Il semplice circuito di allarme antincendio a ultrasuoni spiegato di seguito rileva una situazione di pericolo di incendio rilevando le variazioni delle onde d'aria circostanti o la turbolenza dell'aria. L'elevata sensibilità del circuito garantisce che anche la minima turbolenza dell'aria creata da una differenza di temperatura o da un incendio venga rapidamente rilevata e venga attivato un dispositivo di allarme collegato.
Panoramica
I sensori antincendio convenzionali utilizzano diversi sistemi per identificare il fuoco e sono dotati di ogni sorta di complessità.
Un normale sistema di allarme antincendio utilizza a termometro per rilevare la variazione della temperatura insolitamente elevata causata da un incendio.
Non è fondamentale che solo una parte elettronica come un file termistore oppure viene utilizzato un dispositivo di temperatura a semiconduttore, ma materiale semplice come un collegamento fusibile a bassa temperatura o un interruttore di temperatura bimetallico.
Sebbene si preferisca la semplicità di tali tipi di allarme, la loro affidabilità è discutibile perché il rilevamento avviene solo quando un incendio è già maturato.
Esistono sistemi di allarme antincendio più complessi, ad esempio rilevatori di fumo dotati di una parte semiconduttrice distinta che rileva l'esistenza di particelle di fumo, gas combustibili e vapori.
Oltre a questo, ci sono optoelettronico sistemi di allarme antincendio che si attivano quando il fumo di qualsiasi forma blocca i loro fasci di luce. Questo tipo di sistema di rilevamento incendi è stato pubblicato su Hobby Electronics.
Rilevamento del calore mediante spostamento Doppler
Un nuovo metodo di rilevamento degli incendi utilizzando suono ultrasonico è descritto in questo articolo. Con gli stessi principi di funzionamento del famoso Allarmi antintrusione ad ultrasuoni Doppler Shift , questo sistema di rilevamento incendi è estremamente sensibile alla turbolenza nell'aria, oltre al movimento di oggetti solidi.
Il calore di un incendio elettrico produce un'enorme turbolenza e fa scattare l'allarme. Spesso a causa della turbolenza vengono attivati falsi allarmi. Di conseguenza, questo tipo di allarme antincendio è perfetto per una casa anche se le persone che ci vivono spesso non lo apprezzerebbero.
Come avviene la sana discriminazione
Uno svantaggio dell'utilizzo di un allarme antifurto Doppler Shift come allarme antincendio è l'enorme area di rilevamento fornita da questa unità. In qualche modo, qui questo risulta essere un vantaggio perché il rilevamento rapido diventa possibile anche se un incendio inizia in un piccolo angolo dell'area di rilevamento.
Il principio standard degli allarmi antincendio convenzionali consiste nel rilevare gli incendi ignorando le persone che si aggirano per la stanza. Questo è fondamentale poiché il sistema di allarme è impostato per funzionare finché non viene attivato.
Un tipico allarme Doppler Shift a ultrasuoni non riesce a distinguere tra persone e turbolenza. Pertanto, ha più senso per un sistema di allarme antincendio utilizzare un circuito che governa una piccola area di operazione.
L'unità di allarme può essere collocata in una posizione della stanza in cui il movimento umano è minimo, ma comunque in grado di identificare rapidamente la turbolenza derivante da un incendio.
Sistema funzionante
Un allarme ultrasonico di base è dotato di due circuiti indipendenti collegati tramite la stessa alimentazione.
Il circuito elettronico più semplice funge da trasmettitore che emette frequenze sonore uniformi al ricevitore, che è il circuito più complicato.
Nella Figura 1 è mostrato uno schema a blocchi dell'allarme antincendio.
Come descritto, il circuito trasmettitore lavora per produrre suoni ultrasonici utilizzando un oscillatore e alimenta il segnale attraverso un altoparlante.
Il segnale elettrico viene convertito in onde sonore dall'altoparlante, ma gli esseri umani non possono sentirli perché sono più alti della gamma uditiva.
I comuni amplificatori sonori non funzionano bene alle frequenze ultrasoniche a causa del tipo piezoelettrico di trasduttore di trasmissione.
Di solito, è incluso un moderatore del livello di uscita in modo che la sensibilità del circuito possa essere sintonizzata al livello giusto.
Ricevitore
Un microfono sul ricevitore rileva le onde sonore dal trasmettitore e le converte in segnali elettrici.
Ancora una volta, a trasduttore piezoelettrico specializzato viene utilizzato sul microfono ricevente perché quelli normali non sono adatti a funzionare ad alte frequenze, soprattutto ultrasoniche.
L'estrema manovrabilità del suono ultrasonico causa problemi di rilevamento tra il microfono e l'altoparlante nel caso in cui entrambi i dispositivi siano installati quasi uno accanto all'altro.
In situazioni pratiche, i segnali catturati sono riflessi da pareti o mobili nella stanza.
Inoltre, l'uscita dal microfono è relativamente bassa e tipicamente intorno a 1 mV RMS. Quindi, viene incorporato un amplificatore per migliorare il segnale a un livello di lavoro.
Normalmente, due stadi di amplificazione ad alto guadagno vengono utilizzati come minimo in un antifurto a ultrasuoni. Tuttavia, poiché il sistema di allarme antincendio discusso richiede una minore sensibilità, quindi un singolo stadio di amplificazione è più adatto.
Rivelatore
La sezione successiva del circuito è un rilevatore di modulazione di ampiezza. In una situazione pratica, il segnale rilevato è un'onda di uscita diretta a 40 kHz dal trasmettitore.
Questo segnale viene raccolto utilizzando vari percorsi e in fasi arbitrarie. Tuttavia, entrambe le ampiezze del segnale e le sue relazioni di fase vengono preservate senza alcuna alterazione. Pertanto, nessuna uscita viene generata dal generatore di ampiezza in situazioni pronte.
Ogni volta che c'è movimento davanti al rilevatore o l'aria è turbolenta, l'intero scenario cambia.
Il famoso Doppler Shift prende in carico e produce un'oscillazione di frequenza sui segnali che vengono riflessi dall'oggetto in movimento o disordine nell'aria.
Una parte del segnale comunicato viene raccolto o direttamente o utilizzando oggetti immobili nell'aria resistente alla turbolenza.
Successivamente, due o più frequenze vengono incanalate nel demodulatore di ampiezza. In questa fase, la relazione di fase è oltre la regolazione perché i segnali hanno frequenze variabili.
Forme d'onda ultrasoniche
Quando si osserva il diagramma della forma d'onda nella Figura 2 di seguito, si supponga che la forma d'onda superiore sia il segnale standard a 40 kHz e la forma d'onda inferiore sia il segnale con frequenza alterata. All'inizio i segnali sono in fase oppure aumentano e diminuiscono in scala omogenea mantenendo la stessa polarità.
I segnali in fase vengono riassunti all'interno del demodulatore per generare un enorme segnale in uscita. Successivamente, durante la sequenza della forma d'onda, entrano nella zona anti-fase.
Ciò significa che i segnali continuano ad aumentare e diminuire la loro ampiezza in modo uniforme, ma ora hanno polarità opposte.
Di conseguenza, il demodulatore produce un segnale di uscita debole poiché gli altri due segnali si annullano a vicenda. Ma alla fine, i segnali tornano indietro per essere in fase e rilasciano un'uscita robusta dal demodulatore.
Nel momento in cui il circuito viene attivato, viene misurato un livello di uscita variabile dal demodulatore.
La frequenza del segnale di uscita è la stessa della varianza tra i doppi segnali di ingresso.
Questo è normalmente visto su una frequenza audio bassa o su una frequenza subsonica. Senza dubbio, il segnale dall'uscita viene catturato senza sforzo dopo che l'amplificatore ad alto guadagno lo migliora.
Generatore di allarmi
Una volta amplificato il segnale, viene utilizzato per controllare un circuito latch standard che, una volta attivato, l'allarme continua a suonare fino a quando il sistema non viene ripristinato. L'operazione di blocco è governata da un transistor di commutazione che collega la tensione di controllo al circuito di rilevamento dell'allarme.
Il generatore di allarme è costruito utilizzando un oscillatore controllato in tensione (VCO) moderato da un oscillatore a bassa frequenza.
Una forma d'onda a rampa viene prodotta dall'oscillatore a bassa frequenza e un'uscita dal VCO aumenterà gradualmente di frequenza fino al suo picco.
Quindi, il segnale tornerà al tono minimo e aumenterà progressivamente di nuovo la frequenza. Questo processo ciclico continua e fornisce un segnale di allarme efficiente.
Come funziona il circuito
Il disegno completo del circuito del sistema di rivelazione incendio a ultrasuoni o del ricevitore, è rappresentato nella figura sottostante.
CIRCUITO RICEVITORE : Le linee tratteggiate si uniscono alle rotaie di alimentazione del circuito del trasmettitore sottostante
CIRCUITO DEL TRASMETTITORE
Il trasmettitore è costruito utilizzando un dispositivo timer 7555, IC1. Questo componente CMOS è il tipo a bassa potenza del timer 555.
Per questo tipo di generatore di allarme, un 7555 è l'ideale rispetto a un 555 perché il consumo totale di energia del circuito viene mantenuto solo intorno a 1 mA o meno, il che contribuisce a un uso efficiente della batteria.
Inoltre, l'IC 7555 viene utilizzato in un tipico metodo di oscillazione in cui le parti di temporizzazione R13, RV1 e C7 sono selezionate appositamente per generare una frequenza di 40 kHz.
Il preset è regolato per generare la frequenza di uscita che fornisce l'efficienza ideale dai circuiti di ricezione e trasmissione. Il preset è identificato come RV2 nello schema del circuito.
Ricevitore
X1 è il sensore di cattura del segnale nel circuito del ricevitore e la sua uscita è collegata all'ingresso di un amplificatore emettitore comune progettato attorno a Q1.
A questo punto, viene mantenuta una bassa corrente di collettore di circa 0,1 A per garantire un basso consumo energetico dell'intera parte.
Tipicamente, si potrebbe pensare che ciò provochi meno guadagno da un amplificatore di questo tipo, ma nel complesso è più che sufficiente per l'operazione esistente.
Il condensatore C2 combina l'uscita potenziata da Q1 a un normale demodulatore AM utilizzando D1, D2, R3 e C3.
Successivamente, il segnale conseguente a bassa frequenza viene incrementato utilizzando un secondo amplificatore emettitore comune situato a Q2.
Un altro timer IC1 viene utilizzato come latch. Contrariamente alla pratica normale, il timer IC1 viene utilizzato nell'approccio monostabile che fornisce un impulso di uscita positivo se il pin 2 viene ridotto del 33% dalla tensione di alimentazione.
Di solito, l'ampiezza dell'impulso di uscita sarebbe regolata da una coppia di resistore di temporizzazione e condensatore, ma questo circuito è privo di quei componenti.
Invece, i pin 6 e 7 di IC1 sono collegati alla barra di alimentazione meno. Quando viene attivata, l'uscita di IC1 si accende e continua a essere in quello stato, consentendo l'azione di blocco.
Dal collettore del transistor Q2, il pin 2 di IC1 è collegato e regolato a metà uguale della tensione di alimentazione.
Pertanto, in condizione di standby, IC1 non è attivato. Nel momento in cui l'unità viene avviata, la tensione del collettore su Q2 oscilla.
Inoltre, durante i semicicli negativi, diventa inferiore alla tensione di soglia di trigger. Utilizzando l'interruttore di funzionamento SW1 e l'ingresso di ripristino di IC1 alla tensione di alimentazione 0 V, è possibile ripristinare l'intero circuito.
Il componente utilizzato per incanalare l'alimentazione al circuito di allarme quando l'IC1 è attivato è il transistor Q3. Per motivi di sicurezza, R8 funge da resistenza di limitazione della corrente.
Segnale di allarme
IC2 è l'ultimo chip, che è un loop ad aggancio di fase CMOS 4046BE. Tuttavia, in questo progetto, solo la parte VCO è cruciale. Un comparatore di fase è opportunamente utilizzato ma solo come inverter per il circuito di allarme.
L'inversione dell'uscita del VCO si traduce in un'uscita bifase che consente al risonatore ceramico LS1 di ricevere una tensione picco-picco pari al doppio della tensione di alimentazione.
Di conseguenza, viene prodotto un segnale di allarme stridente. Se necessario, l'uscita dal pin 4 di IC2 può essere migliorata e utilizzata per alimentare un altoparlante standard. Il condensatore C6 e il resistore R12 funzionano come parti di temporizzazione per il VCO. I componenti elettronici forniscono una frequenza di uscita stabile intorno ai 2kHz che è la zona in cui il risonatore ceramico raggiunge la massima efficienza.
Il segnale di modulazione è prodotto da un tipico oscillatore di rilassamento unigiunzione dal transistor Q4. Questo fornisce una forma d'onda a rampa divergente a 4 kHz.
Come impostare
Inizia con RV1 nel punto a metà e RV2 determinato per l'uscita massima che è completamente ruotata in senso antiorario.
Utilizzando un multimetro (se disponibile), impostare RV2 sulla sua tensione CC minima e unirlo su R3 poiché la sonda negativa è collegata alla linea di alimentazione negativa.
Accendere l'unità e posizionare i trasduttori di fronte a una parete o qualsiasi superficie liscia a circa 10 o 20 cm di distanza.
Quando RV1 viene attivato, ci sarà una lettura o un movimento sul multimetro, quindi RV1 viene sintonizzato per raggiungere la lettura massima possibile.
Si consiglia vivamente di fissare un conduttore su SW1 al termine della regolazione poiché il generatore di allarme è silenziato e la sua uscita non può influenzare le misurazioni.
Nel caso in cui un multimetro non sia disponibile, RV1 può essere regolato utilizzando l'approccio per tentativi ed errori per scoprire un valore che funziona per l'intera parte.
Sebbene RV2 sia ben protetto, l'unità di allarme è ancora sensibile. La posizione di montaggio deve essere ben pianificata per l'unità. Un buon punto sarebbe leggermente al di sopra del banco da lavoro dell'operatore, dove è presente il maggior rischio di incendio a causa degli utensili elettrici e dei materiali di saldatura.
Un altro vantaggio di posizionare l'unità più in alto è perché l'aria calda salirà e renderà più facile l'attivazione dell'allarme senza i rischi di falsi segnali creati dalle persone che corrono per la stanza.
Con poche prove, è possibile ottenere una posizione adatta senza le conseguenze di fattori umani e una sensibilità stabile per il generatore di allarme antincendio.
Per testare l'efficacia della posizione dell'unità, un saldatore funzionante viene posizionato sotto e davanti al componente.
Quando viene prodotta aria turbolenta adeguata, dovrebbe attivare l'allarme. All'accensione il circuito viene alimentato ma questa può essere annullata immediatamente ponendo in reset SW1.
Il circuito di allarme antincendio a ultrasuoni non è progettato con interruttore di ritardo all'eccitazione, ma la presenza dietro l'unità deve essere assicurata quando si utilizza SW1. Non ci sono rischi se rimuovi la mano dopo aver attivato l'interruttore.
Elenco delle parti
Progettazione PCB e layout traccia
Immagine prototipo
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