Охранное устройство на микромеханическом акселерометре

   Контрактная разработка электроники на заказ
   и изготовление представленных на сайте устройств,
   nm1456t01@yandex.ru

 

        - http://www.emihappens.com/ смешные

                                                            истории путешественников! :)         

Это - заброшенная версия сайта. Всё новое и прекрасное ищи на http://www.dikoy.info/

 

Охранное устройство на микромеханическом акселерометре

Статья была опубликована в Радио 2010-06 под названием "Охранный сигнализатор с акселерометром".

     Любителям отдыха на природе часто приходится оставлять свои вещи (рюкзак, палатку, лодку, велосипед и т.п.) без присмотра. В таких случаях хочется иметь универсальную охранную систему, способную охранять любой объект собственности туриста и звуком вызывать владельца вещи при попытке кражи. Ведь владелец, как правило, находится неподалёку. Также устройство может оказаться полезным в быту для охраны малогабаритных личных вещей. Устройство характеризуется малым потреблением как в рабочем, так и в спящем режиме. Одного комплекта батарей хватает не менее чем на год интенсивного использования.

     Общее у перечисленных объектов одно - при попытке кражи их будут перемещать в пространстве и (или) изменять их пространственную ориентацию. Проще всего зафиксировать изменение ориентации в пространстве можно при помощи трёхосевого акселерометра.
Акселерометр, это устройство, измеряющее ускорения, приложенные к его осям чувствительности. Простейший механический аналог акселерометра - маятник с пружинкой. При воздействии ускорения маятник будет отклоняться, в покое же возвращаться в исходное положение. В состоянии покоя на акселерометр действует только одно ускорение - ускорение свободного падения (g) значением (модулем) 9,8 м/с2 и направлением к центру Земли. Зная модуль вектора нетрудно вычислить его направление по проекциям вектора на оси чувствительности акселерометра. А, зная направление, нетрудно относительно него определить факт изменения пространственной ориентации акселерометра и связанного с ним объекта. Перемещение объекта в пространстве также связано с воздействием на него ускорений, которые нетрудно зафиксировать акселерометром.
     В устройстве охраны применён микромеханический трёхосевой акселерометр MMA7260QT фирмы "Freescale Semiconductor". Акселерометр имеет три аналоговых выхода сигналов трёх осей чувствительности, два входа gSelect задания диапазона чувствительности (1,5g/2g/4g/6g) и вход перевода акселерометра в спящий режим Sleep. В устройстве используется только диапазон 1,5g, однако входы переключения диапазона подключены к микроконтроллеру (МК) и есть возможность включить любой из существующих диапазонов программно, если это потребуется.
     После подачи питания МК конфигурируется и переходит в спящий режим. В этом режиме устройство потребляет не более 3 мкА, по этому не имеет выключателя питания. В режиме сна также усыпляется акселерометр путём установки низкого логического уровня на входе Sleep (12). Резистор R6 отключается от питания путём перевода вывода 17 МК в высокоимпендансное состояние и не рассеивает на себе энергию. Для включения устройства охраны необходимо кратковременно нажать кнопку SB1. Микроконтроллер выйдет из режима сна и протестирует батарею. Если напряжение питания в норме (более 2,6В), устройство издаст один короткий писк. Если напряжение ниже 2,6В - два писка. Если ниже 2,4В - три писка. Если ниже 2,2 В устройство издаст 6 писков и снова перейдёт в режим сна, при таком напряжении работа акселерометра невозможна. Если напряжение батареи в норме, следует закрепить устройство в месте охраны и снова кратковременно нажать SB1. Запустится пятнадцатисекундный отсчёт, необходимый для успокоения места крепления от вибраций. Каждую секунду отсчёта устройство издаёт один короткий писк. По истечении 15 сек. МК запоминает сигналы осей чувствительности акселерометра и считает их исходными, а также запоминает коэффициент чувствительности, заданный резистором R6 (от 5% до 100% от полного диапазона чувствительности осей), который кратковременно подключается к питанию установкой логического нуля на выводе SCK (17).
     Далее МК переходит в режим охраны: уходит в режим сна и просыпается два раза в секунду, обмеряя акселерометр и оценивая полученные значения. Если теперь сигнал хотя бы одной оси изменится на величину, заданную переменным резистором R6, будет сразу же произведено пять дополнительных измерений по подозрительной оси (для защиты от помех). Если хотя бы три из них подтвердят превышение запомненного при калибровке значения ускорения, включится звуковая сирена. Дополнительно, на выводе MOSI (15) установится логический ноль, а на выводе MISO (16) - логическая единица. Т.к. эти выводы выходят на разъём программирования XS1, их удобно использовать для подключения внешних исполнительных устройств - более мощной сирены, реле и т.п. В режиме охраны усреднённое потребление устройства составляет 20 мкА.
     Отключить сирену можно удерживая нажатой кнопку SB1 не менее 8 секунд. Если устройство не сработало, снять его с охраны можно удерживая нажатой кнопку SB1 не менее 3 секунд, однако при больших значениях установленной чувствительности касание устройства может вызвать его ложное срабатывание. В обоих случаях устройство перейдёт в спящий режим, а состояние выводов 15 и 16 МК изменится на противоположное.



Рис. 1. Схема электрическая принципиальная охранного устройства

     Схема устройства изображена на рис.1. Микроконтроллер DD1 тактируется от встроенного генератора частотой 1 МГц. Разъём XS1 предназначен для подключения программатора. В качестве сирены в устройстве применён пьезокерамический излучатель со встроенным генератором SMA-24L-P10 бельгийской фирмы Sonitron. Эти излучатели отличаются широким диапазоном питающих напряжений (1,8-15 В), малым потреблением (менее 10 мА) и звуковым давлением до 98 дБ. Для получения максимальной громкости сирены, излучатель питается через умножитель напряжения (step-up конвертер) на элементах С2VD1VT1L1C4C5R1R2R3, обеспечивающий напряжение питания излучателя в диапазоне 13,5-14,5 вольт в режиме сирены. Умножитель тактируется от встроенного в МК ШИМ генератора частотой 500 кГц и имеет обратную связь через делитель на R2R3 на внутренний АЦП МК, чем обеспечивается поддержание заданного напряжения питания пьезоизлучателя. В обычном режиме работы (при индикации заряда и отсчёте) тактирования умножителя нет, VT1 заперт низким логическим уровнем на затворе и пьезоизлучатель питается через катушку L1 напряжением батареи. Этим обеспечивается сравнительно малая громкость звука устройства, комфортная для владельца. Делитель R2R3 также отключён от питания выставлением высокоимпендансного состояния на выводе 8 МК. В случае срабатывания сирены МК подключает делитель на элементах R2R3 путём выставления низкого логического уровня на выводе 8 и включает ШИМ генератор. Step-up конвертер "накачивает" напряжение на выходном конденсаторе, составленном из С4 и С5. Напряжение контролируется при помощи седьмого канала АЦП при каждом проходе цикла программы. Если напряжение превышает 14 В, тактирование отключается и конденсаторы С4С5 разряжаются. Как только напряжение опускается ниже 14 вольт, тактирование включается снова. Таким образом напряжение питания пьезоизлучателя всегда находится в безопасном промежутке 13,5-14,5 В независимо от нагрузки. Управляет работой пьезоизлучателя транзистор VT2.
     Устройство собрано на односторонней печатной плате размерами 82*50 мм (см. рис.2) и не требует наладки. Форма платы адаптирована для стандартного корпуса G1200 и имеет необходимые для прохождения стоек шурупов вырезы по краям. Все детали устройства (кроме GB1-GB2, SB1, R6, XS1, L1 и HA1) в корпусах для поверхностного монтажа и монтируются со стороны печати. Резисторы и неполярные керамические конденсаторы размерностью 0805, танталовые конденсаторы С2, С4, С5 в корпусе типа В или С. Транзисторы VT1-VT2 и диод VD1 в корпусе SOT-23, DD1 в TQFP-32, DA1 в QFN-16.

Рис. 2. Габариты и размещение элементов на плате охранного устройства


     GB1-GB2, SB1, R6, XS1, L1 и HA1 монтируются с обратной стороны платы в отверстия. SB1 типа TC-0103, TC-0108, TS-A2PS-130, TS-A4PS-130 или аналогичная кнопка с высотой толкателя не менее 13 мм. Разъём XS1 типа PLD-10 2x5. Дроссель L1 типа SDR0604, устанавливается при помощи припаянных к контактным площадкам проводков. Может быть заменён на любой дроссель номиналом 10 мкГн с предельным током обмотки не менее 100 мА. Резистор R6 типа R1212N или 235012-50KB. Может быть заменён любым переменным резистором номиналом 47к-100к с соответствующим изменением печатной платы. Батареи GB1-GB2 типа ААА устанавливаются в батарейный бокс типа BH421-3A или BH-621. Бокс крепится к печатной плате клеем.

    Прошивка, чертёж платы в формате sprint layout 5, фото устройства и прочая полезная инфа находятся в данном архиве (~5 Мб).

 

        WBR Dikoy, nm1456t01@yandex.ru 31.07.2010г.