概要
夏場になって長屋の流し台周りで黒光りしたゴキブリが頻繁に目にするようになった。 超音波と関わったついでに、それを応用したゴキブリを排除する装置を製作してみることにした。Web上で検索してみると、超音波はゴキブリに効果がないとか、あるとかと意見が分かれている。どっちかというと効果がないという意見が多い。とにかく試してみよう。
製作時に考えていたことなど；
１） ゴキブリの嫌う周波数は２０−２５KHｚらしい。
２） ネズミや害虫の排除も考え、２０、２５、３０、それに５０KHｚの４つの周波数の超短波を１．５秒おきに繰り返し発生させる。
３） 超音波スピーカー（超音波センサ AT40-10PB）を使用したが、その中心周波数は４０±１KHｚなので２０−５０KHｚ中の他の領域で高周波を出すかどうか不明。
４） とにかく設置して効果のほどを試してみたい。効果がなければまた別の策を取ろう。
回路
電源にACアダプタを使い、LM317でDC10Vをつくって超音波スピーカーを駆動し、さらに７８０５でDC5Vを作り出し１２F6８３を駆動している。出力を上げようと超音波スピーカーを２個使用した。一般見られるスピーカーの前に０．１−１０mF位のコンデンサを直列に入れる回路（直流をカットしスピーカーに約倍の電圧が加わるという）を実際に組み出力を測ったみたが本回路と余り違いはなかった。
超音波スピーカー（センサ）： AT40-10PB 中心周波数 ４０±１KHｚ
実験ボード： 右上部に２個の超音波スピーカーが見える。これをACアダプタにつなぎ流し台上に吊るす
結果など
１） ２個の超音波スピーカーのすぐ上に可聴音用の簡易騒音計（MASTECH製 MS8209テスタの１つの機能）のマイク部をつけて測定したみた。確かに超音波が出ているようで数値が４５−７５ｄB位の間で変化した。耳では勿論何も聞こえない。オシロでは後述のプログラム通りにスピーカーに周波数２０−５０KHｚのの４つの信号が印加されていることが確認されている。
２） 下の５枚の信号波形図の中の３、４，５枚目の図で分かるようにマイクからの出力は非常に小さく、はたしてゴキブリを追い払うの効果あるかどうか不明。
３） 超音波域での高出力、例えば可聴域で使われている防犯ブザー位の出力が欲しい。どうすれば可能なのか考えてみたい。
４） とにかく違った周波数の超音波（高周波）が短いプログラムでほぼ自由に出せるようになったのが収穫。
信号波形
後述するプログラムによって発生する４つの異なる周波数の信号を、超音波スピーカーへの＋入力ポイントでオシロで捉えたものである。５０、３０、２５、２０KHｚが連続して発生していることが分かる。１連続区間は約６秒である（1.5 sec x 4=6sec）。
上の２０KHｚの部分を拡大したものである。この例では１波長が４６mｓなので約２２KHｚ（1,000,000/46=21.7）となる。
これは今回のゴキブリ追っ払い器の超音波スピーカー（AT40-10PB）から発生する２０−５０KHｚの信号を電子工作４３の超音波信号を受けて３個のＬＥＤをＯＮ／OFFする回路のマイク（R40-16）で拾った時（スピーカーとマイク間距離１−２ｃｍ）に受信側で測定したものです。具体的には超音波信号を受けて３個のＬＥＤをＯＮ／OFFする回路のポイント（A）でオシロで測定。この部分は波長が約２０mｓの５０KHの部分で、信号は３０KHｚ、２５KHｚと弱くなり、２０KHｚではほぼ雑音に近くなった。
これは超音波信号を受けて３個のＬＥＤをＯＮ／OFFする回路のマイクをゴキブリ追っ払い器の超音波スピーカーに接触させた状態で、そのマイク端子の＋側とGNDの間をオシロで測定したものである。微弱ではあるが確かにマイクに信号が拾われていることが分かる。比較的大きい５０KHｚの信号はスピーカーとマイクの中心周波数４０KHｚに近いので応答が良さそうなのは分かるが、２０KHｚの信号でまた少し大きくなる理由は分からない。
上の５０KHｚの部分をスケールを変えて別途測定したものである。この様に電圧幅がプラスとマイナス側合わせて２００ｍV近くになることもある。
プログラム
このプログラムはいたって簡単で、１２F６８３のPWM機能とTimer2を利用して連続して次のことを行っているだけである。
１） ５０KHｚのDuty比がほぼ５０％の方形波を１．５秒間１２F６８３のGP２（ピン５）より発生させる。
２） ３０KHｚのDuty比がほぼ５０％の方形波を１．５秒間より発生させる。
３） ２５KHｚのDuty比がほぼ５０％の方形波を１．５秒間より発生させる。
４） ２０KHｚのDuty比がほぼ５０％の方形波を１．５秒間より発生させる。 以上を永遠に繰り返す。
周波数と波形（Duty比）はPR2とCCPR1Lによって決まる。実験を通じて、ほぼDuty比５０％の以下の４つの周波数を発生するような値を求めた。別表の周波数域１３−１９KHｚの部分は参考までに測定した。
|
PR2値 |
CCPR1L値 |
実測周波数KHｚ |
方形波の波幅us |
|
19 |
11 |
50 |
20 |
|
32 |
13 |
30 |
32 |
|
39 |
16 |
25 |
40 |
|
45 |
17 |
20 |
46 |
|
50 |
19 |
19 |
50 |
|
55 |
20 |
18 |
56 |
|
60 |
22 |
16 |
62 |
|
65 |
24 |
15 |
66 |
|
70 |
27 |
13 |
76 |
'********* プログラム ************
'UltraSoundCockroach638.bas - 2010.6.22
'Generating 50, 30, 25 and 20 KHz PWM of nearly 50% duty ratio
'12F683 with internal clock 4MHz
'******** ピン接続 ************
'Pin 1: Vdd (5V)
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 4: GPIO.3: input - /MCLR (reset) via R=10K
'Pin 5: GPIO.2: output - to Tr driving UltraSound speaker
'******** プログラム本体 ********
TRISIO=%001000 'all outputs except GPIO.0 & 3
CMCON0=7 'No comparator
VRCON=0 'A/D voltage reference disabled
T2CON=%00000100 'Timer2 ON + 1:1 prescale
Start:
CCP1CON=%00001100 'PWM mode selection =12 in decimal 以下の４行で５０KHｚの信号を１．５秒間発生させる
PR2=19 'Set PWM for 50 KHz (experimetally set) この値で出力周波数を設定する
CCPR1L=11 'Set PWM for nearly 50% duty cycle この値でDuty比が出来るだけ５０％に近くなるようにする
Pause 1500 '1.5 sec
PR2=32 'Set PWM for 30 KHz (experimetally set) 以下の３行で３０KHｚの信号を１．５秒間発生させる
CCPR1L=13 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Pause 1500 '1.5 sec
PR2=39 'Set PWM for 25 KHz (experimetally set) 以下の３行で２５KHｚの信号を１．５秒間発生させる
CCPR1L=16 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Pause 1500 '1.5 sec
PR2=45 'Set PWM for 20 KHz (experimetally set) 以下の３行で２０KHｚの信号を１．５秒間発生させる
CCPR1L=17 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Pause 1500 '1.5 sec
Goto Start ‘Continue forever
End
'******** プログラムの終了 ********
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations １２F683:
'FOSC – INTOSCIO; WDTE - Enable;
Power-up Timer - Disable
'MCLRpin – Reset ; BODEN - Enable; Internal External Switvh Over – Enable, Fail-Safe Clock Monitor – Enable, CD - Disable;Dtata EPPROM - Disable.
実験機の製作（２０１０．７．１）
ゴキブリ追っ払い器の実験機を製作して実際にゴキブリの排除に効果があるかどうか試してみることにした。上述のものを以下の様に改良した。
１） 出力パワーが足りないようなので超音波スピーカー（AT40-10PB）の代わりにツイーター（ONKYO TW-537K １．９KW Max 20V）を装着した。 これは高周波数域（２０KHｚ以上？）までカバー出来るとされているスピーカーの一種で秋葉原（ラジオストア内のコイズミ無線）で特価５００円で入手。古いものらしくインターネットで検索しても関連データはほとんど見つからなかった。
２） プログラムではゴキブリが嫌がるとされる周波数域を含む１５、２０、２５KHｚの信号が出るようにした。
下に実験機のの写真と回路図を示す。一番下に直径５ｃｍのツイーター（高周波数域スピーカー）が見える。
安全を考えボードの最上部右方にフューズを装着してある。そしてボード全体を流し台の上部から吊り下げて使う。
ツイーターの直ぐ前に入れた４．７K抵抗は最大限に出力を上げる役目（±５V ® 幅１０V）をするようで実験的に決めた。
0
結果など
１） ツイーターからツーまたはシーという高周波（超音波）がかすかに出ているのが聞き取れた。この様な音は前の超音波スピーカーでは検知出来なかった。もうちょっと明確にするかめに下のようなテスタの騒音計機能を使って測定してみることにした（一部既述した）。テスタ本体の上部右手に音の取り入れ口がある（この写真では見えない）。この取り入れ口の上１−２ｃｍの位置にツイーターを対面させ測定すると１５KHｚ波で９９ｄB以上、２０KHｚ波で８５ｄB、２５KHｚ波で８０ｄB位の値が記録された（周波数発生のない時は５３ｄB位）。騒音計は可聴音域を測るように出来ているので、可聴音の高域に相当する１５KHｚで最も高く出るのはうなずける。２０KHｚと２５HKｚ波は多分この騒音計ではカバーしきれないのかも分からない。それとプログラムの中の動作の変わり目でカチ、カチという音が出る。理由は不明である。ただ深夜でもよそ様に迷惑になるような高さではない。
２） なんでもゴキブリなどは信号の同じパターンの繰り返しにはじきに慣れてしまうので時々パターンを変える必要があるらしい。変えることはプログラムでいくらでも可能。
３） 実験機の効果をみて実用機を製作するつもり。とにかく得体の知れない部品やガジェットを求めて秋葉原を歩きまわるのは楽しい。
プログラム
このプログラムでは１５、２０、２５KHｚの信号がこの順序に２秒間隔で出て、５秒間休みまた同じことを永久に繰り返す。
'********* プログラム ************
'UltraSoundCockroach638B.bas for testing purpose - 2010.6.28
'Generating 15, 20 and 25 KHz PWM of nearly 50% duty ratio
'12F683 with internal clock 4MHz
'******** ピン接続 ************
'Pin 1: Vdd (5V)
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 4: GPIO.3: input - /MCLR (reset) via R=10K
'Pin 5: GPIO.2: output - to Tr driving UltraSound speaker
'******** プログラム本体 ********
TRISIO=%001000 'all outputs except GPIO.0 & 3
CMCON0=7 'No comparator
VRCON=0 'A/D voltage reference disabled
T2CON=%00000100 'Timer2 ON + 1:1 prescale
Start: ‘サブルーチンを使って綺麗にまとめた
Gosub F15KHZ
Pause 2000
Gosub F20KHZ
Pause 2000
Gosub F25KHZ
Pause 2000
CCP1CON=0 ‘PWMの使用中止
Pause 5000
Goto Start
F15KHZ:
CCP1CON=%00001100 'PWM mode selection =12 in decimal １５KHｚを発生させる
PR2=65 'Set PWM for 15 KHz (experimetally set)
CCPR1L=24 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Return
F20KHZ:
CCP1CON=%00001100 'PWM mode selection =12 in decimal
PR2=45 'Set PWM for 20 KHz (experimetally set) ２０KHｚを発生させる
CCPR1L=17 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Return
F25KHZ:
CCP1CON=%00001100
PR2=39 'Set PWM for 25 KHz (experimetally set) ２５KHｚを発生させる
CCPR1L=16 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Return
'******** プログラムの終了 ********
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations １２F683:
'FOSC – INTOSCIO; WDTE - Enable;
Power-up Timer - Disable
'MCLRpin – Reset ; BODEN - Enable; Internal External Switvh Over – Enable, Fail-Safe Clock Monitor – Enable, CD - Disable;Dtata EPPROM - Disable.
改良したプログラム(2010.7.2)
単調な信号パターンの繰り返しだとゴキブリが慣れてしまうということでちょっと変化をつけてみた。すなわち、３つの信号（周波数）パターンの発生順序とそれらの発生と停止時間ををいろいろと変えてみた。
'********* プログラム ************
'UltraSoundCockroach638C.bas - 2010.7.2
'Generating combinations of 15, 20 and 25 KHz PWM of nearly 50% duty ratio
'12F683 with internal clock 4MHz
'******** ピン接続 ************
'Pin 1: Vdd (5V)
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 4: GPIO.3: input - /MCLR (reset) via R=10K
'Pin 5: GPIO.2: output - to Tr driving UltraSound speaker
'******** プログラム本体 ********
TRISIO=%001000 'all outputs except GPIO.0 & 3
CMCON0=7 'No comparator
VRCON=0 'A/D voltage reference disabled
T2CON=%00000100 'Timer2 ON + 1:1 prescale
m var byte 'Counter
n var byte 'Counter
Start:
m=0
n=0
For m=1 To 200 ‘以下の工程を２００回繰り返す。３つの周波数パターンの発生順序とそれらの発生と停止時間ををいろいろと変えた
For n=1 To 50 ‘以下を５０回繰り返す
Gosub F15KHZ: Pause 2000 ‘サブルーチンF15KHZに行き戻って来たら２秒間休んで次へと意味。マルチステートメントでコロン（：）を入れて見栄えを良くした。
Gosub F20KHZ: Pause 2000
Gosub F25KHZ: Pause 2000
CCP1CON=0: Pause 5000
Gosub F25KHZ: Pause 2000
Gosub F20KHZ: Pause 2000
Gosub F15KHZ: Pause 2000
CCP1CON=0: Pause 5000
Gosub F20KHZ: Pause 2000
Gosub F15KHZ: Pause 2000
Gosub F25KHZ: Pause 2000
CCP1CON=0: Pause 5000
next n
n=0
For n=1 To 50 ‘以下を５０回繰り返す
Gosub F15KHZ: Pause 1000
Gosub F20KHZ: Pause 2000
Gosub F25KHZ: Pause 1000
CCP1CON=0: Pause 3000
Gosub F25KHZ: Pause 1000
Gosub F20KHZ: Pause 2000
Gosub F15KHZ: Pause 1000
CCP1CON=0: Pause 5000
Gosub F20KHZ: Pause 1000
Gosub F15KHZ: Pause 2000
Gosub F25KHZ: Pause 1000
CCP1CON=0: Pause 3000
next n
Next m
Goto Start
‘以下は３つのサブルーチン
F15KHZ:
CCP1CON=%00001100 'PWM mode selection =12 in decimal
PR2=65 'Set PWM for 15 KHz (experimetally set)
CCPR1L=24 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Return
F20KHZ:
CCP1CON=%00001100 'PWM mode selection =12 in decimal
PR2=45 'Set PWM for 20 KHz (experimetally set)
CCPR1L=17 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Return
F25KHZ:
CCP1CON=%00001100
PR2=39 'Set PWM for 25 KHz (experimetally set)
CCPR1L=16 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Return
'******** プログラムの終了 ********
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations １２F683:
'FOSC – INTOSCIO; WDTE - Enable;
Power-up Timer - Disable
'MCLRpin – Reset ; BODEN - Enable; Internal External Switvh Over – Enable, Fail-Safe Clock Monitor – Enable, CD - Disable;Dtata EPPROM – Disable
電池駆動のゴキブリ追っ払い実験機の製作（２０１０．７．１２）
電池駆動の実験機の回路図と写真を下に示す。 今回のものは次のような特徴を持つ。
１） ９V（０６P型）のアルカリ電池で駆動する。
２） 節電のためCdSセンサを取り入れ夜間時のみ動作するようにした。
３） 前と同様にツイーターを使った。
４） プログラムでＰＩＣＢａｓｉｃ Proの Ｓｌｅｅｐ コマンドを使って非動作時にＰＩＣを眠らせ節電をはかった。 ＷＤＴがＯＮの状態で時間が来るとシステムは自動的に起き上る。
得られた結果など
１） ツイーターの前に１Ｋの抵抗を入れることによって出力が増し、ツイーターの前約１ｃｍの距離で最大９８ｄＢの騒音計値が得られた。
２） ＣｄＳ回路のデバイダに高い抵抗値のＶＲ＝５００Ｋと２２０Ｋを使うことによって節電を図った。この部分で常時消費される電流を１０−２０mＡと小さくできた。
３） 電池に直列に電流計を入れて各動作時の電流量を測ったところ以下のようであった。
|
待機時（Ｓｌｅｅｐ） |
１５ＫＨｚ発生時 |
２０ＫＨｚ発生時 |
２５ＫＨｚ発生時 |
５秒間待機時 |
|
０．１２ｍＡ |
３．０ｍＡ |
３．２ｍＡ |
３．４ｍＡ |
０．８５ｍＡ |
電池の持ち： 下述のプログラムから明らかなように１動作ルーチンの時間が１８０秒（＝４５＋７５＋６０）で、その中で高周波発生時の平均電流消費３．２ｍＡが４５秒間続き、５秒間待機時の電流消費０．８５ｍＡが７５秒、更にＳｌｅep待機時の電流消費０．１２ｍＡが６０秒間続く。一日１０時間（夜間）動作するとして、例えば、３．２ｍＡが流れている時間は３６００秒Ｘ１０時間Ｘ（４５／１８０）＝９，０００秒 ＝１５０分 ＝２．５時間。 ３．２ｍＡＸ２．５ｈ＝８．０ｍＡｈ。更に、５秒間待機時の０．８５ｍＡ流れている時間は３６００秒Ｘ１０時間Ｘ（７５／１８０）＝１５，０００秒＝２５０分＝４．２時間。 ０．８５ｍＡＸ４．２ｈ＝３．６ｍＡｈ。またＳｌｅｅｐ待機時の０．１２ｍＡ流れている時間は３６００秒Ｘ１０時間Ｘ（６０／１８０）＝１２，０００秒＝２００分＝３．３時間。 ０．１２ｍＡＸ３．３ｈ＝０．４０ｍＡｈ．上の３つの合計は８．０ｍＡｈ＋３．６ｍＡｈ＋０．４０ｍＡｈ＝１２ｍＡＨ。一方、Ｗｅｂ上で調べると０６Ｐ型９Ｖアルカリ電池の容量は２００ｍＡｈ位らしい。したがって２００ｍＡｈ／１２ｍＡＨ＝１７。つまり、この電池で１７日間位持つという計算になる。正しいかな？
４） Sleepコマンドを使うのは初めてだが電池を使うプロジェクトには役立ちそう。
５） このゴキブリ追っ払い器の効果のせいか流し台付近で最近ゴキブリの姿が見えない。ただ、ホウ酸団子も使っているのでまだ何とも言えない。
６） 今夜も暗闇の中でうっすらと赤いＬＥＤを点滅しながら、カチカチ音をかすかに出して動作中。
プログラム
９Ｖの電池で動作させるので節電しないといけない。先ず、ゴキブリが出てくる夜間のみに動作させるためにＣｄＳセンサを取り付けた。センサ入力をＧＰ０（ピン７）からアナログ値として読込みＡＤ変換してその値が一定以下だと夜になったと判断し、Ｊｕｍｐ１に飛んで高周波を発生させるルーチンを行う。しかし、ＡＤ変換した値が一定以上の場合はまだ夜ではないと判断して節電のためＳｌｅep命令で６０秒間の省エネモードに入る。６０秒間後再び起き上ってＧＰ０からアナログ値を読込んで同様の操作を繰り返す。つまり明るい間はほぼ省エネモードのＳｌｅｅｐ状態にある。一方、Ｊｕｍｐ１に飛んで高周波を発生させるルーチンでは、１５、２０それに２５ＫＨｚを各１秒間ずつ３回Ｘ５回、合計４５秒間発生させ、更に途中に５秒間の休み（高周波の発生なし）を３回、合計７５秒間の休みが入る。そのあと６０秒間の省エネＳｌｅｅｐ状態の後にＳｔａｒｔに戻る。なおＳｌｅep命令を使う場合Ｗａｔｃｈ Ｄｏｇ ＴｉｍｅｒはＥｎａｂｌｅに設定しないといけない。
'********* プログラム ************
'SoundGenCockroach638ADC1.bas - 2010.7.13 Shorten the operation time to save the battery.
'Generating combinations of 15, 20 and 25 KHz PWM of nearly 50% duty ratio
'Battery (06P) operation
'12F683 with internal clock 4MHz
'Sleep command used to save battery
'Addition of CdS sensor + ADC
'******** ピン接続 ************
'Pin 1: Vdd (5V)
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 4: GPIO.3: input - internal reset via R=10K
'Pin 5: GPIO.2: output - to Tr driving UltraSound speaker
'Pin 7: GPIO.0: input - Analog value (V) from CdS sensor
'******** プログラム本体 ********
Define ADC_BITS 10 '10-bit ADC used 以下５行ＡＤＣの設定
Define ADC_CLOCK 3 'Internal clock used
Define ADC_SAMPLEUS 50 'Sample timing
ANSEL=%00010001 'Fosc/8 selected, AN0 selected
ADCON0=%10000011 '=131 (decimal) Select GP0/AN0 Pin
TRISIO=%001001 'all outputs except GPIO.0 & 3
CMCON0=7 'No comparator
T2CON=%00000100 'Timer2 ON + 1:1 prescale
Vin0 var word 'Vin0 - CdS voltage input storage
n var byte 'Counter
Start:
ADCIN 0, Vin0 'Read CdS voltage and store it in Vin0 ここでＣｄＳ値を読込む
Pauseus 50 '50 us
If Vin0 < 500 then Jump1 '500 ? この５００は実験的に決めた。Ｖｄｄ＝５Ｖを１０２４と設定している。したがって５００は２．５Ｖ位に相当。
Sleep 60 'Ｓｌｅｅｐ for 60 sec 明るい間はほぼこのＳｌｅｅｐ省エネモード状態にある。６０秒間毎に起きてＣｄＳ値をチェックを繰り返す。ＷＤＴがＥｎａbleで可能になる。
Goto Start
Jump1:
n=0
For n=1 To 5
Gosub F15KHZ: Pause 1000 '1 sec (shortend from 2 sec) 節電のため１秒間にした
Gosub F20KHZ: Pause 1000
Gosub F25KHZ: Pause 1000
CCP1CON=0: Pause 5000
Gosub F25KHZ: Pause 1000
Gosub F20KHZ: Pause 1000
Gosub F15KHZ: Pause 1000
CCP1CON=0: Pause 5000
Gosub F20KHZ: Pause 1000
Gosub F15KHZ: Pause 1000
Gosub F25KHZ: Pause 1000
CCP1CON=0: Pause 5000
Next n
Sleep 60 'Sleep for 60 sec 上の高周波発生ルーチンが終了する毎に６０秒間Ｓｌｅepする
Goto Start
F15KHZ:
CCP1CON=%00001100 'PWM mode selection =12 in decimal
PR2=65 'Set PWM for 15 KHz (experimetally set)
CCPR1L=24 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Return
F20KHZ:
CCP1CON=%00001100 'PWM mode selection =12 in decimal
PR2=45 'Set PWM for 20 KHz (experimetally set)
CCPR1L=17 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Return
F25KHZ:
CCP1CON=%00001100
PR2=39 'Set PWM for 25 KHz (experimetally set)
CCPR1L=16 'Set PWM for nearly 50% duty cycle
Return
'******** プログラムの終了 ********
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations １２F683:
'FOSC – INTOSCIO; *WDTE -
Enable; Power-up Timer - Disable
'MCLRpin – Reset ; BODEN - Enable; Internal External Switvh
Over – Enable, Fail-Safe Clock Monitor – Enable, CD - Disable;Dtata EPPROM –
Disable
'*WDT must be set to Enable..