Акустические датчики для освещения

Как подключить датчик звука к Arduino

Для этого занятия нам потребуется:

  • плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
  • макетная плата;
  • датчик звука (микрофон);
  • 1 светодиод и 1 резистор 220 Ом;
  • провода «папа-папа» и «папа-мама».

Датчик звука для Ардуино имеет на плате подписанные выходы (обозначение у каждого производителя может отличаться), но проблем с подключением датчика к Ардуино возникнуть не должно. Питание датчика производится от 5V, выход (OUT, S или AO) подключается к любому аналоговому входу на Arduino Uno, а выход DO к Pin 2, если требуется получать цифровой сигнал на Ардуино с датчика микрофона.

Фото. Как подключить датчик звука к Arduino UNO

Чтобы сделать своими руками светильник, который будет включаться по хлопку в ладоши необходимо собрать электрическую схему из следующих элементов: светодиод с резистором, плата Arduino и датчик звука для включения света своими руками. Светодиод можно подключить к любому выходу, в скетче мы использовали Pin 11. После сборки схемы, подключите Ардуино к компьютеру и загрузите скетч.

Источник

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.

Достоинства и недостатки

Главные плюсы датчика шума для включения света:

  • Существенное снижение энергопотребления системы подсветки.
  • Уменьшение затрат на замену перегоревших лампочек.
  • Доступная стоимость. Установка даже дорогих моделей быстро окупается в расчете на два выше приведенных преимущества.
  • Приемлемый радиус действия — так, что прибор слышит шаги приближающегося человека с противоположного конца цеха, зала, длинного коридора.
  • Большой выбор разнообразных моделей.
  • Регулируемые параметры чувствительности и задержки времени отключения.

Из недостатков работы оборудования выделяется некорректная работа в условии наличия фоновых звуков, включая ложные срабатывания или полностью неработающее состояние. Подобные минусы чаще всего проявляются в очень шумной обстановке или у дешевых моделей.

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.

Вариант для самостоятельного изготовления

Тем, кто увлекается радио-электро техникой и имеет достаточно навыков в пайке и сборке различных полезных для дома устройств, не составит особого труда изготовить акустический датчик самостоятельно. Самый простой вариант:

Приобретаем готовый набор деталей с печатной платой, входящей в комплект (стоимость около 100 рублей).

Производим распайку всех элементов в соответствии со схемой.

Проверяем работоспособность изготовленного приспособления.

Самодельное приспособление для управления освещением с помощью голосовых команд можно изготовить на базе популярного конструктора Arduino и совместимых с ним модулей распознавания голоса.

Простой пример: обнаружение звука

Теперь, когда всё подключено, вам понадобится скетч, чтобы проверить эту схему в работе.

Следующий пример обнаруживает хлопки или щелчки и выводит сообщение в мониторе последовательного порта. Попробуйте скетч в работе, а затем мы рассмотрим его подробнее.

#define sensorPin 7 // Переменная для хранения времени, когда произошло последнее событие unsigned long lastEvent = 0; void setup() { // Настраиваекм вывод, к которому подключен датчик, как вход pinMode(sensorPin, INPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { // Прочитать показания датчика int sensorData = digitalRead(sensorPin); // Если на вывод подан низкий логический уровень, то звук обнаружен if (sensorData == LOW) { // Если прошло 25 мс с момента последнего состояния низкого логического уровня, // это значит, что обнаружен хлопок, а не какие-либо ложные звуки if (millis() — lastEvent > 25) { Serial.println(«Clap detected!»); } // Запомнить, когда произошло последнее событие lastEvent = millis(); } }

Если всё в порядке, то при обнаружении хлопка вы должны увидеть вывод в мониторе последовательного порта, похожий на приведенный ниже.


Рисунок 6 – Вывод работы скетча обнаружения хлопков

Объяснение

Скетч начинается с объявления вывода Arduino, к которому подключен вывод OUT датчика.

#define sensorPin 7

Затем мы определяем переменную с именем lastEvent, которая хранит время с момента обнаружения хлопка. Это поможет нам устранить ложные срабатывания.

unsigned long lastEvent = 0;

В функции setup() мы определяем сигнальный вывод, к которому подключен датчик, как входной. А также настраиваем последовательную связь с компьютером.

pinMode(sensorPin, INPUT); Serial.begin(9600);

В функции loop() мы сначала читаем состояние цифрового вывода датчика.

int sensorData = digitalRead(sensorPin);

Когда датчик обнаруживает какой-либо звук, достаточно громкий, чтобы пересечь пороговое значение, логический уровень выходного сигнала становится низким. Но мы должны убедиться, что звук вызван хлопками, а не случайным фоновым шумом. Итак, мы ждем 25 миллисекунд. Если логический уровень на выводе остается низким в течение более 25 миллисекунд, мы заявляем, что обнаружен хлопок.

if (sensorData == LOW) { if (millis() — lastEvent > 25) { Serial.println(«Clap detected!»); } lastEvent = millis(); }

Разновидности

Акустические датчики включения света доступны рядовому потребителю в следующих модификациях:

  1. Классические. Это стандартные модели с двумя регуляторами — звукового уровня и времени работы. Реагируют на любой шорох в зависимости от настроенного порога чувствительности.
  2. Гибридные.
    • Оптико-акустические. В приборах сочетаются два вида детектора — звуковой и световой. Помимо стандартного режима работы — от звука, устройство включается в зависимости от уровня дневного света. Начинает функционировать только при наступлении сумерек или иных условий отсутствия естественного света.
  3. С дополнительным сенсором движения. Благодаря этому лампочка зажигается не только при обнаружении звуковых волн, но и при попадании в сектор обзора двигающегося объекта – транспортного средства, человека, животного и так далее.
  4. Усовершенствованные. Это умные модели, способные реагировать на конкретные команды человеческого голоса, определенные фразы и слова. Такие модели полностью исключают ложное срабатывание даже при наличии сильного звукового фонового.

Каждая модификация имеет свои особенности, технические характеристики и нюансы эксплуатации. Это нужно учитывать при выборе прибора для конкретного места применения.

Обзор аппаратного обеспечения

Звуковой датчик представляет собой небольшую плату, которая объединяет микрофон (50 Гц – 10 кГц) и схему обработки для преобразования звуковых волн в электрические сигналы.

Этот электрический сигнал подается на встроенный высокоточный компаратор LM393 для его оцифровки и выводится на выход (вывод OUT).


Рисунок 2 – Регулировка чувствительности датчика звука и компаратора

Для регулировки чувствительности выходного сигнала модуль содержит встроенный потенциометр.

С помощью этого потенциометра вы можете установить пороговое значение. Таким образом, когда амплитуда звука превысит это пороговое значение, модуль выдаст низкий логический уровень, в остальных случаях будет выдаваться высокий логический уровень.

Эта настройка очень полезна, когда вы хотите запустить какое-то действие при достижении определенного порога. Например, когда амплитуда звука пересекает пороговое значение (при обнаружении стука), вы можете активировать реле для управления освещением. Вот вам идея!

Совет: поворачивайте движок потенциометра против часовой стрелки, чтобы увеличить чувствительность, и по часовой стрелке, чтобы ее уменьшить.

Рисунок 3 – Светодиодные индикаторы питания и состояния

Помимо этого, модуль имеет два светодиода. Индикатор питания загорится, когда на модуль подается напряжение питания. Светодиод состояния загорится, когда на цифровом выходе будет низкий логический уровень.

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.

Принцип работы

Звуковой датчик, необходимый для включения света относится к группе акустических механизмов. В основе принципа его работы лежит обнаружение устройством акустической волны. Такая волна распространяется по прибору, проникая вовнутрь. При этом он регистрирует любые отклонения от стандартных параметров, которые возникают в результате распространения звуковой волны. В качестве реперных точек используется скорость волны и ее амплитуда. Скорость волны, в свою очередь, регистрируется через показатель частоты и фазности.

Любой прибор, созданный для включения освещения в помещении с помощью звукового сигнала, должен устанавливаться в разрыве линии питания осветительного прибора.

Схема установки датчика

Сама же работа прибора идет по следующему алгоритму:

  • прибор находится в режиме «акустический контроль». В данном режиме датчик способен уваливать звуковой сигнал;
  • при наличии громкого акустического сигнала прибор его улавливает вследствие резкого изменения звукового фона;

Обратите внимание! В качестве звукового сигнала датчик может расценивать хлопок дверью, шаги человека, открытие двери, голос и т.д. при улавливании звуковой волны, прибор включает свет на 50 секунд

Это время он не реагирует на изменения звукового фона в помещении

при улавливании звуковой волны, прибор включает свет на 50 секунд. Это время он не реагирует на изменения звукового фона в помещении.

По такому алгоритму прибор работает до следующего изменения звукового фона в помещении. Если он не зарегистрировал акустические волны, то свет будет автоматически отключен.

При регистрации шума работа прибора будет продлена еще на 50 секунд. Этот алгоритм будет повторяться на всем протяжении эксплуатации прибора.

Также следует указать, что звуковой датчик в своей работе использует пьезоэлектрические материалы. В физике под пьезоэлектричеством понимают определенный вид электрического заряда, который формируется благодаря наличию механического напряжения. Пьезоэлектрические материалы при использовании электрического поля определенного заряда вызывают механическое напряжение. Таким образом, пьезоэлектрические звуковые сенсоры способствуют развитию механических волн с помощью электрического поля. На основе этих явлений и происходит работа акустических датчиков.

Акустический датчик

Приемником звукового сигнала здесь выступает микрофон. Он служит преобразователем акустических колебаний в имеющемся переменном электрическом напряжении.

Такие микрофоны бывают следующих типов:

  • низкоомные – представляет собой катушку индуктивности, оснащенной подвижными магнитами. Они выступают в роли переменных резисторов;
  • высокоомные – является эквивалентом переменного конденсатора.

Кроме этого микрофоны могут быть:

  • электретными двухвыводными;
  • электретными трехвыводными.

Но такие микрофоны имеют несколько некачественную передачу сигнала. Для улучшения их работы необходим специальный усилитель, который будет предварительно усиливать акустическую волну.

При всем том, что электретные микрофоны схожи с пьезодатчиками, они отличаются от них линейной передачей, а также значительно широкой частотой. Это позволяет прибору проводить обработку полученного сигнала без его искажения.

Как показывает практика, такой принцип работы очень надежный, что гарантирует длительную эксплуатацию прибора. Поэтому наслаждаться этим технологическим устройством вы будете довольно долго.

С датчиком, ориентированным на прием звукового сигнала, вы оптимизируете процесс включения света у себя в доме или в отдельной комнате. Установка прибора позволит вам больше экономить, и вы уже не будете с прежним страхом заглядывать в квитанции по электроэнергии.

Описание и назначение

Датчики звука появились в начале 90-х годов и использовались в системах безопасности. Изначально они прославились низкой чувствительностью и ложными срабатываниями. Современные модели исправили эти недостатки и теперь они очень чувствительные и срабатывают только в подходящий момент.

Нынешние датчики владеют возможностью распознавать звука на основе записанного в него эталона, который записан в само устройство. Простые датчики не могут анализировать и реагируют на любой шум, чуть дороже – на хлопок, а лучшие образцы запрограммированы на огромное количество команд, поэтому стоят намного дороже.

Назначение это чудо техники получило в осветительных приборах, выполняя функцию включения и выключения света, когда приближается человек и образуется шум, то свет включается через 1-2 секунды, когда звук пропадает, проходит 15-0 секунду и происходит выключение света. Их используют в подъездах, жилых комплексах, больницах, туалетах. Они являются отличным выходом для семей, где есть дети. Очень часто, ребенок боится темноты, а такой датчик сможет решить проблему темных коридоров и страхов детей.

Как это работает?

Принцип работы, который имеет датчик движения для включения света, заключается в использовании сенсора (пироэлектрического устройства). Он функционирует очень точно за счет повышения напряжения на выходе, при условии увеличения уровня ИК-излучения по сравнению с общим фоном. Свет включается с помощью внутреннего реле датчика.

Вне зависимости от типа устройства, выходные сигналы, которые получает датчик присутствия для включения света, в зависимости от необходимости поступают прямо на контроллер, выдающий сигналы управления на контрольный пункт:

  • сигнализацию;
  • реле для включения света;
  • вентиляционную систему;
  • систему кондиционирования помещения.

Это помогает “умному дому” быть крайне полезным для хозяев.

Например, пока вы открываете дверь, дом уже начал проветривать комнату, заполняя ее свежим воздухом. Либо же, наоборот, начинает проветривание или охлаждение, когда в помещении нет никого.

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 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.

Критерии выбора


Специалистами было разработано несколько правил и рекомендаций, прислушиваясь к которым можно подобрать подходящий датчик звука для включения осветительных приборов в конкретных случаях:

Если монтаж оборудования будет проходить на улице, устройство должно быть оснащено степенью защиты IP не менее 55, а предпочтительнее 65. Если датчик будет находиться под навесом и влага на него попадать не будет, можно ограничиться классом защиты 44. Если устройство предназначено для помещений, где отсутствует повышенная влажность и запыленность, степень защиты может быть еще меньше.
Учет мощности осветительных приборов

При установке датчика звука важно также правильно подобрать мощность ламп. Сделать это нетрудно, достаточно узнать мощность основного осветительного прибора в комнате и подобрать датчик, мощность у которого с небольшим запасом.
Радиус действия тоже имеет большое значение, поскольку этот фактор позволяет учесть максимальный интервал, на который он будет реагировать

Как правило, этот показатель колеблется в пределах 6-50 метров. Для небольших помещений нужно выбирать датчики с минимальными показателями.
Оснащение фотореле. Большинство современных моделей ими дополнительно оснащаются, поскольку этот узел позволяет еще больше сократить расходы на электроэнергию.