【文章內(nèi)容簡介】 而漏報，出現(xiàn)故障時點亮故障燈 ； 如果判斷探頭掉線 (被剪斷 )，則聲光報警。如果出現(xiàn)誤觸發(fā)而報警時可以通過觸發(fā)延遲時間 (50s 定時器 )去解除，另外用戶端自動報警器還具備狀態(tài)信息 (如有 無交流電、備用電池電量是否不足等 )上報的功能，可以對預設(shè)的普通 電話、手提電話實現(xiàn)報警。3 用戶端探測器設(shè)計 8 3 用戶端探測器設(shè)計 探測器 電路設(shè)計 是本課題電路設(shè)計的重點之一，探測器電路部分包括防盜探測器電路與防火探測器電路兩大部分，其中詳細設(shè)計了紅外、微波及光電感煙探測電路。由多種類型傳感器實現(xiàn)多元信號綜合檢測是本系統(tǒng)中探測電路部分的基本設(shè)計思想，多元信號檢測一方面完成盜情與火情的實時監(jiān)測任務，另一方面大大降低了探測器部分的誤報率，提高了整個系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。 防盜探測器電路設(shè)計 防盜探測器是由紅外與微波探測器組成的雙鑒探測器 ，較之以往的微波或紅外單信號探測器，其誤報率明顯下 降，原理示意圖如圖 2 所示。 熱釋電紅外探測器微波探測器與非門用戶端自動報警器AT 89 C5 1Ala rm0 圖 2 雙鑒探測器原理示意圖 雙鑒探測器工作時將探測到的紅外和微波兩種信號經(jīng)過與非門處理后送單片機，即只有同時檢測到兩個探測器輸出端口為高電平信號時，自動報警器才會響應盜情報警信號，否則不報警。實驗發(fā)現(xiàn)，在紅外探測器中，通過菲涅爾透鏡的分割方式的改變可以降低由于小寵物引起的誤報，從而彌補了微波探測器監(jiān)視面積較大的弱點 ， 但紅外探測器對環(huán)境溫度的變化比較敏感，而微波探測器所檢測的只是活動的目標，所以對于如果只是溫度變化引起的干擾并不會被自動報警器響應。通過這樣雙重的檢測就進一步減小了 外界干擾，降低了報警信號誤報的發(fā)生率，下面詳細介紹本系統(tǒng)中紅外與微波探測器電路的設(shè)計原理、特點以及實際的工作過程。 3 用戶端探測器設(shè)計 9 熱釋電紅外線探測器 在自然界，任何高于絕對溫度 (273176。 )的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長與溫度的高低是相關(guān)的。 1. 熱釋電效應 熱釋電效應是指如果使某些強介電質(zhì)材料 (如欽酸鋇、鈦鋯 酸鉛 (PZT)等 )的表面溫度發(fā)生變化，則隨著溫度的上升或下降，材料表面發(fā)生極化，即表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，從而使物質(zhì)表面電 荷失去平衡，最終電荷變化將以電壓或電流形式輸出 。 在熱釋電紅外探測器中有兩個關(guān)鍵性的元件，一個是熱釋電紅外傳感器(PTR) ， PTR 能將紅外信號變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，并能對自然界中的白光信號具有抑制作用。另一個是菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡是一種由塑料制成的特殊設(shè)計的光學透鏡，它用來配合熱釋電紅外線傳感器，以達到提高接收靈敏度。用菲涅爾透鏡配合放大電路將信號放大 60 70db，就可以檢測 1020m 處人的活動。 2. 熱釋電紅外探測器基本原理 熱釋電紅外傳感器通過接收移動人體輻射出的特定波長的紅外線，可以將其轉(zhuǎn)化為 與人體運動速度，距離，方向等有關(guān)的低頻電信號。由 于 傳感器的電壓響應度與入射光輻射變化的頻率成反比，因此，當恒定的紅外輻射照射在探測器上時，探測器沒有電信號輸出，所以恒定的紅外輻射不能被檢測到 ； 而物體 移動速度越快，同樣的入射功率下，輸出電壓就會越小，只有達到報警 閾 值電平時，探測器才會有電壓信號輸出。根據(jù)該特性，選擇熱釋電紅外探測器適用于盜情信號的檢測。 探測器原理框圖如圖 3 所示，當人體進入警戒區(qū)，人體溫度會引起環(huán)境溫度輻射場的變化，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外探頭感應到的是人體溫度與背景溫度的差異信號，則在負載 電阻上產(chǎn)生一個電信號，電信號的大小，決定于敏感元件溫度變化的快慢。經(jīng)過后級比較器與狀態(tài)控制器產(chǎn)生相應輸出信號 Uo。 3 用戶端探測器設(shè)計 10 圖 3 熱釋電紅外探測器原理框圖 3． 熱釋電紅外探測器電路設(shè)計 熱釋電紅外探測器電路采用的器件包括紅外探測器專用芯片 —— 紅外傳感信號處理器 BISS000熱釋電紅外探頭 RE200B(傳感器 )及一些外圍元件 (電阻電容 )。它的正常工作電壓是 +4. 5V(工作范圍可在 3V 到 5V 之間 )。 檢測元件 BISS0001 是 CMOS 數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，可與多種 傳感器匹配，進行信號預處理。另外它還具有雙向鑒幅器，可有效抑制 干擾，其內(nèi)部設(shè)有延遲時間定時器和封鎖時間定時器。管腳排列及各點波形如圖 4 和 圖 5 所示。 當 A 端等于“ 0”時，為不可重復觸發(fā)工作方式，即在 Tx 時間內(nèi)，任何 IC7 的變化都被忽略，直至延遲時間 Tx 結(jié)束。當 Tx 時間結(jié)束時， Uo 下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器進入封鎖周期 Ti。在 Ti 周期內(nèi)，任何 IC7 的變化都不能使Uo 為有效狀態(tài)。本電路中由于 BISS0001 的 1 腳接的是低電平，即此時芯片設(shè)置為不可重復觸發(fā)狀態(tài)，所 以在延時周期內(nèi)，電路不會被重復觸發(fā)，直到延時周期結(jié)束。這一功能的設(shè)置，可有效抑制負載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 RR RC1 為輸出延遲時間 Tx 的調(diào)節(jié)端， RR RC2 為觸發(fā)封鎖時間 Ti 的調(diào)節(jié)端。 3 用戶端探測器設(shè)計 11 圖 4 BISS0001 管腳排列圖 圖 5 不可重復觸發(fā)工作方式下各點波形 圖 6 所示為紅外探測器分立元件電路圖。當熱釋電紅外探頭接收到人體發(fā)出的紅外線后，經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)換，輸出一個微弱的低頻電 信號到 BISS0001 芯片的第一級運算放大器 ICl 的同相輸入端 (14 腳 )，對信號進行放大預處理，然后由電容耦 合給第二級運算放大器 IC2，對信號再次放大，同時將直流電位抬高到 VM。再經(jīng)內(nèi)部的兩個電壓比較器 (IC3, IC4)構(gòu)成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號 VS 去啟動延遲時間定時器 (只要有觸發(fā)信號 VS 的上跳沿則可啟動延遲時間定時器 )。由于 VH≈ , VL≈ ，所以當 VCC 為 + 電壓時，可有效地抑制 177。 0. 9V (VHVL)的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 IC6 是一個條件比較器，當輸入電壓 VC VR 時， IC6 輸出為低電平，封鎖了與門 IC7， 禁止觸發(fā)信號向下級傳遞 ； 當 VC VR 時， IC6 輸出為高電平，則打開與門 IC7，此時，如果有觸發(fā)信號 VS 的上跳變沿到來，將啟動延遲時間定時器，同時 Uo 腳 (2 腳 )輸出高電平信號，經(jīng)與門后送單片機進行報警處理，此時探測器進入延時周期，延遲與封鎖時間為幾秒鐘。該設(shè)計輸出為脈沖信3 用戶端探測器設(shè)計 12 號，當有移動物體進入探測范圍以內(nèi)時，輸出端電平由高電平跳變至低電平，可實現(xiàn)檢測并報警。 圖 6 紅外線探測器電路圖 微波探測器 1． 微波探測器原理 微波探測器為空間探測器，用于探測在防范空間內(nèi)的任何運動物體。微波探測器可靠性強，無光亮和熱源的要求，探測環(huán)境要求低。在微波段，當以一種頻率發(fā)送時，在微波能量覆蓋的范圍內(nèi)，如果有物體移動，將會以另一種頻率反射，這樣發(fā)射頻率和反射頻率有一個頻率差異產(chǎn)生。這種頻率差異與很多因素有關(guān)，其中包括移動物體的速度， 與探測器的徑向角度等。 實際電路中，是由振蕩器電路產(chǎn)生并發(fā)射近微波段電磁波形成微波場，天線把電信號轉(zhuǎn)換為相應的電磁波輻射到周圍空間，輻射半徑可達 10m 以上 (如果想繼續(xù)增大輻 射半徑或提高靈敏度可以通過調(diào)整天線的大小和方向來完成 )。當有人在場中運3 用戶端探測器設(shè)計 13 動時，反射回去的微波將發(fā)生頻率變化，從而使微波探測器輸出一個與人體運動速度有關(guān)的低頻電信號。根據(jù)該特性，也選擇微波探測器用于盜情的檢測。 圖 7 微波探測器原理框圖 環(huán)形天線和它周圍的電阻、電容和 MOS 場效應管組成了近微波段高頻自激振蕩電路 (它的振蕩頻率在 1GHz 左右 )，微波探測器原理如圖 7 所示，當電路接通電源以后，振蕩產(chǎn)生的單頻、等幅信號通過外接天線發(fā)射到空間，產(chǎn)生一個立體空 間微波防護區(qū)，天線既發(fā)射振蕩信號，也接收回波。反射回來的微波信號與原信號之間混頻后產(chǎn)生微弱的頻移信號，該信號送放大器進行放大。放大后的信號送窗口式鑒幅比較輸入端，經(jīng)比較將一定強度的探測信號轉(zhuǎn)換為寬度不同的等幅脈沖輸出。 2． 微波 探測器電路設(shè)計 微波探測器電路使用的主要元件是單電源通用四運算放大器 KIA324P、環(huán)形天線、微波振蕩管 C3355 及一些外圍元器件，外接 +6V 電源。其電路圖如圖 8。 當有人在該微波防護區(qū)內(nèi)移動時，振蕩頻率和幅度發(fā)生相應的變化。根據(jù)多普勒效應，該波動的頻率與物體運動的快慢有關(guān)，而幅度與 距離有關(guān)?；祛l后高頻信號因為過高而失去作用，剩下微弱的低頻信號經(jīng) U1 作前級放大， 10uF 電容與 7. 5K電阻構(gòu)成充電電路，充電電壓作為第一級比較器 U4 的基準電壓，同時實現(xiàn)延時功能，即只有前級放大電壓高于該參考電壓時，輸出才為高電平，此時， C9015 導通，最后信號經(jīng) U2, U3 構(gòu)成的窗口比較器比較后輸出探測到的信號。實驗過程中報警范圍實測約為 7—— 8 米，探測到有效信號時，有 20 秒的報警信號輸出， LED 發(fā)光做出預警指示，可有效的進行實時探測。該電路可以工作在較寬的電壓范圍內(nèi) (標3 用戶端探測器設(shè)計 14 準電壓是 32V，但實際可以工作在很 寬的電壓范圍內(nèi) )，當檢測到異常信號時為高電平。 圖 8 微波探測器電路圖 微波靈敏度和紅外靈敏度通過步測的方法要分別調(diào)整，過高或過低的靈敏度都將影響防范效果。微波探測器靈敏度通過調(diào)節(jié)比較器參考電壓端電壓來控制，紅外探測器靈敏度通過調(diào)節(jié)輸出延遲時間 Tx 和觸發(fā)封鎖時間 Ti 來控制。 防火探測器電路設(shè)計 防火探測器是由溫度探測、光電感煙探測和一氧化碳探測構(gòu)成的復合型火災探測器。多傳感器設(shè)計思想解決了傳統(tǒng)防火探測器一直存在的誤報率高的問題，增強了火災 探測的可靠性。其中光電感煙探測器為本課題中傳感器電路的設(shè)計重點。復合型火災探測器原理如圖 9 所示。由于單元探測技術(shù)所采用的單一參數(shù)火災探測器(包括閾 值觸發(fā)式和模擬量式 )對火災特征信號響應靈敏度的不均勻性，導致它對實際火災的探測能力受到了限制，尤其是用于對家庭住宅火情的準確探知更是尤為重要。因此，報警系統(tǒng)中對火災信號的檢測采用多傳感器 /多判據(jù)的火災探測技術(shù)，將探測器探測到的多元火災探測信息經(jīng) 邏輯或非門送給 單片機進行綜合判 斷， 然后經(jīng)確認后發(fā)出報警信號。 3 用戶端探測器設(shè)計 15 溫度探測器光電感煙探測器CO 氣體探測器或非門用戶端自動報警器AT 89 C5 1Ala rm1 圖 9 復合式火災探測器原理示意圖 表 1 探測器比較試驗 對照表 傳感器類型 單傳感器元件閥值探測器 多傳感元件探測器 試驗火類型 光電感煙探 測器 差溫探測器 離子感煙探測 器 光電和差溫復合探 測器 木材明火 TF1 不適合 最佳 最佳 很適合 木材熱解火 TF2 最佳 不適合 適合 最佳 棉繩陰燃火 TF3 最佳 不適合 很適合 最佳 聚胺酯塑料火 TF4 很適合 適合 很適合 很適合 正庚烷火 TF5 很適合 很適合 最佳 最佳 無煙液體火 TF6 不適合 最佳 不適合 很適合 實際上，響應各種不同類型的火災，通常使用不同類型的火災傳感器，比較實驗結(jié)果如表 1 中所示 。光電感煙探測器不僅可探測一般火情，對陰燃火尤其有極好的探測效果，主要用于火情早期各種燃燒的煙霧顆粒進行探測，這一點就彌補了感溫探測器對陰燃火不敏感，響應速度慢以及不能區(qū)分是火災的熱還是空調(diào)或烹飪蒸氣的熱等缺點 ； 但溫度與光電感煙探測器都不能區(qū)分有些煙霧究竟是火災的煙還是烹飪蒸汽或香煙的煙霧，由此，在設(shè)計中增加了 CO 探測部分，可以探知早期火災煙霧中的 CO 成分，這樣就大大降低了各種環(huán)境因素的干擾，提高了報警的可信度。下面分別介紹三種傳感器的電路設(shè)計。 3 用戶端探測器設(shè)計 16 溫度探測器 溫度探測器使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20， 5V 直流電壓供電。 DS18B20 的測溫原理是利用溫敏振蕩器的頻率隨溫度變化的關(guān)系，把溫度信號直接轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號，通過內(nèi)部計數(shù)器對受溫度影響的振蕩器周期的計數(shù)可實現(xiàn)溫度測量。探測器中 DS18B20 采用寄生電源供電方式，保證在有效的 DS18B20時鐘周期內(nèi)能提供足夠的電流，圖 10 中采用一個 MOSFET 管和 MCU 的 I/0 口來完成對 DS18B20 的總線上拉，然后通過另一 I/0 對 DS18B20 進行控制并取得溫度值。 圖 10 溫度探測器 電路圖 光電感煙探測器 本節(jié)著重探討光電感煙探測器電路設(shè)計。作為發(fā)光器件，目前多采用大電流發(fā)光效率高的紅外發(fā)光管，受光器件多采用半導體硅光電管，受光器件的阻抗是隨煙霧濃度的增加而降低的，本電路所用的探測頭采用的是 OPTEK 公司的 OP231 和OP801SL 光電組合套件作為發(fā)射管和接收管，其中，發(fā)射管典型供電電壓為 ，接收管使用 5V 的直流電壓供電。 1． 散射光式光電感煙火災探測器的工作原理 利用煙霧微粒對光的散射作用，在一定的煙霧濃度范圍內(nèi)，散射光的強度 與煙霧的濃度成比例，因而可以利用光散射檢