电子12111240111杨达激光监控防盗报警器.docx
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电子12111240111杨达激光监控防盗报警器
第1章概述
1.1选题背景
报警器(alarm)是一种为防止或预防某事件发生所造成的后果,以声音、光、气压等形式来提醒或警示我们应当采取某种行动的电子产品。
报警器,分为机械式报警器和电子报警器。
报警器主要利用现有的电话网络或则无线手机GSM.GPS网络,通过无线或则有线的方式,连通主人电话,或则手机,实现远程防盗功能的电子产品,如红外探测器,门磁,烟雾探测器,红外栅栏等。
随着科技的进步,机械式报警器越来越多地被先进的电子报警器代替,经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域,与社会生产密不可分。
激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类的又一重大发明,被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。
激光的原理早在1916年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现,但直到1960年激光才被首次成功制造。
激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的,它一问世,就获得了异乎寻常的飞快发展,激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生,而且导致整个一门新兴产业的出现。
激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段,去获得空前的效益和成果,从而促进了生产力的发展。
传统报警器结构复杂,红外光束需要通过几何光学设备聚焦调焦,稳定性差;光线穿透能力较弱。
受雨雾天气的影响,容易引起误报;能耗高,每对红外对射工作电流100mA左右,不便于长时间在布防状态下使用。
而激光报警器由于其结构简单、激光扩散角度小,无需几何光学设备聚焦调焦,稳定性好;能耗低,每对激光对射工作电流10mA左右,可以24小时全时段布防使用;环境适应能力强,管理面积大等优点。
在国内外市场上占据着越来越大的市场份额。
1.2发展前景
根据现代激光技术的成熟,激光报警器相比传统报警器具有更大的优势。
所以根据国内外市场需求预测,激光报警器将会高速增长。
进一步提高激光报警器的质量和档次,既是当前摆在我们面前的课题,也是全行业共同努力的目标。
优点如下:
1.探测距离远,误报率低
激光入侵探测系统与同类主动探测系统相比,对恶劣气候环境的适应性显著增强。
激光束发射的功率密度大,发散角小,光束集中,方向性好,使用同等功率器件的条件下,在百米处,目标接收激光光束的功率密度是红外发光二极管光束的数倍,因而穿透雨、雪、雾、风沙能力强,极大降低了误报率。
2.抗干扰性强,对其它设备无干扰
激光报警系统自身抗电磁干扰性强,并对警戒激光束传播通路以外的区域、设备无任何电磁干扰。
由于激光发散角小,光束集中,光束只在闭路中传输,当用多组激光探测器在直线方向接续传输或小转折角传输时,均无红外线探测器所产生的相互串扰现象,从而消除此时红外线探测器产生的漏报警。
对周围环境无任何光散射、污染。
3.防范性强
可实施连续交叉布防,无互相干扰的问题;可实施多道独立的光束平面、空间立体分布。
4.调整简单、适应性广
(1)激光对射报警系统的响应时间,可通过接收器电源板上的2路拨码开关进行200ms、400ms、600ms、800ms的选择。
(2)可在-40℃~70℃的环境下正常工作,无需任何电加热器。
(3)激光报警系统输出为无电位触点,可与其他各种系统兼容。
(4)可以实时监控接收器接收到的激光强弱,当接收控制板上的5只LED发光管全部点亮时,说明激光光束已经打在接收透镜中心。
第2章激光监控防盗报警器的设计原理
2.1工作电路框图设计
根据设计任务要求作出如图2.1的框图:
图2.1设计框图
激光对射由发射器、接受器组成,两者之间形成多束警戒线,在需要布防的部位设置多束、多层激光网阵,运用遮挡激光束报警的方式对防范区域进行警戒布防,通过警戒光束线给企图入侵者以高挑战。
在布防状态下,当激光束被遮挡时,激光接收器给报警主机发出带位置编码的报警信号,报警主机立即联动高声响报警喇叭,给入侵者发出强烈警示的声光信号,达到阻吓入侵的目的。
并在LED显示屏显示警情位置,同时向预设的主人、保安值勤室发出语音和文字报警信号。
主人如果在外地可以通过手机监听室内情况、双向通话或远程喊话阻吓。
系统根据家居结构形成防区,防区可撤、布防,适合于主人进行不同等级和活动环境要求的布防操作。
2.2元器件简介
NE555
图2-1
NE555功能:
内部含有两个电压比较器,一个分压器,一个RS触发器,一个放电晶体管和一个功率输出级。
其外形如图2.2.
图2.2NE555外形
光敏三极管
光敏三极管与普通半导体三极管一样,是采用半导体制作工艺制成的具有NPN 或PNP 结构的半导体管。
它在结构上与半导体三极管相似,它的引出电极通常只有两个,也有三个的。
当无光照射时,流过光敏三极管的电流,就是正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流Iceo 它也是光敏三极管的暗电流,其大小为 Iceo =(1 + hFE) I
式中:
Icbo---集电极与基极间的饱和电流; hFE ---共发射极直流放大系数。
无源蜂鸣器
无源内部不带震荡源,所以如果用直流信号无法令其鸣叫。
必须用2K~5K的方波去驱动它。
有源蜂鸣器往往比无源的贵,就是因为里面多个震荡电路。
无源蜂鸣器的优点是:
(1):
便宜。
(2):
声音频率可控,可以做出“多来米发索拉西”的效果。
(3):
在一些特例中,可以和LED复用一个控制口。
图2.3无源蜂鸣器
第3章激光监控防盗报警器电路设计
3.1电路设计
光电检测设计
该检测电路是由放大器A,反馈电阻RF和CF组成,其输出电压为u1=SPRF,其中,S为光电二极管的灵敏度,P为入射光功率。
在检测弱光信号时,RF为提高增益,RF的取值应选择尽可能大,放大器的输入偏置电流IB和输入失调电压VB对输出电压的影响分别为IBRF和
,Rs为光电二极管内阻。
可以看出,减小RF可以减少以上影响,但同时会减小电路的增益。
解决这个问题需选择偏置电流和失调电压均很低的运算放大器。
这里选用0PAlll型高精度运算放大器,其偏置电流约为0.8pA,输入失调电压约100μV。
经过计算,RF的值取在几百MΩ范围内时,上述影响可以近似忽略,能够满足电路的要求。
如图3.1所示。
图3.1光电检测电路
音频报警电路设计
报警电路采用CS9803GP芯片,该芯片采用CMOS工艺制造,体积小、成本低、调试时间短,采用该芯片设计的电路,能够提高整机的可靠性。
盗情报警电路中采用红外传感器监测有人无人,盗情报警电路如图4所示,其中C6为红外探测器,若探测到有红外物体,则将信号输给CS9803,该芯片得到信号后,立即从11脚输出控制信号至无线发射器,无线发射器发出无线报警信号,通知控制电路,从而实现报警的功能。
语音报警电路采用APR9600芯片,该芯片可以直接用普通驻极体话筒录音,直接推动8~16Ω喇叭放音,可以通过“OSCR”端的电阻设置调节录放音的时间长度和音质效果,通过拨码开关来选择分段控制方式,通过置拨码开关来选择录/放音状态,可以通过按键来实现开始、循环、停止录放语音等功能。
如图3.2所示。
图3.2报警电路
3.1.3信号控制电路设计
这一部分为整个系统的动作核心。
当接收器接收到入侵信号,由于该信号非常微弱且夹杂有干扰信号,因此设计了特殊的信号处理电路(采用运算放大器,配合周边电路形成具有带通滤波器功能的放大电路)分离出电信号,并将其放大数千倍;通过参数的优化设计,配合比较器电路进一步消除流动热空气造成的干扰。
然后对两级放大后分离出的热电信号进行分析判断。
为防误动作,信号将与门限电平进行比较,产生高电平信号输出。
最后将不同探头产生的信号通过或非门引入到单片机的INT1口,待中断以执行相应的动作;当没有中断时,系统处于待机状态,这样可以降低系统功耗。
电路结构见图3.3。
图3.3信号控制电路
3.2整体电路与工作原理
整体电路
总结前面的单元电路设计可以得到如图3.5所示的整体电路图。
图3.5整体电路图
激光监控报警电路由光电检测电路、语音报警电路、信号控制电路三部分组成。
(1)光电检测电路包括整流和滤波两部分。
(2)语音报警电路主要是由控制芯片74LS00,延时电路,继电器组成。
(3)信号控制电路为整个系统的动作核心。
工作原理分析
电路的核心是以N555及其外围阻容元件构成的锁相环电路。
当其输入端3脚输入的信号与本身振荡信号的相位(频率)相一致时,其逻辑输出端8脚输出保持为低电平;当输入端输入的信号与其振荡信号相位不同时,其8脚输出为高电平。
电路中采用了免调整的同频工作方式,利用锁相环电路本身的振荡信号(锁相环电路的工作频率由外围的R8、C8的参数来决定)同时作为激光器的调制信号,使收发电路工作于同一振荡频率上,工作方式更加简便可靠。
当电路工作时,锁相环电路IC3的5脚输出的振荡信号,经R5输送到VT1放大后,推动激光器发出载有调制信号激光束。
激光束在传播途径中经多次反射后,照射到接收部分的光电管VT2上并转变为交变电信号,该信号经R4、C4耦合到运放IC2的2脚上,通过IC2放大后输送到锁相环电路IC3的3脚。
由于此信号的相位与锁相环电路的振荡信号完全一致,故经内部比较鉴别后,逻辑输出端8脚输出低电平,TV4截止,TV3导通,绿色发光管LED1点亮;而当有人侵入警戒区域时,激光器发射的激光束被遮挡,传播路径被中断,光电管TV2瞬间内不能接收到信号,此时锁相环电路的输入端没有信号输入,逻辑输出端8脚跃变为高电平,TV3截止,TV4导通,IC4的2、6脚变为低电平,由IC4等构成的单稳态延时电路翻转,其3脚输出高电平,红色发光管LED2点亮;同时,VT5导通,继电器J1吸合,接通告警电路——电铃RL及红色灯泡H发出声光报警信号,报警时间的长短由单稳电路的暂态时间来决定,按图中所注参数来计算,大约为50s。
元器件选择:
电路中,RL为220V交流电铃;H为220V红色灯泡,可以多盏并接;J1选用工作电压为6V的继电器,触点电流大于2A即可,其他采用的元器件多为常用元件,按标注参数选择即可。
为确保电路工作可靠,最好加接直流电源,防止市电出现问题时报警电路失灵。
第4章电路制作
4.1器件选择
项目
代号
名称
型号、规格
数量
电阻器
5
R1
RJ―0.5―1KΩ―±5%
3
R2
RJ―0.25―30KMΩ―±5%
1
R3
RJ―0.125―10KΩ―±5%
1
电容器
3
C1
CD-2-10V-0.01μF-±5%
1
C2
CD-2-25V-10μF-±10%
2
A
激光发射头
1
B
激光接收头
1
C
无源蜂鸣器
1
D
反光镜
3
表4.1器件清单
买回元器件后,先检测其参数和性能,方法如下:
电阻的检测:
为了提高测量精度,应根据被测电阻标称值的大小来选择量程。
由于欧姆挡刻度的非线性关系,它的中间一段分度较为精细,因此应使指针指示值尽可能落到刻度的中段位置,即全刻度起始的20%~80%弧度范围内,以使测量更准确。
根据电阻误差等级不同。
读数与标称阻值之间分别允许有±5%、±10%或±20%的误差。
如不相符,超出误差范围,则说明该电阻值变值了。
光敏电阻:
用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住,此时万用表的指针基本保持不动,阻值接近无穷大。
此值越大说明光敏电阻性能越好。
若此值很小或接近为零,说明光敏电阻已烧穿损坏,不能再继续使用。
将一光源对准光敏电阻的透光窗口,此时万用表的指针应有较大幅度的摆动,阻值明显减小。
此值越小说明光敏电阻性能越好。
若此值很大甚至无穷大,表明光敏电阻内部开路损坏,也不能再继续使用。
将光敏电阻透光窗口对准入射光线,用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动,使其间断受光,此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。
如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动,说明光敏电阻的光敏材料已经损坏。
电容器:
对于O.01μF以上的固定电容器。
可用万用表的R×1k挡直接测试电容器有无充电过程以及有无内部短路或漏电,并可根据指针向右摆动的幅度大小估计出电容的容量。
测试操作时,先用两表笔任意触碰电容的两引脚,然后调换表笔再触碰一次,如果电容是好的,万用表指针会向右摆动一下,随即向左迅速返回无穷大位置。
电容量越大,指针摆动幅度越大。
如果反复调换表笔触碰电容两引脚,万用表指针始终不向右摆动,说明该电容的容量已低于0.01μF或者已经消失。
测量中,若指针向右摆动后不能再向左回到无穷大位置,说明电容漏电或已经击穿。
二极管测试:
把万用表的黑表笔(表内正极)搭触二极管的正极,红表笔(表内负极)搭触二极管的负极。
若表针不摆到0值而是停在标度盘的中间,这时的阻值就是二极管的正向电阻,一般正向电阻越小越好。
若正向电阻为0值,说明管芯短路损坏,若正向电阻接近无穷大值,说明管芯断路。
短路和断路的管子都不能使用。
光电三极管测试:
和所有元件一样三极管也要打磨引脚,然后在进行测试。
用手拿住元件,用指针表来回测量六次,判断出基极、是PNP型还是NPN型。
若红笔不动—PNP型;黑笔不动—NPN型。
如果是NPN型,用手捏住三支引脚,用表笔测试两边引脚,并交换表笔;若指针偏转较大,黑表笔接的是集电极,另一方则是发射集。
如果是PNP型,步骤与NPN型一样,但当指针偏转较大是,黑笔接的是发射极,另一方则是集电极。
检测完所有元器件合格后,按设计的电路图焊接。
焊接完成后通电调试,达到了设计要求。
第5章结论
通过本次光电报警器的设计,对激光知识的实际应用有了更深刻的理解和体会,这次课程设计,不仅提高了动手能力,对设计的整个流程有了一定的了解,更了解到了光电知识应用的广泛性和前景。
设计的成功,极大地提高了自信心,促进了对光电的学习兴趣,明白了理论联系实际的重要性。
此次设计清楚了一项设计的整体流程:
明确设计要求、功能及功能模块的设计,查阅相关资料并确定元器件,电路连接、调试、调整改进与检查,电路成型,总结;设计电路时,上网查阅了很多资料,这培养了搜索的能力,开拓了视野。
调试过程中掌握了一些电路调试的方法和规律,同时也掌握了如何来检查和排除实验中的所遇到的一些常见故障,明白了动手的重要性,懂得了实践出真知的道理。
电路的连接和调试极大地提高了动手实践能力,这也是目前较为缺乏的。
作为工科的学生,就应该具备这样的动手能力。
最后,设计报告的制作还培养了整理知识的能力。
总之,这次设计,认识到了知识的局限性,培养了动手能力,懂得了团队合作精神,对今后的学习起到了极大的促进作用。
参考文献
[1]陈有卿编著.新颖集成电路制作精选[M].人民邮电出版社,2005.4.
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[3]黄继昌等编著.检测专用集成电路及应用[M].2006.10.
[4]陈有卿,张晓东编著报警集成电路和报警器制作实例[M].人民邮电出版社,1996.
[5]蓝信钜,激光技术(第三版)[M].科学出版社,2009.10
[6]虞希清,专用集成电路设计实用教程(第2版)[M].浙江大学出版社,2013.07
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