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ARTÍCULO DE TAPA:MONTAJE PARA SISTEMAS DE ALARMA

Sensor de MovimientoPor Ultrasonido con 2500 m2 de Cobertura

En los tiempos en que nos toca vivir, estar protegidos es casi una obligación y ésto in-cluye no sólo el interior de nuestras viviendas sino también ambientes de gran espa-cio como salones, garages, parques, patios, etc. Basados en el Radar de Saber 111,construimos un sensor de movimentos capaz de detectar variaciones en el espacio,dentro de un radio de cobertura de más de 30 metros, lo que permite cubrir superfi-cies de 2500 m2 o más (área circular). Los ajustes de sensibilidad y umbral tambiénposibilitan “calibrar” el volumen del objeto en movimiento para que una alarma no sedispare con el movimiento de un pájaro o la caída de una hoja. A su vez, está diseña-do para que no detecte la caída de rayos o el molesto escape de un camión.

El “corazón” del equipo es un par de transductores de ultrasonido que deben ser per-fectamente apareados. Cualquier modelo se puede emplear, pero debe conocer la fre-cuencia exacta de trabajo para colocar los componentes apropiados en la placa de cir-cuito impreso.

Autor: Ing. Horacio D. Vallejoe-mail: hvquark@ar.inter.net

Las frecuencias que se eligenpara la realización de equiposgeneradores y receptores de

ultrasonidos están ubicadas por en-cima de los 20kHz (20.000 ciclospor segundo). La gama de frecuen-cias empleada va desde 35kHzhasta 45kHz, ya que es ésta la ele-gida por los fabricantes de trans-ductores, que son los elementosencargados de realizar la “traduc-ción” necesaria fundamental paraefectuar la emisión y la recepciónde las señales. En el sistema quepresentamos en este artículo, tra-bajamos con una frecuencia de 40kHz; si bien no hay ningún inconve-niente en operar con frecuencias di-ferentes, si se emplean los trans-ductores apropiados. Por tal motivo,antes de armar el radar, es necesa-rio que consulte en su localidad so-bre la existencia de pares Tx – Rxde ultrasonido, con el objeto de sa-ber a la frecuencia que operan labase de funcionamiento de estoselementos es el principio piezoeléc-trico que presentan los cristales decuarzo y algunos tipos especialesde cerámicas.

Un comando por ultrasonidos,está normalmente compuesto pordos equipos. Uno será el generadory emisor de un haz de ultrasonidos,que será recogido por el receptor,con un nivel de señal pequeño, porlo cual será necesario amplificaresas señales cap-tadas con el objetode conseguir el su-ficiente nivel paraexcitar un sistemade disparo (de unaalarma, por ejem-plo), luego de reali-zar la correspon-diente transforma-ción a niveles decontinua.

De esta forma,el receptor se com-portará como un in-terruptor que co-

mandará un circuito exterior a tra-vés de un conector apropiado.

En la figura 1 se presenta el dia-grama en bloques que describe elfuncionamiento del equipo transmi-sor.

En él se observa que existe unoscilador encargado de generar laseñal de 40kHz necesaria para es-tablecer el enlace, dicha señal esamplificada convenientemente yluego enviada hacia el transductorque dará origen a la onda de ultra-sonido.

En la figura 2 se muestra el dia-grama en bloques de un receptor, elcual consiste básicamente en unamplificador que aumenta el nivelde la señal captada por el transduc-tor y un convertidor de dicha señala niveles de continua, capaces de

provocar el accionamiento de un re-lé encargado de poner en marchaun equipo auxiliar que dependerádel uso que le demos a nuestro dis-positivo.

El dispositivo que proponemosemplea al transmistor y al receptorde ultrasonidos en la misma placade modo que, al estar ubicada enuna posición estratégica el receptorcaptará la señal emitida por eltransmisor y aquellas que surjan de“rebotes” de la señal transmitida enparedes y otros objetos. Colocandotransductores apareados y de bue-na calidad, es posible captar seña-les reflejadas que han rebotado amás de 30 metros del transmisor,con lo cual es posible “cubrir” unárea circular de más de 2800 me-tros cuadrados.

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Figura 2

Figura 1

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Sensor de MovimientoPara explicar el funcionamiento

del circuito que proponemos en es-te artículo, debemos decir que po-see tres etapas distintas, que deta-llamos a continuación:

Etapa transmisoraEtapa receptoraEtapa reaseguro o histéresis

El principio de funcionamientose basa en el efecto Doppler, quebásicamente consiste en que unafrecuencia acústica sufre una varia-ción proporcional a su velocidad dedesplazamiento.

Este fenómeno no sólo se pro-duce en las frecuencias acústicas,sino también en la de ultrasonido yRF.

El efecto Doppler se puede ob-servar cuando se tiene la sensa-ción de que el “silbido” de la máqui-na de un tren en movimiento, emiteuna frecuencia más aguda al apro-ximarse y más baja a medida que eltren se aleja, aunque en realidad lasirena posee siempre la misma fre-cuencia.

En el caso de nuestro proyecto,es la persona extraña la que, al mo-verse, provoca este efecto Doppler.

Cuando el transductor transmi-

sor emite una frecuencia de40.000Hz, parte de esta señal llegadirectamente al transductor recep-tor, a la que se le superpone la on-da reflejada, que llega desde lasparedes, y otros objetos existentesen la habitación.

Esta última, al llegar con retrasorespecto de la onda directa, tieneuna frecuencia ligeramente distinta,que se mezcla con la onda directaproduciendo un batido de señales.

Suponiendo que la frecuenciade la señal reflejada sea de39.970Hz, al mezclarse con los40.000Hz, por diferencia se obtie-ne:

40.000 – 39.970 = 30Hz.

Cuando se produce un movi-miento de objetos, por ejemplo,cuando ingresa una persona, lasondas reflejadas rebotan en sucuerpo y, en consecuencia, se redu-ce la distancia que recorren y au-menta la frecuencia, que puede lle-gar a 39.980, por ejemplo, al mez-clarse con los 40.000Hz, se obtieneuna diferencia de:

40.000 – 39.980 = 20Hz

Se puede apreciar que hubouna variación de 20Hz, con respec-

to a la frecuencia original y de 10Hzcuando se produjo un movimiento.

En general, la variación de fre-cuencia de la onda reflejada puedevariar entre 5Hz y 50Hz, depen-diendo de la distancia a la que seencuentre el objeto en movimientoy justamente deberemos “detectaresta variación” para producir el dis-paro de un sistema de alerta.

Para la construcción de la etapatransmisora de nuestro proyecto,nos basamos en el circuito de la fi-gura 3 (que es parte del esquemacompleto).

El integrado IC6 es un CD.4011,que contiene cuatro puertas NANDde dos entradas, mientras que IC1es un contador síncrono binario do-ble.

La primera compuerta NAND(terminales 5, 6 y 4 del IC6), juntocon los dos condensadores C18 yC17, la resistencia R25 y la impe-dancia J1, conforman un osciladorde onda cuadrada muy estable, ca-paz de generar una frecuencia de320kHz.

Esto es así porque C17 y C18(que a los fines del circuito resonan-te están en serie) junto con J1 po-seen una frecuencia de resonanciade:

1f = –––––––––––––––

––––––2 . π . √ L . C

Como C17 en serie con C18presentan una capacidad de 1nF(1,1 x 10-9F) y J1 posee una impe-dancia de 180µH (180 x 10-6H),reemplazando valores:

1f = –––––––––––––––––––––––––––

––––––––––––––––––2 . π . √ 180 . 10-6 . 1,1 . 10-9

f = 357.674Hz

Luego, como en paralelo conFigura 3

C17 y C18 tenemos capacitores va-riables (Cv1 y Cv2) del tipo “tan-dem” plástico 20x20 de los usadosen radios portátiles, los ajustamospara que la frecuencia final sea de320kHz.

Cabe aclarar que si no consigueJ1 de 180µH, puede reemplazarlapor cualquier otro valor comercial(entre 10µH y 500µH) o construirlaUd. mismo (consulte las fórmulasde cálculo en www.webelectronica-.com.ar con la clave: bobina) y lue-go calcular la capacidad que preci-sará por medio de la fórmula:

1C = –––––––––––––––

(2 . ππ . f)2 . L

Luego, C17 y C18 serán dos ca-pacitores de igual valor y del doblede la capacidad hallada por la fór-mula enterior.

La señal de 320kHz se aplica a

la pata 2 del integrado IC1 donde sufrecuencia es dividida por 8, y seobtiene la salida en el terminal 5.

320.000 : 8 = 40.000Hz

De esta manera se obtiene unaseñal de frecuencia correcta para laexcitación de transductores ultrasó-nicos convencionales. Si consigueotro par de transductores que ope-ren en una frecuencia diferente (porejemplo, 35kHz), se deberá modifi-car el valor de los capacitores C17y C18 para que el primer osciladortrabaje a una frecuencia diferente(en nuestro nuevo caso sería280kHz).

Note que no se construye un os-cilador de 40kHz directamente por-que el rendimiento de los transduc-tores es máximo para esta frecuen-cia con un ancho de banda del or-den del 5% de la frecuencia central,por lo cual, si tenemos en cuenta la

tolerancia habitual de las resisten-cias y de los capacitores para reali-zar un oscilador que opere en40kHz, es difícil que nos mantenga-mos dentro de la tolerancia.

Hemos comprobado que al tra-bajar con una frecuencia superior yluego hacer la correspondiente divi-sión, podemos operar con un mejormargen sin inconvenientes.

La señal de frecuencia igual a40kHz presente en la pata 5 de IC1,se aplica a las entradas de otrasdos NAND de IC6 que se utilizancomo drivers amplificadores de co-rriente para excitar al transductortransmisor.

Note que a la cápsula transmi-sora, se aplican dos señales enoposición de fase que serán emiti-das pero no podrán percibirse poroídos humanos.

En la figura 4 se puede ver un

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Frecuencímetro Mod. FD-30. Digital de 8 dígitos, hasta 1250 MHz. tresentradas, HF hasta 40 MHz, alta impedancia, VHF y UHF 50 ohms.

Frecuencímetro Mod. FD-34. Digital de 7 dígitos, hasta 40 MHz. idealTV, Video y Radioaficionados.

Generador Mod. GC-38. Color binorma, super económico.

Generador Mod. GC-29. Color binorma, PAL-N y NTSC, salida RF consintonía fina, salida de video con polaridad y amplitud ajustable, salida sin-cronismo compuesto con pulsos de ecualización.

Capacímetro Mod. CD-44. Digital de 4 dígitos, desde 0 pF hasta 9999 uF, ajustede pF para compensar capacidad de cable coaxial de medida

Generador de Audio Modelo GA-43, de 10Hz a 1MHz, con displaydigital de 4 dígitos para visualizar la frecuencia, distorsión menor al 0,2%,atenuador de 600Ω desde +10dB a -100dB y ondas cuadradassimultáneas:

Generador de Funciones Mod. GF 60, desde 0,1Hz hasta 10MHz,ondas triangulares, cuadradas y sinusoidales, simetría variable entre el15% y el 85%, nivel CC variable, salida protegida:

Inductómetro Digital. Mod. ID-68, desde 10µH hasta 1.999µH, cua-

tro dígitos, error entre 4% y 10%. Rapidez de lectura. Ideal para taller o lab.

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Sensor de Movimiento

detalle de la placa de circuito impre-so con los componentes correspon-dientes al transmisor.

La etapa receptora incluye unFET y cuatro amplificadores opera-cionales del tipo LF356 tal como seobserva en el circuito de la figura 5.

La frecuencia ultrasónica gene-rada por el transductor transmisores captada por el receptor y amplifi-cada por el FET Q1. Dicho transis-tor posee un circuito resonante a lafrecuencia de trabajo (40kHz) fijadapor J2 y C20. Aquí debemos hacerlas mismas consideraciones quepara el caso del transmisor, es de-cir, si tenemos dificultades en con-seguir una inductancia de ese valor,podemos emplear otra y calcular elcapacitor con la fórmula dada, peroteniendo en cuenta que ahora lafrecuencia de sintonía es de 40kHz

y no de320kHz (yaque el recpe-tor opera enesta frecuen-cia). La señalampl i f i cadase rectificacon los dosdiodos D1 yD2, por lo queen los extre-mos del con-densador C3hay una ten-sión continuaque será blo-

queada por el capacitor C4, paraque no llegue a la pata 3 de CI3.

Si se mueve un objeto, las on-das recorrerán un trayecto distintopara alcanzar la cápsula receptoray, debido al efecto Doppler, la señalvaría en amplitud y en frecuencia,tal como lo hemos explicado ante-riormente.

De esta manera, durante el mo-vimiento, Q1 amplificará una señalde frecuencia variable, con lo cual,dicha variación podrá “pasar” C4 yllegar hasta la entrada no inversoradel operacional CI3.

Esta nueva señal que surge dela variación de frecuencias de la se-ñal de ultrasonido captada, se am-plifica en CI3 y CI4 que están pro-yectados para amplificar únicamen-te las frecuencias subsónicas, com-prendidas entre 5 y 50Hz, aproxi-

madamente, pero no las frecuen-cias superiores.

Al limitar la banda de amplifica-ción a frecuencias de hasta 50Hz,nos evitamos el disparo por truenoso el paso de vehículos.

Con P1 ajustamos la sensibili-dad, ya que con él se modifica laganancia del primer amplificadoroperacional.

La señal amplificada por CI3 yCI4 se transfiere, a través del con-densador electrolítico C11, a losdos diodos D3 y D4 que entreganuna tensión continua de carga aC12.

Este capacitor está conectado ala pata no inversora de C15 y, comola pata inversora de este mismooperacional recoge una tensión dereferencia del potenciómetro P2,mientras la tensión en la entrada noinversora se mantenga por debajode la tensión existente en la pata in-versora, en la salida de dicho ope-racional se presenta un nivel lógico0, que mantendrá cortado al tran-sistor Q2 y el relé no será operado.

Cuando la tensión positiva en lapata no inversora supera la existen-te en la entrada inversora, comoconsecuencia de la detección de unmovimiento, en la salida de esteoperacional se produce un nivel ló-gico “1”, que polariza a la base deltransistor Q2, excitando el relé.

En la figura 6 se puede ver undetalle del receptor de la placa decircuito impreso.

Figura 4

Figura 5

En el circuito eléctrico completode nuestro sensor, que aparece enla figura 7, se observa un tercer blo-que formado por CI2 y sus compo-nentes asociados. Para explicar sufunción, digamos que cada vez quese enciende el dispositivo, hastaque C13 no se haya “cargado” total-mente, se produce un paso de ten-sión positiva a través del terminalnegativo de CI2, por lo que al termi-nal no inversor llega una tensiónpositiva que en el instante inicial esde 12V y luego va decreciendo,conforme a la carga de C13.

Como en la pata inversora hay4,5V de tensión, fijada por el divisorresistivo formado por R18, P2 yR20, en la salida de dicho operacio-nal se produce un nivel lógico 1que, aplicado en la pata de reset 7de IC1, bloquea la etapa divisoradel CSD4520 y al transductor trans-misor no le llegará la señal de40kHz. Ese nivel lógico 1, se aplicatambién a la pata no inversora deCI5, modificando el nivel de umbralque previamente hemos fijado pormedio del trimmer P2.

Con esto, la salida de CI5 semantiene “forzada” en un nivel lógi-co bajo, lo que impide que el tran-sistor Q2 conduzca y active el relé.

Transcurridos estos 15 segun-dos, cuando C13 se haya cargadototalmente, en la pata 6 de CI2 ten-dremos un “0” lógico; que se aplicaal reset del divisor, y se produce la

emisión de se-ñal. Por otraparte, D9 noconduce, y enla pata 2 de CIestará nueva-mente presen-te la tensión fi-jada por P2.Cuando el relése activa, au-tomáticamen-te se presen-ta, en el colec-tor del transis-

tor Q2, un nivel lógico 0, es decirque este terminal queda eléctrica-mente conectado “a masa”.

Este nivel hará disminuir la ten-sión presente en la pata 2 de CI2,debido a la presencia de R17. Estotambién obliga a que disminuya latensión en pata 2 de CI5, con locual deberá descargarse C12, dadoque la tensión entre entradas de unoperacional, es siempre mínima.

En la práctica, C12 tiene quedescargarse totalmente, por lo quecualquier pequeño movimiento rea-lizado por la persona extraña queha penetrado en la habitación, im-pediría que este condensador “des-cendiera” por debajo de este nuevoumbral.

El led L1, que se enciende cadavez que opera el relé, sirve comoverificación del funcionamiento deldispositivo.

El contacto del relé podrá accio-nar un siste-ma de alar-ma, un con-trol de proce-sos, ect.

Para ali-mentar estecircuito se re-quiere unatensión de12V.

En condi-ciones pasi-vas, el circui-

to consume menos de 20mA y, conel relé excitado, 50mA.

El circuito impreso propuesto,con la ubicación serigráfica de loscomponentes, se muestra en la fi-gura 8.

Una vez construido el circuitoimpreso, se puede realizar el mon-taje del dispositivo, sin que esto exi-ja cuidados especiales.

Lo primero que debe hacer esverificar la frecuencia de salida deltransmisor y para esto precisa unfrecuencímetro. Coloque el instru-mento en la pata 5 de CI1 y ajusteCv para obtener una lectura de80kHz.

Para realizar el ajuste se debeoperar sobre los potenciómetros P1y P2.

En primer lugar se dejan los re-sistores variables en la mitad de surecorrido y se aplica la tensión dealimentación.

Para mayor seguridad, luego de30 segundos, nos movemos cercadel radar y veremos cómo se en-ciende el led y se conecta el relé.

A diferencia de los sensores pi-rométricos, el radar por ultrasonido,detecta movimientos en cualquiersector de la habitación en la que seencuentren los transductores (yasea por delante o por detrás), por lotanto, cuanto más grande sea elambiente, mayor deberá ser la sen-sibilidad, para lo cual se debe ajus-tar P1, para que tenga una resisten-cia más baja. Esto se consigue co-

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Figura 6

Aspecto de laplaca armada delsensor

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Sensor de Movimiento

Figura 7

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Figura 8

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rriendo el cursor de P1 en sentidohorario.

Por otra parte, el umbral de dis-paro no deberá ser muy alto, para locual se deberá realizar elajuste correspondiente so-bre P2.

Cuando se debe cubriruna distancia superior a los5 metros desde el lugar don-de se coloquen los trans-ductores, es aconsejableajustar P1 para tener máxi-ma sensibilidad y P2 a untercio de su recorrido (um-bral bajo), luego debemosmovernos por la habitacióny comprobar que al dar unospasos se encienda el led. Siesto no ocurre, reducimosaún más la tensión de um-bral y si la sensibilidad esexcesiva, damos una ten-sión de umbral mayor.

Ajustamos P1 solamentesi la habitación es chica

(menos de 4 metros de distancia alos sensores).

Cabe aclarar que, colocando lostransductores en lugares estratégi-

cos y con el dispositivo perfecta-mente ajustado, con este dispositi-vo se pueden cubrir superficies demás de 2.500 m2.

Lista de MaterialesCI1 – CD4520 – Circuito integrado CMOS.CI2 a CI5 – LF356 – Circuitos IntegradosAmplificadores Operacionales.CI6 – CD4001 – Circuito IntegradoCMOS.Q1 –MPF102 – Transistor de efecto decampo.Q2 – BC548 – Transistor NPN de uso ge-neral.D1 a D5 – 1N4148 – Diodos de uso gene-ral.D6 – 1N4004 – Diodo rectificador.D7 a D9 –Diodos de uso general.D10 – Diodo zener de 9,1V x 1WL1 – Led de 5mm color rojo.J1 – Impedancia de choque de 180µH(ver texto)J2 – Impedancia de choque de 10mH (vertexto)Tx y Rx – Transductores apareados paraultrasonido de 40kHz (ver texto).P1 – Trimpot multivueltas de 100kΩP2 – Trimpot multivueltas de 100kΩRelé – relé de 12V para impresos.R1 – 330kΩ

R2 – 1kΩR3 – 100kΩR4 – 1MΩR5 – 1MΩR6 – 10kΩR7 – 8kΩR8 – 1MΩR9 – 47kΩR10- 10kΩR11 – 220kΩR12 – 820ΩR13 – 8k2R14 – 470ΩR15 – 12kΩR16 – 820ΩR17 – 470kΩR18 – 100kΩR19 – 1MΩR20 – 10kΩR21 – 12kΩR22 – 100kΩR23 – 100kΩR24 – 120R25 – 4k7R26 – 470ΩC1 – 33nF – cerámico

C2 – 180pF – cerámicoC3 – 100nF – cerámicoC4 – 330nF – cerámicoC5 – 10??F x 25V – electrolíticoC6 (Cx) – 4,7µ X 16V – electrolíticoC7 – 3,3nF – cerámicoC8 - .1µF – cerámicoC9 – 1µF x 16V – electrolíticoC10 – 10nF – cerámicoC11 – 4,7µF x 16V – electrolíticoC12 – 4,7µF x 16V – electrolíticoC13 – 22µF x 16V – electrolíticoC14 – 100nF – cerámicoC15 - .1µF – cerámicoC16 – 100?F x 16V – electrolíticoC17 – 2,2nF – cerámicoC18 – 2,2nF – cerámicoC19 – 1µF – no polarizadoC20 – 1,5nF – cerámicoC21 – 100µF x 16V – electrolíticoC22 – 220µF x 16V - electrolítico

Varios:Placa de circuito impreso, cables, estaño,gabinete para montaje, fuente de alimen-tación, etc.

Montaje de los componentes sobre la placa con detalle delcircuito impreso