玻璃破碎報警器教材

自動檢測技術與應用項目報告學校：廣東水利電力職業(yè)技術學院系別：自動化工程系班別：13嵌入式系統(tǒng)班姓名：陳秋娥學號：131202105指導老師：何玲日期：2014-12-14引言很多貴重物品柜臺如珠寶店，展覽櫥窗、博物館等場合為防盜和防搶劫，希望安裝一種玻璃破碎能自動報警的裝置。這種報警裝置需要能夠最大限度的防止誤報警，并且準確的將報警信號傳達到中央控制室甚至警方，以保證貴重物品的安全。我們提供的玻璃破碎報警系統(tǒng)的方案，可以高效的收集危機信號，并且以最快速度報告給中央控制中心，并且考慮到了斷電這一不確定因素對報警的影響，為貴重物品安全提供了一個非常強力的保障。目錄TOC\o"1-6"\h\u20428引言 2187581.使用背景 42.壓電效應20428 4204283.工作原理 6TOC\o"1-6"\h\u204284.靈敏度 7187585.頻率特性 9204286.方案設計 10204287.電路原理圖 12TOC\o"1-6"\h\u204288.電路設計分析 13187589.設計總結 1810.參考文獻20428 191.使用背景一般的貴重物品柜臺如珠寶店，展覽櫥窗、博物館等場合周遭會有很多雜音，其頻率一般為10kHZ以下（如說話、走路、車輛駛過的聲音信號），而玻璃破碎的聲音振動頻率在10k～15kHZ范圍。報警系統(tǒng)需要甄別傳感器傳輸的數據，僅在數據顯示需要報警的頻段進行報警；考慮到現代犯罪通常會切斷通用電源，報警系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)需要能夠在通用電源不能正常提供工作電壓（電壓過低或斷電）時及時切換備用電源；對于一些比較敏感的場合（重要展覽館或展廳）需要將報警信號與警方聯(lián)動，達到真正意義上保護貴重物品的要求。2.壓電效應壓電式傳感器的工作原理是以某些物質的壓電效應為基礎。這些物質在沿一定方向受到壓力或拉力而發(fā)生變形時，其表面上會產生電荷；若將外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現象就稱為壓電效應。而具有這種壓電效應的物體稱為壓電材料或壓電元件。常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇等。左圖示為天然結構的石英晶體，它是個六角形晶柱。在直角坐標系中z軸表示其縱向軸，稱為光軸；x軸平行于正六面體的棱線，稱為電軸；y軸垂直于正六面體棱面，稱為機械軸。通常把沿電軸方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”；而把沿機械軸方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”；在光軸方向受力時則不產生壓電效應。壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應正壓電是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時,內部就產生電極化現象,同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。逆壓電是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現象。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。3.工作原理壓電陶瓷片具有正壓電效應：壓電陶瓷片在外力作用下產生扭曲、變形時將會在其表面產生電荷，且產生的電荷量Q與作用力成正比，Q=F，為陶瓷的壓電系數，F為極化方向作用力。壓電傳感器還具有一個重要特點：只能用于測量動態(tài)變化的信號，高頻響應較好。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，呈電中性，不具有壓電性質。當外加電場增強到一定程度，材料的極化達到飽和程度時，所有電疇極化方向與外電場方向一致，即使外電場去掉，電疇極化方向基本不變，此時材料才具有壓電特性。玻璃破碎時會產生10k~15k的高頻聲音信號，該信號可使壓電傳感器的壓電元件產生正壓電效應。因而壓電陶瓷片可對玻璃破碎信號進行有效檢測，并對10kHz以下的聲音有較強的抑制作用，從而檢測玻璃是否發(fā)生破碎。玻璃破碎聲發(fā)射頻率的高低、強度的大小同玻璃的厚度、材料有關。使用石英玻璃在25℃、濕度25%時的破碎頻率為12kHz。玻璃破碎探測器按照工作原理的不同大致分為兩大類：一類是聲控型的單技術玻璃破碎探測器，它實際上是一種具有選頻作用（帶寬10到15KHz）的具有特殊用途（可將玻璃破碎時產生的高頻信號驅除）的聲控報警探測器。另一類是雙技術玻璃破碎探測器，其中包括聲控-震動型和次聲波-玻璃破碎高頻聲響型。聲控-震動型是將聲控與震動探測兩種技術組合在一起，只有同時探測到玻璃破碎時發(fā)出的高頻聲音信號和敲擊玻璃引起的震動，才輸出報警信號。次聲波-玻璃破碎高頻聲響雙技術探測器是將次聲波探測技術和玻璃破碎高頻聲響探測技術組合到一起，只有同時探測敲擊玻璃和玻璃破碎時發(fā)出的高頻聲響信號和引起的次聲波信號才觸發(fā)報警。玻璃破碎探測器要盡量靠近所要保護的玻璃，盡量遠離噪聲干擾源，如尖銳的金屬撞擊聲、鈴聲、汽笛的嘯叫聲等，減少誤報警。4.靈敏度傳感器的靈敏度有兩種表示法：當它與電荷放大器配合使用時，用電荷靈敏度Sq表示；與電壓放大器配合使用時，用電壓靈敏度Sv表示，其一般表達式為和下面以常用的壓電陶瓷加速度傳感器為例討論影響靈敏度的因素。壓電陶瓷元件受外力后表面上產生的電荷為Q=d33F，因為傳感器質量塊ｍ的加速度ａ與作用在質量塊上的力Ｆ有如下關系，即F=ma這樣，壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度與電壓靈敏度就可用下式表示，即由上兩式可知：壓電式加速度傳感器的靈敏度與壓電材料的壓電系數成正比，也和質量塊的質量成正比。為了提高傳感器的靈敏度，應當選用壓電系數大的壓電材料做壓電元件，在一般精度要求的測量中，大多采用以壓電陶瓷為敏感元件的傳感器。5.頻率特性壓電式加速度傳感器，可以簡化成由集中質量ｍ、集中彈簧剛度ｋ和阻尼系數ｃ組成的二階單自由度系統(tǒng)，因此，當傳感器感受振動體的加速度時，可以列出下列運動方程式式改寫為根據求二階傳感器頻響特性的方法，獲得壓電加速度計的幅頻特性與相頻特性分別為因為質量塊與振動體之間的相對位移Xm-X就等于壓電元件受到作用力后產生的變形量，因此，在壓電元件的線性彈性范圍內有由于壓電片表面產生的電荷量與作用力成正比，即Ｑ＝ｄＦ，因此將式子帶入得到壓電式加速度傳感器靈敏度與頻率的關系式，即上式所表示的頻響特性曲線為二階特性曲線，如下圖所示。由下圖可見，在ω／ωｎ相當小的范圍內，有6.方案設計在玻璃附近安裝壓電傳感器，當壓電元件表面因玻璃破碎產生的高頻聲音信號而受振動時，壓電傳感器就會產生一定的電壓脈沖。該電壓經放大后送入帶通濾波器，以提高靈敏度和減少誤報。壓電傳感器產生的是交流信號，需經過交直流變換變成直流信號后才能送入比較器。比較器產生標準的下降電壓引起單片機中斷執(zhí)行顯示、報警操作。系統(tǒng)總體框圖1如下：7.電路原理圖玻璃破碎報警器的電路圖壓電陶瓷片B將碎發(fā)的振動信號或響聲轉化成電信號，這個極端的電信號經過由三極管VT1和VT2構成的直耦式放大器放大后，利用C2從VT2的集電極上取出放大信號，然后經過二極管VD1和VD2倍壓整流后，使VT3導通，VT3導通后在R4兩端產生的壓降使單向可控硅VS導通并鎖存，于是語音報警喇叭HA通電反復發(fā)出聲音，這時只要按下SB，方可解除警報聲。該裝置的電源是由電源變壓器T將220V市電降壓為12V，經QD全橋整流、C3濾波后供給整機工作。為了防備交流電中斷，還增加了12V電池組。這樣當電網停止供電時，G自動續(xù)接供電，當電網復電后，G自動停止供電，始終讓報警電路處于準備狀態(tài)。8.電路設計分析壓電傳感器選用壓電陶瓷作為壓電傳感器，壓電傳感器可等效為一個電壓源，如圖所示：圖2壓電傳感器等效電路Ca為壓電傳感器等效電容、Ra為傳感器漏電阻，Cc為電纜電容，Ri是后級電路的輸入阻抗，Ci是其輸入電容，R=Ra//Ri。若壓電元件受正弦力f=Fmsinωt的作用時，經計算前置放大器輸入電壓Ui的幅值為：令ω0=1/［R（Ca+Cc+Ci）］，當ω/ω0>3時，可認為Uim與ω無關。利用壓電傳感器可檢測玻璃破碎產生信號的強弱。2、前置放大電路壓電傳感器輸出電壓信號很微弱，通常只有幾十毫伏，而且壓電傳感器輸出阻抗很高。為達到阻抗匹配和信號放大的作用，選用低噪聲、高輸入阻抗的儀表放大器AD620作為前置放大器對信號進行放大。AD620放大增益可通過電位器RG調節(jié)，增益放大電路如圖3所示3、帶通濾波器由于玻璃破碎產生的聲音信號頻率一般為10k~15k，為減少誤報，信號經放大后,需經帶通濾波器進行濾波,要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小,而帶外衰減要盡量大。采用二階壓控電壓源帶通濾波電路，如圖4所示?？捎稍O計手冊根據中心頻率和帶寬選取電阻電容值。令濾波器中心頻率f=12.5KHz，帶寬BW=5KHz，取C=0.01uF由公式R=1/2πfC，可求得R=1.27kΩ，R2=R=1.27kΩ，R3=2.54kΩ再由Q=1/(3-Av)，BW=f/Q，求得A=2.6，Q=2.5又由于Rf//R4=R3=2.54kΩ，A=1+Rf1/R4，求得Rf=6.6kΩ，R4=4.13kΩ圖4帶通濾波器4、直流變換與比較輸出電路信號經輸入調理電路后是一串被放大了的脈沖波，但是進入比較器的信號必須是直流電壓。采用AD736進行交直流變換，有比較成熟的電路。其輸入信號是有效值，最大為200mV。比較輸出是單片機能否正常顯示、報警的關鍵，電路中采用LM393進行電壓比較。其工作原理如下：輸入信號與參考電壓Ref進行比較，當輸入信號小于Ref時，比較器輸出標準的+5V電壓；當輸入信號大于Ref時，比較器輸出低電平。從AD736出來的直流電壓是隨傳感器的信號變化的，每當有聲音振動信號時，從比較器出來的電壓會形成一個標準的下降沿電壓，觸發(fā)單片機中斷。電路如圖5所示：圖5交直流變換與比較輸出電路5、靈敏度調節(jié)電路為了實現對玻璃破碎振動級別的識別，設計了報警靈敏度調節(jié)電路，可以通過調節(jié)它的不同級別來起到對不同強度的振動有濾過作用。采用調節(jié)比較器的比較電壓來實現靈敏度的調節(jié)。因為AD736的最大輸出電壓為200mV，所以Ref也應小于200mV。故需要分壓電路，采用電位器Rp對5V電源進行分壓，由4選1模擬開關構成4檔比較電壓，通過單片機P1.0和P1.1口進行控制。電路如圖6所示。圖6靈敏度調節(jié)電路6、顯示及報警電路利用PNP三極管的輸出特性，將基極通過R1接在P1.2腳，發(fā)射極通過二極管接蜂鳴器。當P1.2輸出高電平時，三極管發(fā)射結截止，蜂鳴器不響。當P1.2輸出低電平時，三極管工作在放大狀態(tài)，蜂鳴器會發(fā)出響聲，同時發(fā)光二極管發(fā)出紅光，實現報警。在實際應用中可采用單片機控制繼電器的關斷，從而接通聲光報警器。如圖7所示：圖7報警電路9.設計總結經過此項目的設計過程，了解了玻璃破碎報警器的制作原理，還有其電路的設計和參數的計算，從中也學會了自己制作和焊接一個報警器