Взаимодействие arduino с датчиком звука и управление устройствами с помощью хлопков

Особенности

Электроэнергия поступает на якорные обмотки электродвигателя с помощью коллекторного узла. Во время работы аппарата вращается якорь, появляется контакт, число оборотов довольно большое, это ведет к сильному трению. Щетки образуют «скользящий» контакт, который переводит механику в электрическую энергию. Основной их задачей является: снимать и подводить ток на коллекторы. Электрический ток снимается и с контактных колец. Главное, чтобы щетки были правильно установлены. В комплект с ними входят наконечники с проводами, направленные на качественный крепежный механизм болтов, расположенных на щетках.

Работа ультразвукового уровнемера

Ультразвуковой датчик уровня устанавливается на верхнюю часть резервуара и передает импульс вниз. Этот импульс, движущийся со скоростью звука, отражается обратно в передатчик от поверхности жидкости. Передатчик измеряет временную задержку между переданным и принятым эхо-сигналом, а бортовой процессор устройства вычисляет расстояние до поверхности жидкости.

Ультразвуковой датчик уровня выполняет расчеты для преобразования расстояния прохождения волны в меру уровня в резервуаре. Промежуток времени между запуском звуковой очереди и получением обратного эха, прямо пропорционален расстоянию между датчиком и жидкостью в сосуде.

Частотный диапазон ультразвукового уровнемера находится в диапазоне 15–200 кГц. Низкочастотные приборы используются для более сложных применений, таких как большие расстояния и измерения уровня твердого тела, а высокочастотные — для более коротких измерений уровня жидкости.

Для практического применения ультразвукового датчика уровня, необходимо учитывать ряд факторов.

Вот несколько ключевых моментов:

1. Скорость звука через среду (обычно воздух), изменяется в зависимости от температуры. Преобразователь может иметь датчик температуры для компенсации изменений рабочей температуры, которые изменяют скорость звука и, следовательно, расчет расстояния, определяющий точное измерение уровня.
2. Наличие пены/пыли на поверхности жидкости может выступать в качестве звукопоглощающего материала. В некоторых случаях поглощение может быть достаточным, чтобы исключить использование ультразвукового метода. Для повышения производительности в тех случаях, когда пена/пыль или другие факторы влияют на перемещение волны к поверхности жидкости и от нее, некоторые модели могут иметь направляющую луча, прикрепленную к преобразователю.
3. Экстремальная турбулентность жидкости может вызвать колебания в показаниях прибора. Использование регулировки демпфирования в ультразвуковом датчике уровня или задержки отклика, может помочь преодолеть эту проблему. Трансивер обеспечивает демпфирование для управления максимальной скоростью изменения отображаемого уровня материала и флуктуацией выходного сигнала. Демпфирование замедляет скорость отклика дисплея, особенно когда жидкие поверхности находятся в состоянии перемешивания.

Характеристика ультразвуковых датчиков движения для освещения

Принцип работы датчика движения ультразвукового типа основан на улавливании отраженного сигнала в момент излучения ультразвука. Активация датчика происходит в момент срабатывания сигнала.

Внутри конструкции располагается генератор ультразвука, который характеризуется частотой 20-60 кГц. Приемник принимает отраженный ультразвук. При возникновении движения в поле действия датчика, благодаря эффекту Доплера, изменяется частота сигнала. Выполняется обработка данных колебаний, и в момент превышения установленного уровня срабатывает исполнительный механизм.

Такие датчики могут работать при любых атмосферных условиях, что позволяет установить устройство на улице для освещения двора. Работоспособность прибора сохраняется даже при высокой влажности и чрезмерной запыленности. На эффективность работы не оказывает влияние материал движущегося объекта. Такие комнатные или уличные датчики движения отличаются небольшой стоимостью.

Датчик движения ультразвукового типа работает по принципу, который основан на улавливании отраженного сигнала в момент излучения ультразвука.Обратите внимание! Ультразвуковые устройства отпугивают мышей посредством частых ложных сигналов.

Ультразвуковые датчики движения 12 Вольт широко применяются в системах автоматической парковки в качестве детекторов заднего хода и для контроля слепых зон автомобиля.

Среди недостатков устройства можно выделить тот факт, что ультразвук создает дискомфорт для домашних питомцев. Они становятся агрессивными, непослушными, наблюдаются изменения характера и психологические расстройства. Его иногда применяют для отпугивания собак. При длительном нахождении в зоне действия устройства может возникнуть головная боль даже у человека.

Такие датчики не отличаются большой дальностью обнаружения. Устройства срабатывают лишь на быстрые движения. Их легко обмануть, двигаясь медленно и плавно. Однако можно выставить максимальный порог чувствительности, что позволит датчику срабатывать при обнаружении малейших движений. В этом случае возникает вероятность увеличения количества ложных сигналов.

Датчики движения ультразвукового типа не отличаются большой дальностью обнаружения.

Видео по теме

Хлопковые датчики

Так называемые хлопковые выключатели являются более «продвинутой» версией шумовых сенсоров. Основной их особенностью является то, что они срабатывают исключительно на звук хлопков, которые человек выполняет с помощью ладоней. Такие «продвинутые» устройства совершенно невосприимчивы к многочисленным посторонним шумам в помещении: к звукам музыки или работающих электроинструментов, а также человеческой речи. В этих устройствах применяют специальные полосовые фильтры, для того чтобы сенсор воспринимал только хлопки, количество которых во многих моделях можно даже запрограммировать. Так, например, вы можете установить несколько акустических датчиков в одной комнате, и они независимо друг от друга будут включать/выключать:

• Потолочную люстру. Для этого вы программируете устройство на три хлопка.
• Настольную лампу. Надо сделать четыре удара в ладоши.
• Интерьерную подсветку помещения. Сенсор срабатывает на пять хлопков.

Стоят такие акустические сенсоры значительно дороже (по сравнению с шумовыми аналогами). Например, популярную модель «Claps Max» от российского производителя «Razr Pro» в настоящее время можно приобрести за 2500 рублей. Устройство позволяет управлять нагрузкой мощностью до 1100 Вт! Схема подключения такого приспособления довольно проста и не вызывает затруднений у пользователей, не обладающих определенными электротехническими знаниями.

Произвести предварительную настройку «Claps Max» на срабатывание от определенного количества хлопков (3,4,5 или 6) довольно просто: для этого достаточно снять верхнюю крышку пластикового корпуса и установить перемычку на металлические штырьки в соответствии с инструкцией по эксплуатации.

Принцип работы

Акустический датчик включения света позволит бесконтактно включать и выключать свет в комнате

Акустические датчики управления освещением по принципу работы делятся на два вида:

• Устройство реагирует на любой шум – это наиболее распространенный вид.
• Оборудование, которое реагирует на звуковые команды. Ассортимент подобных моделей невелик, как правило, дома устанавливают самодельные датчики.

Устройства, реагирующие на любой шум

Акустические датчики чаще всего устанавливают в коридорах или подъездах на лестничной клетке. Во время передвижения человек обязательно издает звуки, которые фиксирует датчик. Совместная работа с освещением основывается на следующих принципах:

Вариант №1	Вариант №2
Человек подошел к входной двери в подъезд. Датчик звука уловил шум и дал команду включить осветительный прибор. Пока человек поднимается, датчик не перестает улавливать звуки и не подает команду отключать лампу. После закрытия входной двери в комнату наступает тишина, реле устройства подает сигнал на отключение освещения в подъезде.	Оборудование улавливает звуки, на реле задержки подается сигнал о включении осветительного прибора. По истечении заложенного реле временем освещение автоматически отключается, независимо от того успел человек дойти до квартиры или нет.

Функция задержки отключения может быть встроена производителем в датчик или же дополнено после покупки самостоятельно.

В первом случае система также может быть оснащена функцией задержки, но не отключения, а включения. Такой подход позволяет сократить количество ложных срабатываний ламп, например, при кратковременном шуме.

Оборудование, которое реагирует на команды

Хлопковый выключатель «CLAPS EXT» – удлинитель с несколькими розетками

Речь идет о более громких звуках, например, отчетливый хлопок в ладоши. Рабочее реле такого устройства представляет собой обыкновенное реле шума, только порог его срабатывания ваше и делится оно на две и более команды.

Пример: если хлопнуть один раз в ладоши – свет зажегся, хлопнуть два раза – все осветительные приборы погасли. Его можно устанавливать в жилых помещениях, но в доме с маленькими детьми не всегда удобно хлопать или издавать любые другие громкие звуки.

Технически более сложное в реализации устройство может реагировать на звуковые команды. Например, как браузер реагирует на фразу «Окей, Google».

Шумовые сенсоры

Именно эта разновидность акустических датчиков, отвечающих за включение/выключение освещения, наиболее широко представлена на рынке электротехнических устройств подобного назначения. Срабатывают они от любого источника звука (поэтому их и называют шумовыми): человеческого голоса, звона ключей, стука каблуков, хлопка от открывающейся двери и так далее. После срабатывания датчика освещение включается в том или ином режиме (в зависимости от модели):

• Свет горит только в течение того времени, пока встроенный микрофон фиксирует тот или иной звук в радиусе своего действия (как правило, от 3 до 10 м).
• При возникновении шума происходит включение осветительного прибора, после чего он продолжает работать еще в течение 25÷60 секунд (это зависит от конкретной модели). В некоторых устройствах вы можете сами установить продолжительность активации лампы.

Как правило, шумовой автоматический датчик имеет встроенный светочувствительный элемент, реагирующий на естественное освещение. Как это работает? Очень просто: при достаточном естественном освещении микрофон устройства автоматически отключается и не реагирует на какие-либо звуковые сигналы. По мере наступления темноты он переходит в режим работы, то есть, начинает реагировать на любые шумы, и осветительные приборы включаются. Таким образом, наличие светочувствительного элемента в значительной степени помогает экономить электроэнергию.

Основные места, где целесообразно устанавливать шумовые сенсоры:

• лестничные пролеты и площадки;
• тамбуры перед дверями лифтов;
• редко посещаемые помещения (причем достаточно хорошо защищенные от внешних шумов), например коридоры или подсобные помещения.

Важно! Невозможно применять такие устройства в жилых и офисных помещениях ввиду их низкой избирательности (по отношению к природе происхождения звукового сигнала). Шумовые датчики могут быть выполнены в виде:

Шумовые датчики могут быть выполнены в виде:

• Патрона (со встроенным звуковым сенсором) для установки лампочки.
• Отдельного блока, подключаемого в разрыв проводов питания.
• Стандартного выключателя, который можно установить вместо обычного клавишного.

Разновидности умных устройств-экономов

Поскольку первые звуковые датчики появились еще в начале 90-х годов, прошедшего времени было достаточно, чтобы исправить все недостатки несовершенных устройств. Так на свет появилось несколько разновидностей удобных, эффективных, максимально точных приборов. В наше время можно приобрести один из 3 типов «помощников-«экономистов».

1. Стандартный шумовой датчик. Это обычное оборудование, которое будет реагировать либо на любые звуки, либо на определенный набор команд. Такие модели чаще используют в общественных зданиях, в ваннах, туалетах. Благодаря функции задержки отключения они выключают свет только спустя минуту после наступления тишины. Задержка включения дает возможность избежать срабатывания на удар грома, на сигнализацию.
2. Оптико-акустические устройства. Эти довольно популярные модели отличаются от своих простых коллег. Да, они точно так же ориентируются на звук, но еще реагируют на изменение освещенности, которое не позволяет включать свет в дневное время суток. Конструктивно такие приборы серьезно отличаются от предыдущих датчиков. В них присутствует фотоэлемент, анализирующий степень освещенности в помещении.
3. Акустические датчики движения. Такие устройства используются в охранных системах зданий. Они способны реагировать не только на звук, но и на движущийся объект. Их главный недостаток — «освещение пути» грызунов, домашних животных, которые случайно оказались в радиусе действия датчиков движения. Справедливости ради надо отметить, что далеко не все оборудование так чувствительно к присутствию разномастной «мелкой живности».

Идеал для подъездов, квартир и жилых помещений домов один — это оптико-акустические устройства. По этой причине именно их рассматривают, если владельцев не устраивают счета за коммунальные услуги. Акустические датчики движения трудно назвать универсалами: они являются большим «подспорьем» для освещения придомовой территории загородных владений.

Технические характеристики и особенности

Правильно выбрать ИК-датчик помогут его технические характеристики. Данные представлены в паспорте прибора:

• Сетевое напряжение – обычное 230 В. Любая из моделей работает от обычной сети.
• Потребляемая мощность – в пределах 0,5 кВт. Это позволяет оснастить даже большой дом достаточным количеством датчиков.
• Диапазон обнаружения – угол обзора прибора. Измеряется в градусах. У настенных устройств он составляет диапазон от 120 до 280 градусов, у потолочного – 360.

• Дальность действия – измеряется в метрах. Это расстояние, на котором датчик фиксирует движение. Показатель оценивают по 3 параметрам. Перпендикулярное – самая большая зона, определяется при движении объекта по касательной к сектору. Фронтальная измеряется при перемещении прямо на датчик, дальность присутствия находят, когда человек оказывается под датчиком.

• Степень защиты – IP. Первая цифра обозначит защиту от пыли, вторая – от воды. Минимальный показатель 20. Прибор защищен от касания пальцами, но не защищен от воды. Самый высокий показатель – 65, такой датчик монтируют во влажных помещениях.
• Защита от подкрадывания – стандартная слепая зона датчика – пространство под ним. В современных моделях система исключает такую возможность.
• Температура воздуха – от -25 до +50°С. При более высокой температуре возможны сбои.
• Коммутационная способность – указывает на число подключаемых осветительных приборов – до 40 до 3000 Вт.
• Настройки – вручную в зависимости от места монтажа настраиваются показатели чувствительности, освещенности и времени. Для разных зон рекомендуются разные значения: для проходной время отключения составляет 5 минут, для рабочей зоны – 15. Чувствительность тоже определяется в соответствии с местом установки.

Есть и другие менее значимые параметры – материал корпуса, размеры и прочее.

Сравнение с микроволновым датчиком

Принцип работы микроволнового датчика

В качестве сенсора движения используют также микроволновый датчик. Он работает по радиолокационному принципу: прибор излучает сигнал, тот отражается и улавливается чувствительным элементом датчика. Если отраженный сигнал выше порогового, включается световое или звуковое устройство.

Отличия микроволнового датчика:

• работает в диапазоне сверхвысоких частот, что гарантирует очень высокую чувствительность;
• обнаруживает объект через диэлектрические препятствия: стекло, тонкую стену, деревянную дверь;
• независим от температуры среды или степени освещенности рабочего участка;
• улавливает медленное и незначительное перемещение.

Есть и недостатки:

• высокая цена – приборы устанавливают на важных хозяйственных объектах;
• работа устройства влияет на самочувствие людей и животных.

Поговорим о датчике

Датчик для включения в комнате света с помощью звукового сигнала появился в продаже относительно недавно. Он представляет собой специальное устройство, состоящее из специальной конструкции, в которую вставляется лампочка. Иногда он имеет вид патрона, но наиболее часто встречается в форме пластиковой коробочки.

Он реагирует на звуковые сигналы, благодаря которым и происходит включение света. В роли звукового сигнала может выступать хлопок в ладоши.

Обратите внимание! Такой способ включения очень удобен, но только в ситуации, когда руки свободны. Поэтому некоторые датчики можно запрограммировать на конкретный звуковой сигнал, по которому будет происходить включение света

Установка такого оборудования позволяет снизить энергозатраты, так как многие из нас, ленясь тянуться к выключателю, просто не выключают свет, когда он не особо нужен. Кроме того, перемещение по дому в вечернее время станет более комфортным и безопасным, так как входя в комнату свет можно будет включить при помощи звука, избегая действий в слепую. Именно не включенный вовремя свет очень часто приводит к травмам.

Разновидности

Современный рынок предлагает три вида звуковых датчиков, включающих освещение. Это стандартные звуковые и оптико-акустические модели, а также приборы, реагирующие ещё и на движение.

1. Если классические звуковые модели способны реагировать только на звуковую волну, то оптико-акустические приборы работают несколько по иной схеме. Помимо приёма и обработки звукового сигнала, они способны самостоятельно оценивать уровень освещённости помещения и не позволят включить лампу в светлое время суток, несмотря на присутствие шума. В конструкцию таких моделей входит чувствительный фотоэлемент, реагирующий на количество света в помещении.
2. Звуковые датчики с функцией движения способны включать свет как при прохождении звуковой волны, так и при появлении человека или животного. Однако такие модели не очень удобны в том плане, что часто реагируют на грызунов и домашних питомцев, повышая тем самым процент ложных срабатываний.
3. Стандартные звуковые модели подразделяются на два типа: приборы, срабатывающие от любого шума и командные образцы.

Такие модели устанавливают исключительно в общественные пространства, а в жилых помещениях не используют. Исключение составляют приборы, оснащённые реле задержки отключения, которые иногда используются в ванных комнатах и туалетах.

Образцы дополнены функцией задержки времени отключения и самостоятельно отключаются только через 50-60 секунд после стихания последнего шума. Некоторые модели данного вида оснащены дополнительной опцией задержки включения, которая не позволит прибору зажечь свет от короткого акустического удара, например, раската грома или сигнала авто. Устройство включит свет только в том случае, если шум будет продолжаться в течение сколько-нибудь продолжительного времени. Параметры времени в большинстве случаев можно запрограммировать самому. Достоинствами вида является простота устройства и низкая цена. К недостаткам относят невозможность установки в подъезды, выходящие окнами на шумную магистраль, и использование в жилых помещениях.

Звуковое реле, реагирующее на конкретные команды, например, на хлопок в ладоши, позволяет использовать его в жилых пространствах и офисных коридорах. По своей сути данное устройство является тем же шумовым датчиком, но с более высоким порогом срабатывания, улавливающим одну или две команды. Принцип его действия немного отличается от принципа работы шумового прибора и состоит в следующем: при одном хлопке в ладоши устройство замыкает цепь, свет включается и продолжает гореть до тех пор, пока не прозвучит команда на отключение света. Обычно в качестве команды выключения используют двойной хлопок.

Более сложные модели способны различать голосовые команды, состоящие из кодовых слов. Однако такие образцы больше являются творением домашних умельцев и на рынке присутствуют в ограниченном количестве. Достоинствами моделей этого вида является возможность их установки в места с умеренным шумом, на который датчик не реагирует. К недостаткам относят неудобство использования моделей, работающих по хлопку, при занятных руках.

В целом установка звуковых датчиков быстро оправдывает затраты на их приобретение, существенно экономит электричество и исключает вероятность порчи выключателей злоумышленниками в общественных местах.

О том, как выбрать датчик звука для включения света, смотрите в следующем видео.

Сфера применения

Акустический датчик для работы светильника применяется в следующих областях:

• В подсобных помещениях с редким появлением человека — кладовых, чердаках, подвалах, гаражах.
• В общественных местах — подземных переходах, подъездах, переулках.
• На промышленных и складских объектах.
• В больницах, поликлиниках и других медицинских учреждениях, когда использование выключателя противоречит требованиям санэпидемнадзора.
• В домах, квартирах, офисах в качестве системы умного дома.
• На охраняемых объектах и территориях — для отпугивания злоумышленников.
• На придомовом участке, даче, огороде.
• При необходимости объявления тревоги — на военных объектах, портах, базах.

При монтаже звуковых сенсоров в домашней обстановке достигается сразу несколько целей — повышение бытового комфорта, экономия электроэнергии и увеличение срока годности осветительных приборов.

Подключение звукового датчика с Arduino

Давайте подключим звуковой датчик к Arduino. Подключение довольно простое. Для начала подключите вывод VCC на модуле к выводу 5V на Arduino, а вывод GND на модуле – к выводу GND Arduino. Теперь подключите вывод OUT к цифровому выводу 7 на Arduino. Вот и всё!

На следующем рисунке показана схема соединений.

Рисунок 5 – Подключение датчика звука к Arduino

Как работают акустические датчики управления освещением

Основная цель акустического реле — экономия электроэнергии

Держать включенным освещение нужно только в том случае, если в помещении или на площадке, где оно смонтировано, присутствуют люди. Исключение составляют только дежурные светильники, предназначенные для того, чтобы можно было заметить несанкционированное проникновение на территорию.

Дома оно не применяется. Для того чтобы зафиксировать появление людей, и чтобы лампы работали только в их присутствии, и предназначены датчики акустические для освещения.

Условно датчики можно разделить на два типа:

1. срабатывающие на любой шум, это подавляющие большинство акустических реле промышленного изготовления;
2. реагирующие на звуковые команды, таких реле меньше и чаще они самодельные.

Рассмотрим каждый тип по отдельности.

Реагирующие на шум

Чаще всего для освещения акустический датчик монтируют на лестничных площадках и коридорах. В доме их устанавливать бесполезно, кроме комбинации с   реле задержки отключения  в санузлах и ванных (этот вариант мы рассмотрим тоже).

Если человек передвигается,  то он обязательно издает звуки, пусть даже и негромкие, конечно, если нет задачи пройти бесшумно. Это стук открывающейся или закрывающейся двери, шум шагов разговоры (и даже сработавшего замка). Их и фиксирует датчик.

Совместная работа с освещением его основана на следующем принципе. Например, датчик шумовой для освещения смонтирован на лестничной площадке (о том, где их лучше устанавливать, а где нежелательно расскажем ниже), возможны два варианта.

Первый вариант

1. Человек вошел в двери.
2. Акустический датчик услышал шум и дал приказ на включение освещения.
3. Пока мы идем (если только стараемся не скрывать свои шаги как ниндзя), он слышит шум и оставляете свет включенным.
4. Последний звук — закрытая дверь, освещение отключено.

Второй вариант

1. Реле слышит звук (шаги, замок, скрип двери, разговор), подается команда на реле задержки времени и одновременно включается освещение.
2. После того как прошло заложенное в реле задержки время (одно должно быть достаточным для того, чтобы пройти коридор или лестничную площадку) освещение выключается.

Функция задержки может быть встроена как в само акустическое реле (большинство моделей), так и выполнятся с помощью дополнительных узлов.

Надо отметить, что и в первый вариант работы реле может включаться реле задержки, но только не выключения, а включения. Это делается для того чтобы защититься от ложных срабатываний. То есть освещение не включается от кратковременного шума (например, удара грома на улице или сигнала автомашины), необходимо чтобы звук продолжался в течение некоторого времени.

Реле, реагирующее на шум, имеет как достоинства, так и недостатки.

Достоинства

1. Реле, как правило, несложное, а значит цена на него небольшая.
2. В отличие от датчиков движения оно не срабатывает при передвижении домашних животных и грызунов и на электромагнитные наводки.

Минусы

Чтобы избежать включения в светлое время суток освещение его нужно включать либо вручную, либо с помощью таймера. Возможен вариант установки датчика освещенности на улице.

• Акустическое реле нельзя установить в жилых комнатах, так как освещение будет выключаться, например, после того, как вы устроитесь с книгой на диване и не будете издавать никаких звуков.
• Реле плохо работает, точнее, постоянно включается, если большой уровень фонового шума. Например, нельзя его установить в подъезде, который выходит на шумную улицу.

Реле, реагирующее на команды

В простейшем случае это может быть звук гораздо громче, чем те, которые могут быть слышны при обычном присутствии людей в комнате. Например, хлопок в ладоши.

Автор этой статьи собирал подобную конструкцию в детстве, посещая дом пионеров. Такое реле фактически представляет собой обычное реле шума, только порог его срабатывания выше и оно различает минимум две команды.

Например, хлопнули один раз, свет зажегся, два раза погас. Его вполне можно устанавливать в жилых помещениях, правда, все-таки наверно удобнее пользоваться обычным выключателем, чем постоянно хлопать.

В более сложном варианте можно собрать устройство, которое будет различать голосовые команды. То есть реле будет различать речь, так как браузер различает «О’ Кей Гугл». Правда, промышленных вариантов этого реле пока нет в продаже.