Хотя это простое устройство, но его простота продержится ровно до того момента, как попытаешься его реализовать.

Дальнейшее усложнение схемы может улучшить ее, в части надежности, точности, в части гибкости или функциональности, но это можно сделать многими способами, в частности применить другой подход. К этому мы, возможно, вернемся, а сейчас я предлагаю решить другую задачу – создать автомат для «рассеянных».

Автоматическая нянька для рассеянных

Собственно, не только для забывчивых людей, но для удобства даже людей собранных. А, если честно, то несколько примеров, включая этот, мне нужны лишь для того, чтобы показать, насколько проще все можно решить, используя современную элементную базу. Это относится и предыдущей задаче, и к проекту «Светофор», и, как мне кажется, ко многим случаям, с которыми вы можете столкнуться в своей практике. А пока о рассеянных.

Каждый вечер ваша семья собирается дома. Приходите вы, следом приходит с работы ваша жена, возвращаются ваши родители, а первым, возможно, приходит из школы ребенок.

Каждое утро ваша семья уходит из дома. Уходите ли последним вы, уходит ли ваш ребенок, всегда желательно, чтобы все электрические приборы были выключены, еще лучше, если будет перекрыта вода. Достаточно утомительно проделывать это каждый день. А если в вашей семье есть человек безответственный, вроде меня, который вспоминает о том, что надо проверить свет и воду только тогда, когда собирается с работы домой...

Хорошо бы, если бы: при входе в дом автомат подсчитывал, сколько человек вошло; а при выходе из дома подсчитывал, сколько вышло; и если вышли все, кто вошел, то выключал бы электричество. Есть электрические вентили, которые открывают воду при подаче на них напряжения, и перекрывают воду, когда электричество выключено. Вот бы это все собрать!

Попробуем.

Первое, с чем следует определиться, а выбирать будем из того, что уже знаем, так это с датчиком. Я не знаю датчика «подсчета посетителей». В голову приходит простой вариант – фиксировать открывание входной двери. Установить на дверь контактный датчик не сложно, он позволит подсчитывать, сколько раз дверь открывалась.

Возражения против такого датчика: открытая дверь не означает, что кто-то вошел и вышел, открывание двери не определяет, открыта она для входа или для выхода. Существенно.

Некогда я встречал решение в виде двух лучей, приходящих на два фотоэлемента. При пересечении лучей есть возможность определить наличие и направление движения. Но, посмотрев на входную дверь, я понял, что в домашних условиях трудно приспособить подобное устройство без существенных переделок в доме. А, с другой стороны, если поставить такое устройство внутри помещения, дополнить его контактным датчиком на двери, то не получим ли мы требуемый датчик «подсчета посетителей»?

Рассмотрим ситуацию прихода. Срабатывает датчик двери, затем срабатывает фотодатчик. Фиксируя эту последовательность, мы можем точно сказать, что кто-то вошел. Срабатывает фотодатчик, затем дверной датчик, значит, кто-то вышел. Сомнительная ситуация: я подхожу к входной двери, чтобы открыть гостю. Вначале срабатывает фотодатчик, затем дверной датчик, затем (я отошел от двери, приветствуя гостя) фотодатчик, затем фотодатчик срабатывает повторно (гость вошел в дом), затем срабатывает дверной датчик (гость захлопнул дверь), затем срабатывает фотодатчик (теперь уже я закрываю дверь на замок). Ситуация может осложниться еще больше, если гость только подошел к двери, но не вошел в

дом (сосед спросил, когда я уберу свою машину с его места парковки возле дома).

Такая «возня» у входной двери... не знаю, можно ли с этим разобраться... Идем ко входной двери, и сразу становится ясно, что прежде чем разбираться с запутанными ситуациями, следует разобраться с основными: стена, а значит и дверной проем (именно там можно установить фотоприемник и светоизлучатель), настолько тонкая, что я не пересекаю луч света, когда открываю дверь.

Вот так всегда! Сидя за компьютером или за письменным столом, все прекрасно придумываешь, обходишь все трудности, принимаешь решение, а выходишь в реальную жизнь, и все летит «под откос». Если вы думаете иначе, то подойдите к своей двери.

Есть вариант, который мне не нравится. У входной двери лежит коврик, на который наступаешь и когда выходишь, и когда входишь в дом. Снабдив его датчиком давления (???) можно обойти проблему, но придумывать такой датчик совсем нет желания, а покупка готового, большинство датчиков, о которых я сейчас думаю, пришли из систем охраны, которые можно назвать автоматизированными системами защиты от вторжения, покупка такого датчика может оказаться слишком дорогостоящей.

Есть еще одно решение, и оно тоже мне не слишком нравится. Если фотоприемник установить в зоне дверной ручки, там, где оказывается рука, когда открываешь дверь изнутри, то рукой фотоприемник будет «затеняться», подавая нужный сигнал. Не самое изящное решение. В качестве второго датчика можно использовать контактный датчик (герконовый датчик) на входной двери.

И, наконец, есть частное решение, на котором я, пожалуй, остановлюсь. Входные двери в моей квартире устроены так, что есть небольшой тамбур шириной в дверной проем, который разделяет наружную и внутреннюю входные двери. То есть, в наличии две двери, одна из которых открывается изнутри, а другая снаружи. Снабдив их дешевыми герконовыми датчиками, я могу решить проблему с направлением движения: если первым срабатывает датчик внутренней двери, а затем наружной, то это «уход из дома», иначе «приход домой». Мало того, разделяя события на «дверь открыта» и «дверь закрыта», я, как мне кажется, смогу решить проблему с «возней около входной двери». Посмотрим, какая последовательность срабатывания герконовых датчиков получается в трех случаях: приход домой, уход из дома, сосед зашел поздороваться.

Приход домой:

1.Размыкается датчик наружной двери.

2.Размыкается датчик внутренней двери.

3.Замыкается датчик наружной двери.

4.Замыкается датчик внутренней двери.

Уход из дома:

1.Размыкается датчик внутренней двери.

2.Размыкается датчик наружной двери.

3.Замыкается датчик внутренней двери.

4.Замыкается датчик наружной двери.

Зашел сосед поздороваться:

1.Размыкается датчик внутренней двери.

2.Размыкается датчик наружной двери (далее, милая беседа с соседом).

3.Замыкается датчик наружной двери.

4.Замыкается датчик внутренней двери.

Первая половина событий в последнем случае соответствует уходу, но вторая половина приходу домой, что, в принципе, позволит различить последовательность событий. Пожалуй, именно этот вариант устройства датчиков я возьму за основу. Но, поскольку это частное решение, прежде я немного времени уделю тому, как создать датчик из оптопары, элементы которой можно извлечь из старой «мышки», например, или, что лучше, использовать в качестве фотоприемника элемент с названием TSOP. Это микросхема с фотоприемником и фильтром, настроенным на одну из стандартных частот, наиболее часто используемых в ИКпультах управления: TSOP1730 – 30 кГц, TSOP1736 – 36 кГц и т.д.

Для излучателя можно использовать светодиоды ИК диапазона, или попробовать красные светодиоды серии АЛ307, например. В первом случае можно получить лучшие результаты, а во втором, получить лучший контроль – когда светодиод включен, это видно. Сами по себе эксперименты с такой парой достаточно интересны. Разберем первый, скажем, вводный эксперимент.

Рис. 12.8. Вводный эксперимент со светодиодом

Диаграмма показывает, как изменяется ток через светодиод. Поскольку в качестве генератора выбран источник прямоугольных импульсов, ток пульсирует с тем же периодом. Если теперь (на схеме не изображено) с помощью фотоприемника (обычного, а не TSOP) и осциллографа посмотреть на световые импульсы, то они будут похожи на вид, полученный средствами программы Qucs, хотя, видимо, будут не столь «красиво правильны». Светодиод, кстати, я взял из «Библиотеки компонентов», раздел меню Инструменты. Соотнести допустимый и полученный ток, я полагаю вы знаете как, полученный — средний за период.

Можно, раздвигая излучатель и приемник, оценить расстояние, на котором все будет успешно работать. Думаю, это расстояние окажется не больше полуметра. Теперь попробуем изменить схему, добавив всего один элемент.

Рис. 12.9. Развитие вводного эксперимента

Если при таком включении вы постараетесь определить «живое» расстояние срабатывания, оно заметно возрастет. Происходит это по причине кратковременного увеличения тока через излучающий светодиод. Если в первом случае падение напряжения на резисторе R2 было 0.5 В, то во втором, выбросы напряжения достигают 2 В, то есть, ток увеличивается в 4 раза. Осталось привести параметры импульса в соответствие с допустимыми параметрами светодиода. Здесь можно использовать приближенную оценку, проведя (на диаграмме еще присутствует дополнительный ток, который больше, чем нужно из-за величин сопротивлений) прямоугольник подобный тому, что есть на рисунке, и считая величину импульса тока по длительности равной половине основания прямоугольника. Если датчик устанавливать в дверном проеме, то можно довериться положительным результатам при срабатывании фотоприемника на расстоянии в 1 м от излучателя. Впрочем, некоторый запас не помешает.

Отличие в работе обычного фотоприемника (из фотодиода) и микросхемы TSOP в том, что последняя будет поддерживать постоянное напряжение на своем выходе до тех пор, пока получает импульсы с частотой несущей светового сигнала. Пропадают импульсы, сигнал на выходе микросхемы принимает второе «логическое» состояние. Обычный же фотоприемник, а это может быть и фоторезистор, и фототранзистор, будет «честно» пытаться повторить те импульсы, которые он «видит». Соответственно следует устраивать обработку принимаемого

сигнала. В первом случае проще, есть один уровень – состояние ожидания, есть другой – событие. Во втором случае можно использовать детектор, как в радиоприемнике, предварительно усилив сигнал с помощью предварительного усилителя. Если вы в качестве фотоприемника используете фотодиод, напомню, что многие светодиоды могут работать в качестве фотодиодов, то включение светодиода можно произвести, как показано ниже.

Рис. 12.10. Возможный вариант включения фотодиода

Диод D1 на схеме изображает фотодиод, а источник прямоугольных импульсов V1 «изображает» световые импульсы от излучателя, отнесенного на нужное расстояние. Детектор «как у радиоприемника» у меня получился без диода, который должен был бы стоять последовательно с резистором R5. Резистор этот, как вы догадались, ограничивает выходной ток операционного усилителя, и зачем это нужно, вам тоже, думаю, понятно. А диод я убрал, чтобы облегчить режим симуляции в программе Qucs. Но! Если на выходе операционного усилителя вы получите однополярный сигнал, как на диаграмме, то есть, прямоугольные импульсы от 0 до +15 В (напряжения положительного питания), то отчего бы не отказаться от диода? Или я неправ?

Если все получится, как получилось на рисунке, то в режиме ожидания пара светодиод и фотодиод будут формировать напряжение на резисторе R6 (нагрузка, реле, вход следующего каскада и т.п.), а когда фотоприемник укрыт рукой от излучателя, напряжение станет равно нулю. Не мгновенно, но это произойдет. Как быстро это случится, сколько времени пройдет от момента перекрывания луча до срабатывания, с этим попробуйте поэкспериментировать отдельно.

Будем считать, что с датчиками мы разобрались. На выход схемы рисунка 12.10 мы

включим реле, а его контакты будут передавать нам события, происходящие возле дверей. Конечно, реле следует выбирать из тех, что будут успешно работать (по току и напряжению) на выходе операционного усилителя. Или можно добавить на выход операционного усилителя транзистор, в коллекторную цепь которого можно включить реле.

Теперь пора перейти к построению схемы, которая может «обслужить» логику событий. Я не сомневаюсь, как во всех подобных случаях, что самый удобный вариант – это применение микроконтроллера. Но мы с ним не знакомы, увы. Будем «мудрить» с тем, с чем знакомы.

По первому порыву я хочу использовать RS-триггер, то есть, триггер, у которого два входа: S для установки выхода в активное состояние, и R для перевода его в пассивное состояние. Кроме прямого выхода у этого триггера есть инверсный выход, «на котором все происходит наоборот». Сигналы от двух датчиков должны прийти на эти входы, скажем, от внешней двери на вход S, мы «приходим», а от внутренней двери на вход R, мы «уходим». Помимо этой очевидной идеи я хочу использовать импульсы для управления входами, а не потенциалы. В целом триггер можно будет назвать «детектором направления движения». Для получения импульсов пригодится такая схема.

Рис. 12.11. Получение управляющих импульсов от датчиков

Два импульса на резисторах R3 и R4 (out1 и out2) должны будут управлять RS-триггером. Так я предполагаю. Как получаются эти импульсы, вы уже разобрались – это импульсы тока, протекающие по резисторам в моменты, когда размыкаются контакты S1 и S2, за счет токов, протекающих через конденсаторы в переходных процессах. Когда контакты замкнутся, через резисторы R3 и R4 будут протекать обратные токи, формируя импульсы напряжения отрицательной полярности, от которых мы постараемся избавиться. А сейчас, предположив,

что с задачей формирования импульсов мы справились, разберемся с самим триггером.

Рис. 12.12. RS-триггер, как детектор направления движения

В этом месте у меня возникло ощущение, что «детектор направления» обнаружил, что я двигаюсь не совсем «в ту сторону». Давайте разберемся. Что было задумано?

Сигналы от двух датчиков должны прийти на эти входы, скажем, от внешней двери на вход S, мы «приходим», а от внутренней двери на вход R, мы «уходим».

Как детектор, триггер должен принимать активное состояние на выходе Q, если «мы пришли», и иметь низкий уровень, если «мы ушли». Что получилось?

Рассмотрим диаграмму до момента времени, совпадающего с отметкой 1 мС (1m). Выход триггера изначально на высоком уровне (положим, кто-то приходил). Первым срабатывает датчик внешней двери, обозначенный на схеме меткой in, и остается разомкнут до временной отметки 200 мкС (200u), затем он замыкается – дверь закрылась – и на отметке 800 мкС размыкается датчик внутренней двери (на схеме метка out). Выход триггера, сигнал q.X на диаграмме, переходит в состояние с низким уровнем. А это, кажется, означает, что кто-то вышел! Вышел?.. Я все сделал наоборот. Хотел-то я сделать правильно, согласно логике моих рассуждений, что датчик наружной двери дает сигнал «кто-то входит», но триггер фиксирует свое состояние по последнему полученному им сигналу, а последим был сигнал от внутренней двери, а не от наружной. В этом нет ничего страшного – поменяю сигналы. Не было бы ничего страшного, даже если бы все было установлено на дверях, достаточно поменять местами провода от датчиков. Но даже на таком простом примере становится ясно, как легко можно ошибиться, а в более сложном устройстве выявить подобную ошибку было бы гораздо сложнее.

Я переобозначу датчики, как in_door и out_door (датчик внутренней и внешней двери). Теперь, если провести моделирование, то можно убедиться, при последовательности срабатывания датчиков внешний-внутренний триггер имеет высокий уровень на выходе, а при последовательности внутренний-внешний, низкий уровень. Таким образом, проверив состояние выхода триггера, мы можем сказать, каким было последнее событие: приход или уход. Уф!

Мы разобрались, как построить и установить датчики, поняли, как определить направление движения по состоянию RS-триггера. Теперь займемся счетом. Кому, как ни счетчику этим заниматься? Есть реверсивный счетчик, который при подаче импульсов на один из входов увеличивает число, отображаемое на его выходах, а при подаче импульсов на другой вход уменьшает это число. Когда на его выходах будет отображаться нуль, ушли из дома все, счетчик через контактор (реле) будет выключать электричество в доме, обесточив электрические вентили, которые при этом перекроют воду. Вот так. А то, уходя из дома, вечно ломаешь голову – а свет выключил? А на кухне? А в ванной? А воду закрыл?...

Гораздо приятнее мечтать о том, что ты сделаешь, чем делать то, о чем мечтаешь.

С формирователем импульсов разберемся попозже, а сейчас посмотрим, как можно соединить детектор направления и счетчик. В программе Qucs нет счетчика, поэтому я сделаю маленькие счетчики из D-триггеров в количестве двух штук (для двух направлений счета).

Рис. 12.13. Распределение счета после детектирования

Генератор импульсов счета с меткой clock иллюстрирует формирование направления счета

в счетчике. На верхней диаграмме видно, как счетчик начинает отсчет после срабатывания датчика out_door, на нижней, после срабатывания датчика in_door. Конечно, нам не нужно более одного импульса счета. Но эксперимент на данном этапе остается полезен, поскольку после него нам остается решить вопрос с формированием импульса счета, после чего можно собирать всю схему.

Рис. 12.14. Формирование импульса счета

Для формирования импульса счета используется момент, когда обе двери закрыты, а оба датчика замкнуты. Двух-входовая схема ИЛИ-НЕ меняет свое состояние, а сформировать короткий импульс, который распределитель, показанный на предыдущем рисунке, донесет до нужного входа счетчика, можно аналогично тому, как мы получали короткие импульсы для подачи на S и R входы триггера. На диаграмме нужные импульсы представлены двумя нижними сигналами in_count.X и out_count.X, которые получаются благодаря изменению длительности импульсов генераторов S1 и S2.

Как я и говорил, я не собираюсь строить всю схему в данный момент, и затеял я «автомат для рассеянных» не только для того, чтобы показать возможность построения устройства на отдельных элементах. Мне хотелось показать, что когда в программе Qucs не удается полностью нарисовать и смоделировать схему, можно разделить ее на отдельные функциональные узлы, которые можно проверить по-отдельности.

К автомату для рассеянных мы вернемся при рассказе о микроконтроллерах. Но прежде я хотел рассказать об одном интересном преобразователе. О нем мне поведал еще один Александр, он же познакомил меня с программой PSIM. О преобразователе, о программе и из-за чего весь сыр-бор пойдет разговор в следующей главе.