные режимы индикации появились позже просто потому, что оставались свободные логические вентили.
Основная часть схемы представляет собой генератор сигнала SOS, который поступает на схему питания светодиодов, и заставляет их мигать. В общем виде эта часть схемы показана на рисунке ниже.
Генератор импульсов подает опорные импульсы с частотой 5Hz для формирования сигнала SOS. Его сигнал поступает на вход генератора с изменяемой длительностью импульса. Под воздействием высокого логического уровня на входе Length, длительность сигнала Puls увеличивается в три раза, длительность паузы всегда остается неизменной. Это необходимо, чтобы формировать длинные и короткие импульсы кода Морзе.
Формирование импульса Puls производится триггером 74HC74. Первый импульс на выходе младшего разряда счетчика 74HC393 устанавливает выход триггера. На вентилях И, ИЛИ, НЕ фактически реализован мультиплексор два входа в один выход, который управляется сигналом Lenght. Мультиплексор коммутирует второй или третий выход счетчика на вход триггера, обеспечивая его сброс на втором или третьем стробирующем импульсе. За счет этого происходит формирование либо короткого либо длинного импульса.
Код Морзе представляет собой последовательность из трех коротких, трех длинных и еще трех коротких. После этого должна следовать пауза в три коротких импульса. Контролирует формирование этой последовательности генератор кода SOS, выполненный на двух счетчиках 74HC393. Первый вентиль U3A считает пачки по три импульса, второй вентиль U3B отсчитывает по четыре таких пачки. Логические вентили И подключены таким образом, чтобы запрещать прохождение импульсов Puls на выход схемы Light после трех пачек импульсов. За счет этого во время последней пачки импульсы на выходе Light отсутствуют.
Чтобы не усложнять схемы, я решил осуществлять питание устройства от четырех батареек типа АА. По мере разряда батареек, напряжение на них может изменяться в достаточно широких пределах. Для того, чтобы обеспечить максимальное время работы светодиодной индикации с равномерной яркостью, было решено использовать повышающий ШИМ драйвер питания светодиодов.
В основе схемы использована хорошо известная и доступная микросхема MC34063. Обычно она используется для построения стабилизаторов напряжения. Но так как в устройстве использованы маломощные светодиоды, то в данном случае вполне можно реализовать на ней светодиодный драйвер со стабилизацией тока. Для этого линейка светодиодов включена вместо верхнего плеча делителя обратной связи, и величина сопротивления резистора R3 теперь ограничивает их ток. Все остальные компоненты схемы выполняют стандартные функции.
Управление световой сигнализацией выполнена без затей на первом попавшемся полевом транзисторе Q1, который отключает стабилизатор напряжения целиком. А транзистор Q2 и стабилитрон D2 выполняют функцию защиты стабилизатора от перенапряжения при обрыве цепочки светодиодов. Можно было этого и не делать, но я сделал.
Перейдем к самому интересному — датчик удара. Он выполнен на пьезоэлементе, который приклеивается в центре печатной платы. Пьезоэлемент формирует электрический сигнал пропорционально механическому воздействию на него. Этот сигнал фильтруется от высокочастотной составляющей, усиливается и поступает на компаратор. Компаратор позволяет настроить чувствительность схемы так, чтобы исключить ложные срабатывания и обеспечить включение сигнализации при падении устройства.
Вот такой получилась первая версия. Но, как я писал ранее, эта схема проектировалась в качестве задания для конкурса. И мне показалось, что сложность ее недостаточна. Поэтому было решено дополнить функциональность. Появились дополнительные режимы индикации: белый свет и белый мигающий, и кнопки для их переключения. Сигнал SOS было решено включать красным цветом, а также возникла идея добавить ему звуковое сопровождение. Батарейки разместились в отсеке, прикрепленном к обратной стороне платы. Как и планировалось — все удалось настроить на срабатывание при падении.
На видео можно посмотреть, как это работало вживую.
Краш-тест пройден успешно.
❯ Дополнительная функциональность схемы
В этот раз для работы схемы понадобились два генератора. Первый — на 5 Гц для формирования световых сигналов, второй — на 5 кГц для формирования звука. Синхронизировать эти сигналы между собой нет необходимости, и особых требований к стабильности их работы нет. Поэтому было решено использовать таймеры NE555. Тем более они неплохо держат частоту в широком диапазоне напряжения питания, это особенно актуально, т. к. схема питается напрямую от батареек без каких-либо стабилизаторов.
В конструкцию усилителя для датчика удара были внесены небольшие изменения. Для того чтобы пьезоэлемент издавал звук во время сигнала SOS, был добавлен транзистор ВС807. Благодаря особенностям логики работы устройства, эти две функции были объединены в одном пьезоэлементе. Когда датчик удара сработает, сигнал на выходе усилителя игнорируется.
Для повышения стабильности в работе схемы я решил добавить еще пару 555-х таймеров. В этот раз они включены по схеме одновибратора. При нажатии кнопок, независимо от дребезга контактов, на выходе схемы формируются одиночные импульсы со стабильными параметрами. Эти импульсы используются для смены режимов работы фонарика.
Сигналы от задающей части схемы поступают на триггер 74НС74. Триггер имеет цепочку сброса, которая при подаче питания переводит его в исходное состояние. При этом формирование сигнала SOS запрещено, фонарик находится в рабочем режиме.
В рабочем режиме фонарик можно переключить в режим SOS вручную, нажав соответствующую кнопку. А также триггер может «защелкнуть» сигнал от датчика удара и перейти в режим SOS. При этом транзистор BC817 с интегрирующей цепочкой на базе запрещает повторное воздействие сигнала от датчика удара до тех пор, пока не будет нажата кнопка перехода в рабочий режим.
Если фонарик находится в рабочем режиме, двоичный счетчик 74НС393 отвечает за выбор состояния индикации. Фонарик может быть выключен, может непрерывно гореть белым светом или мигать им. При каждом повторном нажатии кнопки рабочего режима происходит циклическая смена состояний индикации. Когда активен режим SOS, счетчик будет сброшен, что соответствует состоянию выключенной индикации.
Работу схемы генератора сигнала SOS мы уже рассмотрели выше. Финальная схема отличается только тем, что реализована в базисе 2И-НЕ — пусть студенты помучаются.
Дальше на вентилях 2И-НЕ собран не самый элегантный, но всё же мультиплексор, специализированный на «правильном» распределении сигналов для управления светодиодами и зуммером.
Схема питания светодиодов также уже была нами рассмотрена. Но теперь их стало две — отдельно для питания красных и остальных кристаллов RGB-светодиодов.
Выражаю особую благодарность моему другу ssg1712 за внесённые им улучшения в дизайн печатной платы, на мой взгляд, в этот раз она получилась превосходно.
Результат работы схемы вы можете посмотреть в видеоролике.
❯ Заключение
Конечно, всю эту функциональность можно было легко реализовать на одном крошечном микроконтроллере и не раздувать схему до двух десятков ретро-микросхем. Зато, как и ожидалось, схема SOS-фонарика основательно пощекотала нервы студентам на конкурсе. Надеюсь, она также была интересна и вам.
