Система охранной сигнализации промышленного объекта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Балтийский государственный технический университет

Курсовой проект

по учебной дисциплине «Микропроцессорные средства»

на тему «Система охранной сигнализации промышленного объекта»

Санкт-Петербург 2008

Реферат

Курсовой проект состоит из 40 страниц, содержит 1 таблицу, 7 формул и 16 рисунков. Использовано 13 источников.

Ключевые слова: система, охрана, сигнализация, микроконтроллер, датчик, структурная схема, функциональная схема, программа.

Цель: спроектировать систему охранной сигнализации на основе микроконтроллера с архитектурой MCS-51, разработать функциональную схему системы, написать программу для микроконтроллера.

Результат проектирования: была спроектирована система охранной сигнализации, особенностью которой, является наличие большого числа датчиков и жидкокристаллического индикатора, оповещающей владельца о попытке проникновения, и указанием где именно.

сигнализация охранный микроконтроллер программа



Введение

Стационарные системы охранной сигнализации

В последнее время в нашей стране, да и, пожалуй, во всём мире стала наиболее актуальна проблема безопасности объекта, а также проблема информационной безопасности. Системы электронных охранных сигнализаций являются одним из главных препятствий на пути несанкционированного проникновения на объект.

Современные интегрированные системы безопасности

В связи с широким использованием современных электронных компонентов и цифровых методов обработки информации происходит существенная "интеллектуализация" технических средств охраны. Эти средства перестают быть просто вспомогательными и приобретают новые свойства, что оказывает существенное влияние на организацию охраны и её уровень. Современные технические средства охраны могут быть использованы в виде полностью интегрированной системы или системы, состоящей из функционально независимых компонентов:

· охранная сигнализация,

· система контроля доступа в помещение с проверкой полномочий,

· система телевизионного наблюдения,

· контрольные и другие устройства.

Тенденции развития электронной техники и электротехники на базе микроминиатюризации требуют применения широкой номенклатуры маломощных и малогабаритных устройств и изделий (преобразователей трансформаторов, усилителей, фильтров, стабилизаторов, выпрямителей и так далее), выполненных на новой конструктивной основе ЭРЭ. Достижения науки и техники на современном этапе развития в области электронной техники позволяют значительно уменьшить массогабаритные характеристики рассматриваемых электронных устройств. В настоящее время конструирование РЭА, РЭУ и ЭРЭ характеризуется резким увеличением применения БИС, что также даёт возможность уменьшить объёмы устройств и одновременно улучшить их качественные характеристики, показатели надёжности и долговечности.

Система централизованной охраны

Охранные системы большой ёмкости обычно применяются для обеспечения безопасности крупных предприятий, банков, гостиниц и характеризуется тем, что обслуживают от нескольких сотен до нескольких тысяч датчиков (извещателей). При этом контролировать нужно не только датчики как средства обнаружения криминальной акции, но различного вида устройства управляющие работой системы.

Особенностью организации охраны рассматриваемого мною вида промышленных объектов является то, что непосредственно на территории объекта нет охранников. Задержание злоумышленников осуществляют оперативные группы специального подразделения милиции (вневедомственной охраны), либо какого-либо частного охранного агентства. Оперативные группы действуют по указаниям оператора центрального пульта охраны. В этом случае функциональные возможности пульта определяют эффективность системы в целом, а сам пульт обычно реализуется на базе ПЭВМ с развитым программным обеспечением.

Система централизованной охраны организуется с помощью передачи извещений.

1. Анализ задачи

Разработанная система охранной сигнализации будет обеспечить охрану по периметру объекта на предмет проникновения во внутрь, а именно, проникновение через дверь или окно, также сигнализацию на движение, на пролом стен, пола, потолка. Система должна проверять и идентифицировать свое состояние и, в случае срабатывания, передать сигнал на пульт вневедомственной охраны (ВОХР) с указанием кода места нарушения.

Описание объекта, на который возможно установка охранной сигнализации:

Характеристики объекта:

Кол-во помещений до 3

Площадь одного помещения, м² до 200

Высота, м² 2-8

Кол-во окон до 6

Кол-во входных дверей до 2

Кол-во ворот до 2

Функциональная спецификация:

Вход:

сигналы извещателей движения;

сигналы извещателей вибрации;

сигналы оконных извещателей;

сигналы контактных датчиков (герконов).

Выход:

сигнализация на жидкокристаллический индикатор;

сигнализация на пульт центрального наблюдения ВОХР.

Функции:

периодический опрос и анализ герконов, вибрационных извещателей, извещателей движения, оконных извещателей;

определение места срабатывания датчика;

если при первом опросе обнаруживается срабатывание какого-либо извещателя или датчика, то передается сигнал на жидкокристаллический индикатор;

если обнаруживается при втором и последующих опросах срабатывание извещателя или датчика, то передается сигнал на пульт центрального управления ВОХР.

2. Построение структурной схемы централизованной охраной системы

Система централизованной охраны организуется с помощью передачи извещений (Рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Схема централизованной охраны

ОО - охраняемый объект

ПЦО - пункт централизованной охраны - это диспетчерский пункт для централизованной охраны ряда рассредоточенных объектов от проникновения и пожара с использованием систем передачи извещений

ПЦН - пульт централизованного наблюдения

Р - ретранслятор

ОУ - объектовое оконечное устройство - это составная часть системы, устанавливаемая на охраняемом объекте, для приёма извещений от совокупности датчиков (СД), преобразования сигналов и их передачи по каналу связи на ретранслятор ПЦН, а также (при наличии обратного канала) для приёма команд телеуправления от ретранслятора (ПЦН)

Технические средства от комплекса охранной сигнализации до пульта централизованной охраны образуют систему передачи извещений (СПИ), которая предусматривает установку оконечного устройства на объектах, ретрансляторах.

Классификация систем передачи извещений

По информационной ёмкости (количеству охраняемых объектов ) СПИ подразделяют

· на систему с постоянной информационной ёмкостью,

· с возможностью наращивать.

По информативности СПИ подразделяют на системы :

· малой информативной ёмкости - до 2-х видов извещений,

· средней информативной ёмкости - от 3-х до 5 видов извещений,

· большой информативной ёмкости - свыше 5 видов извещений.

По типу используемых линий (каналов) связи СПИ подразделяют на системы, использующие:

· телефонные сети,

· специальные линии связи,

· радиоканалы,

· комбинированные линии связи и др.

По количеству направлений передачи информации СПИ подразделяют на системы:

· с однонаправленной передачей информации,

· системы с двунаправленной передачей информации (использованием обратного канала).

По способу отображения поступающей на ПЦН информации СПИ подразделяют на системы :

· с индивидуальным или групповым отображением информации в виде световых и звуковых сигналов,

· с отображением информации на дисплеях,

· с применением условной обработки и накоплением в банке данных.

С охраняемых объектов могут передаваться следующие виды извещений:

· "проникновение",

· "неисправность",

· "взятие",

· "снятие",

· адреса объектов и прочая служебная и диагностическая информация.

Сокращения

Д0-Д31 -датчики, извещатели.

MUX - мультиплексор

MCS51 - микроконтроллер семейства 51.

К - ключ-кнопка включения системы.

Используемые датчики

Извещатель движения - пассивный, инфракрасный, с релейным выходом (цифровым). Кол-во: 16 шт.

Извещатель вибрации - наружный вибрационный, с релейным выходом (цифровым). Кол-во: 6 шт.

Извещатель оконный - охранный поверхностный звуковой, с релейным выходом (цифровым). Кол-во: 4 шт.

Геркон - магнитоуправляемый датчик для наружного монтажа с дискретным выходом. Кол-во: 6 шт.

Используемые

Используемые мультиплексоры

Два цифровых мультиплексора на шестнадцать информационных входов.

Используемый микроконтроллер

Микроконтроллер семейства МК51.

Используемый ЖКИ

Два семисегментных индикатора.

Структурная схема данной системы охранной сигнализации представлена на Рис.2.

Рисунок 2 Структурная схема

3. Выбор и обоснование элементной базы

3.1 Описание мультиплексора

Мультиплексор осуществляет подключение одного из входных каналов к выходному под управлением управляющего (адресующего) слова. Разрядности могут быть различными, но серийно выпускаются мультиплексоры двух-, четырех-, восьми- и шестнадцатиразрядные.

Входы мультиплексора делятся на две группы: информационные и адресующие. Адресующий код А задает переключателю определенное положение, соединяя с выходом Q один из информационных входов.

Вход разрешения работы является инверсным. Если на него подать 0, то выход мультиплексора будет равен 0 независимо от информационных и адресных сигналов[5].

На Рис.3 представлен вид мультиплексора на шестнадцать информационных входов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.Мультиплексор

Примечание. Возможно наращивание разрядности мультиплексоров с помощью пирамидальной структуры из нескольких мультиплексоров. При этом первый ярус схемы представляет собой столбец, содержащий столько мультиплексоров, сколько необходимо для получения нужного числа информационных входов. Все мультиплексоры столбца адресуются одним и тем же кодом, составленным из соответствующего числа адресного кода (если число информационных входов схемы равно 2ⁿ, то общее число адресных разрядов равно n, младшее поле n₁ адресного кода используется для адресации мультиплексоров первого яруса). Старшие разряды адресного кода, число которых равно n-n₁ , используются во втором ярусе, мультиплексор которого обеспечивает поочередную работу мультиплексоров первого яруса на общий выходной канал. Буду использовать мультиплексор К155КП2[5].

3.2 Описание семисегментного индикатора

Для общения с операторами системы охранной сигнализации, то есть в нашем случае, для индикации кода неисправного датчика используются средства индикации данных. Среди различных средств индикации имеются сложные устройства, такие как экранные дисплеи, и простые, такие как светодиодные, жидкокристаллические индикаторы и матрицы. Мы используем только простейшие индикаторы - семисегментные индикаторы[6].

В индикаторе семь сегментов, которые расположены так, что при определенной их комбинации высвечивается та или иная цифра. На Рис.4 представлена структурная и функциональная схемы семисегментного индикатора DA03 фирмы KingBright.

Рисунок 4 Коды сегментов индикатора. Структурная и функциональная схемы индикатора DA03, фирмы KingBright

На Рис. 5 показана номинальная характеристика индикаторов DA03,фирмы KingBright.

Рисунок 5 Номинальная характеристика индикаторов DA03, фирмы KingBright



В курсовом проекте будем использовать индикатор DA03-Green, фирмы KingBright.

3.3 Описание датчиков

В стационарных охранных сигнализациях используется множество датчиков -- от самых простых (контактных) до сложных, представляющих собой практически самостоятельные интеллектуальные электронные устройства (объемные датчики). Без датчиков не обходится ни одна охранная система.

Рассмотрим назначение и основные особенности датчиков, используемых в стационарных охранных системах, а так же в нашем проекте[6].

3.3.1 Извещатели разбития стекла

Извещатели разбития стекла предназначены для защиты от проникновения путем разрушения стеклянного полотна окон или витрин. По принципу действия они делятся на три типа: контактные, пьезоэлектрические и акустические.

При применении контактных извещателей на поверхность стекла наносится слой проводящего материала (это может быть, например, фольга) и при его разрушении этот материал разрывает электрическую цепь, вследствие чего и принимается решение о наличии вторжения.

При применении пьезоэлектрических извещателей на поверхность стекла приклеиваются специальные небольшие пьезоэлектрические модули и при его разрушении генерируются акустические колебания, на основе которых и принимается решение о наличии вторжения (принцип их действия аналогичен звукоснимателю для виниловых дисков)[13].

Разумеется, в последнее время извещатели рассмотренных выше двух типов стали применяться весьма редко, поскольку они существенно портят дизайн окна. От этого недостатка свободны только бесконтактные акустические извещатели, которые оснащаются высокочувствительным миниатюрным микрофоном, улавливающим звук, издаваемый при разбитии стекла. Эти извещатели крепятся на стену или потолок около окна. При разбитии стекла возникает два типа звуковых колебаний, причем в строго определенной последовательности. Сначала возникает ударная волна с частотой порядка 100 Гц (эту волну вызывает колебание при ударе всего массива стекла в целом), а потом волна разрушения стекла с частотой порядка 5 Кгц. Извещатель детектирует эти волны, и в случае наличия их правильной последовательности принимается решение о наличии проникновения.

3.3.2 Контактные датчики

Контактные извещатели служат для обнаружения несанкционированного открытия различных механических заградительных конструкций: дверей, ворот, окон и т.д. По принципу действия извещатели этого типа делятся на магнитные и механические.

Магнитные извещатели состоят из двух частей: герконового реле (геркона), устанавливаемого на неподвижную часть конструкции, и магнита, устанавливаемого на открывающийся модуль. Когда открывающийся модуль закрыт, магнит находится вблизи геркона и наводит в нем магнитное поле, удерживающее его контакты в замкнутом состоянии. При открытии магнит удаляется от геркона, размыкая его контакты[13].

Различают три основных вида магнитных датчиков (по принципу монтажа): накладные, врезные и для металлических дверей. Если обычный магнитный извещатель поставить на металлическую дверь без диэлектрической прокладки, со временем за счет намагничивания металла произойдет так называемое "залипание" геркона: его контакты будут замкнуты независимо от наличия вблизи магнита. Именно поэтому для металлических дверей существует специальный тип магнитных извещателей. В том случае, если необходимо контролировать открытие массивных конструкций (ворот, бронированных дверей сейфового типа), применяются механические контактные извещатели, называемые концевыми выключателями. Принцип их действия весьма прост и основан на чисто механическом замыкании/размыкании контактных групп[13]. Контактные извещатели, в случае их срабатывания, обеспечивают самое быстрое обнаружение вторжения и вследствие простоты устройства самую низкую вероятность ложной тревоги. Однако при этом их наиболее просто обойти, поэтому они должны использоваться совместно с извещателями других типов.

3.3.3 Вибрационные извещатели

Вибрационные извещатели служат для защиты от проникновения путем разрушения строительных конструкций (например, сверления стен). Эти извещатели детектируют и анализируют сейсмические волны, возникающие в массиве конструкций при их разрушении[13].

3.3.4 Объемные датчики

Анализ номенклатуры датчиков, предлагаемых крупнейшими производителями систем охранной сигнализации, показывает, что в классе датчиков для охраны помещений наиболее популярными являются инфракрасные (ИК) пассивные, комбинированные (в основном ИК + микроволновые). Реже применяются микроволновые, ультразвуковые датчики[13].

В проекте охранной сигнализации используем пассивные ИК-датчики. Этот вид датчиков является самым сложным, пишем их более подробно.

Основу охранных сигнализаций составляют объемные извещатели. Далее рассматриваются принципы действия и особенности применения таких датчиков. Эти датчики предназначены в первую очередь для защиты объема охраняемого помещения.

ИК-пассивные датчики, называемые также оптико-электронными, относятся к классу детекторов движения и реагируют на тепловое излучение движущегося человека. Принцип действия этих датчиков основан на регистрации изменения во времени разницы между интенсивностью ИК излучения от человека и фонового теплового излучения. В настоящее время ИК-пассивные датчики являются самыми популярными, они составляют неотъемлемый элемент охранной системы практически каждого объекта[13].

Для того чтобы нарушитель был обнаружен ИК-пассивным датчиком, необходимо выполнение следующих условий:

нарушитель должен пересечь в поперечном направлении луч зоны чувствительности датчика;

движение нарушителя должно происходить в определенном интервале скоростей;

чувствительность датчика должна быть достаточной для регистрации разницы температур поверхности тела нарушителя (с учетом влияния его одежды) и фона (стены, пол).

ИК-пассивные датчики состоят из трех основных элементов:

оптической системы, формирующей диаграмму направленности датчика и определяющей форму и вид пространственной зоны чувствительности;

пироприемника, регистрирующего тепловое излучение человека;

блока обработки сигналов пироприемника, выделяющего сигналы, обусловленные движущимся человеком, на фоне помех естественного и искусственного происхождения.

Мы будет использовать датчик PATROL - 201. Его характеристики можно посмотреть на Рис. 6.

Рисунок 6 Технические характеристики датчика PATROL - 201

3.4 Оптическая система

Современные ИК-датчики характеризуются большим разнообразием возможных форм диаграмм направленности. Зона чувствительности ИК-датчиков представляет собой набор лучей различной конфигурации, расходящихся от датчика по радиальным направлениям в одной или нескольких плоскостях. В связи с тем, что в ИК-детекторах используются сдвоенные пироприемники, каждый луч в горизонтальной плоскости расщепляется на два.

Зона чувствительности детектора может иметь вид:

одного или нескольких, сосредоточенных в малом угле, узких лучей[13];

нескольких узких лучей в вертикальной плоскости (лучевой барьер);

одного широкого в вертикальной плоскости луча (сплошной занавес) или в виде многовеерного занавеса;

нескольких узких лучей в горизонтальной или наклонной плоскости (поверхностная одноярусная зона);

нескольких узких лучей в нескольких наклонных плоскостях (объемная многоярусная зона).

Существует требование равномерной чувствительности детектора. Ниже приведено описание этого требования. Сигнал на выходе пироприемника при прочих равных условиях тем больше, чем больше степень перекрытия нарушителем зоны чувствительности детектора и чем меньше ширина луча и расстояние до детектора. Для обнаружения нарушителя на большом (10 .20 м) расстоянии желательно, чтобы в вертикальной плоскости ширина луча не превышала 5° .10°, в этом случае человек практически полностью перекрывает луч, что обеспечивает максимальную чувствительность[13]. На меньших расстояниях чувствительность детектора в этом луче существенно возрастает, что может привести к ложным срабатываниям, например, от мелких животных. Для уменьшения неравномерной чувствительности используются оптические системы, формирующие несколько наклонных лучей, ИК детектор при этом устанавливается на высоте выше человеческого роста. Общая длина зоны чувствительности тем самым разделяется на несколько зон, причем "ближние" к детектору лучи для снижения чувствительности делаются обычно более широкими. За счет этого обеспечивается практически постоянная чувствительность по расстоянию, что с одной стороны способствует уменьшению ложных срабатываний, а с другой стороны повышает обнаружительную способность за счет устранения мертвых зон вблизи детектора.

При построении оптических систем ИК-датчиков могут использоваться:

линзы Френеля - фасеточные (сегментированные) линзы, представляющие собой пластиковую пластину с отштампованными на ней несколькими призматическими линзами-сегментами;

зеркальная оптика - в датчике устанавливается несколько зеркал специальной формы, фокусирующих тепловое излучение на пироприемник;

комбинированная оптика, использующая и зеркала, и линзы Френеля.

В большинстве ИК-пассивных датчиков используются линзы Френеля. К достоинствам линз Френеля относятся:

простота конструкции детектора на их основе;

низкая цена;

возможность использования одного датчика в различных приложениях при использовании сменных линз.

Обычно каждый сегмент линзы Френеля формирует свой луч диаграммы направленности. Использование современных технологий изготовления линз позволяет обеспечить практически постоянную чувствительность детектора по всем лучам за счет подбора и оптимизации параметров каждой линзы-сегмента: площади сегмента, угла наклона и расстояния до пироприемника, прозрачности, отражающей способности, степени дефокусировки. В последнее время освоена технология изготовления линз Френеля со сложной точной геометрией, что дает 30% увеличение собираемой энергии по сравнению со стандартными линзами и соответственно увеличение уровня полезного сигнала от человека на больших расстояниях[13]. Материал, из которого изготавливаются современные линзы, обеспечивает защиту пироприемника от белого света. К неудовлетворительной работе ИК-датчика могут привести такие эффекты, как тепловые потоки, являющиеся результатом нагревания электрических компонентов датчика, попадание насекомых на чувствительные пироприемники, возможные переотражения инфракрасного излучения от внутренних частей детектора. Для устранения этих эффектов в ИК-датчиках последнего поколения применяется специальная герметичная камера между линзой и пироприемником (герметичная оптика.

Зеркальная оптика как единственный элемент оптической системы применяется достаточно редко. Преимуществами зеркальной оптики являются возможность более точной фокусировки и, как следствие, увеличение чувствительности, что позволяет обнаруживать нарушителя на больших расстояниях. Использование нескольких зеркал специальной формы, в том числе многосегментных, позволяет обеспечить практически постоянную чувствительность по расстоянию, причем эта чувствительность на дальних расстояниях приблизительно на 60% выше, чем для простых линз Френеля. С помощью зеркальной оптики проще обеспечивается защита ближней зоны, расположенной непосредственно под местом установки датчика (так называемая антисаботажная зона). По аналогии со сменными линзами Френеля, ИК-датчики с зеркальной оптикой комплектуются сменными отстегивающимися зеркальными масками, применение которых позволяет выбирать требуемую форму зоны чувствительности и дает возможность адаптировать датчик к различным конфигурациям защищаемого помещения.

В современных высококачественных ИК-детекторах используется комбинация линз Френеля и зеркальной оптики. При этом линзы Френеля используются для формирования зоны чувствительности на средних расстояниях, а зеркальная оптика - для формирования антисаботажной зоны под датчиком и для обеспечения очень большого расстояния обнаружения[13].

3.5 Пироприемник

Оптическая система фокусирует ИК излучение на пироприемнике, в качестве которого в ИК-датчиках используется сверхчувствительный полупроводниковый пироэлектрический преобразователь, способный зарегистрировать разницу в несколько десятых градуса между температурой тела человека и фона. Изменение температуры преобразуется в электрический сигнал, который после соответствующей обработки вызывает сигнал тревоги. В ИК-датчиках обычно используются сдвоенные (дифференциальные) пироэлементы. Это связано с тем, что одиночный пироэлемент одинаковым образом реагирует на любое изменение температуры независимо от того, чем оно вызвано - человеческим телом или, например, обогревом помещения, что приводит к повышению частоты ложных срабатываний. В дифференциальной схеме производится вычитание сигнала одного пироэлемента из другого, что позволяет существенно подавить помехи, связанные с изменением температуры фона, а также заметно снизить влияние световых и электромагнитных помех[13]. Сигнал от движущегося человека возникает на выходе сдвоенного пироэлемента только при пересечении человеком луча зоны чувствительности и представляет собой почти симметричный двухполярный сигнал, близкий по форме к периоду синусоиды. Сам луч для сдвоенного пироэлемента по этой причине расщепляется в горизонтальной плоскости на два. В последних моделях ИК-датчиков с целью дополнительного снижения частоты ложных срабатываний используются счетверенные пироэлементы - это два сдвоенных пироприемника, расположенные в одном датчике (обычно размещаются один над другим). Радиусы наблюдения этих пироприемников делаются различными, и поэтому локальный тепловой источник ложных срабатываний не будет наблюдаться в обоих пироприемниках одновременно. При этом геометрия размещения пироприемников и схема их включения выбирается таким образом, чтобы сигналы от человека были противоположной полярности, а электромагнитные помехи вызывали сигналы в двух каналах одинаковой полярности, что приводит к подавлению и этого типа помех. Для счетверенных пироэлементов каждый луч расщепляется на, в связи с чем максимальное расстояние обнаружения при использовании одинаковой оптики уменьшается приблизительно вдвое, так как для надежного обнаружения человек должен своим ростом перекрывать оба луча от двух пироприемников. Повысить расстояние обнаружения для счетверенных пироэлементов позволяет использование прецизионной оптики, формирующей более узкий луч. Другой путь, позволяющий в некоторой степени исправить это положение - применение пироэлементов со сложной переплетенной геометрией[13].

3.6 Блок обработки сигналов

Блок обработки сигналов пироприемника должен обеспечивать надежное распознавание полезного сигнала от движущегося человека на фоне помех[13]. Для ИК-датчиков основными видами и источниками помех, могущими вызвать ложное срабатывание, являются:

источники тепла;

конвенционное движение воздуха;

солнечная радиация и искусственные источники света;

электромагнитные и радиопомехи (транспорт с электродвигателями, электросварка, линии электропередачи, мощные радиопередатчики, электростатические разряды);

сотрясения и вибрации;

термическое напряжение линз;

насекомые и мелкие животные.

Выделение блоком обработки полезного сигнала на фоне помех основано на анализе параметров сигнала на выходе пироприемника. Такими параметрами являются величина сигнала, его форма и длительность. Сигнал от человека, пересекающего луч зоны чувствительности ИК-датчика, представляет собой почти симметричный двухполярный сигнал, длительность которого зависит от скорости перемещения нарушителя, расстояния до датчика, ширины луча, и может составлять приблизительно 0,02 .10 с при регистрируемом диапазоне скоростей перемещения 0,1 .7 м/с. Помеховые сигналы в большинстве своем являются несимметричными или имеющими отличную от полезных сигналов длительность. Основным параметром, анализируемым всеми датчиками, является величина сигнала. В простейших датчиках этот регистрируемый параметр является единственным, и его анализ производится путем сравнения сигнала с некоторым порогом, который определяет чувствительность датчика и влияет на частоту ложных тревог. С целью повышения устойчивости к ложным тревогам в простых датчиках используется метод счета импульсов, когда подсчитывается, сколько раз сигнал превысил порог (то есть, по сути, сколько раз нарушитель пересек луч или сколько лучей он пересек). При этом тревога выдается не при первом превышении порога, а только если в течение определенного времени количество превышений становится больше заданной величины (обычно 2 .4). Недостатком метода счета импульсов является ухудшение чувствительности, особенное заметное для датчиков с зоной чувствительности типа одиночного занавеса и ей подобной, когда нарушитель может пересечь только один луч. С другой стороны, при счете импульсов возможны ложные срабатывания от повторяющихся помех (например, электромагнитных или вибраций).

В более сложных датчиках блок обработки анализирует двухполярность и симметрию формы сигналов с выхода дифференциального пироприемника. Суть обработки состоит в сравнении сигнала с двумя порогами (положительным и отрицательным) и, в ряде случаев, сравнении величины и длительности сигналов разной полярности[13].

Возможна также комбинация этого метода с раздельным подсчетом превышений положительного и отрицательного порогов. Анализ длительности сигналов может проводиться как прямым методом измерения времени, в течение которого сигнал превышает некоторый порог, так и в частотной области путем фильтрации сигнала с выхода пироприемника, в том числе с использованием "плавающего" порога, зависящего от диапазона частотного анализа.

Еще одним видом обработки, предназначенным для улучшения характеристик ИК-датчиков, является автоматическая термокомпенсация. В диапазоне температур окружающей среды 25°С .35°С чувствительность пироприемника снижается за счет уменьшения теплового контраста между телом человека и фоном, при дальнейшем повышении температуры чувствительность снова повышается, но "с противоположным знаком".

В так называемых "обычных" схемах термокомпенсации осуществляется измерение температуры, и при ее повышении производится автоматическое увеличение усиления. При "настоящей" или "двухсторонней" компенсации учитывается повышение теплового контраста для температур выше 25°С .35°С. Использование автоматической термокомпенсации обеспечивает почти постоянную чувствительность ИК-датчика в широком диапазоне температур.

Перечисленные виды обработки могут проводиться аналоговыми, цифровыми или комбинированными средствами. В современных ИК-датчиках все шире начинают использоваться методы цифровой обработки с использованием специализированных микроконтроллеров с АЦП и сигнальных процессоров, что позволяет проводить детальную обработку тонкой структуры сигнала для лучшего выделения его на фоне помех. В последнее время появились сообщения о разработке полностью цифровых ИК-датчиков, вообще не использующих аналоговых элементов[13].

Как известно, вследствие случайного характера полезных и помеховых сигналов наилучшими являются алгоритмы обработки, основанные на теории статистических решений.

Косвенными признаками хорошего современного датчика могут быть наличие АЦП, микропроцессора и, что стали в последнее время сообщать производители, объема используемой программы обработки, который имеет величину несколько тысяч байт[13].

Другие элементы защиты ИК-датчиков

В ИК-датчиках, предназначенных для профессионального использования, применяются так называемые схемы антимаскинга.

Суть проблемы состоит в том, что обычные ИК-датчик могут быть выведены нарушителем из строя путем предварительного (когда система не поставлена на охрану) заклеивания или закрашивания входного окна датчика. Для борьбы с этим способом обхода ИК-датчиков и используются схемы антимаскинга. Метод основывается на использовании специального канала ИК-излучения, срабатывающего при появлении маски или отражающей преграды на небольшом расстоянии от датчика (от 3 до 30 см).

Схема антимаскинга работает непрерывно, пока система снята с охраны. Когда факт маскирования обнаруживается специальным детектором, сигнал об этом подается с датчика на контрольную панель, которая, однако, не выдает сигнала тревоги до тех пор, пока не придет время постановки системы на охрану. Именно в этот момент оператору и будет выдана информация о маскировании. Причем, если это маскирование было случайным (крупное насекомое, появление крупного объекта на некоторое время вблизи датчика и т.п.) и к моменту постановки на сигнализацию самоустранилось, сигнал тревоги не выдается[13].

Для устранения срабатываний ИК-датчика от мелких животных используются либо специальные линзы с зоной нечувствительности от уровня пола до высоты порядка 1 м, либо специальные методы обработки сигналов.

Следует учитывать, что специальная обработка сигналов позволяет игнорировать животных только в том случае, если их общий вес не превышает 7 .15 кг, и они могут приблизиться к датчику не ближе 2 м[13].

3.7 Установка и использование ИК-датчиков

При выборе типов и количества датчиков для обеспечения охраны конкретного объекта следует учитывать возможные пути и способы проникновения нарушителя, требуемый уровень надежности обнаружения; расходы на приобретение, монтаж и эксплуатацию датчиков; особенности объекта; тактико-технические характеристики датчиков. Особенностью ИК-пассивных датчиков является их универсальность - с их использованием возможно блокирование от подхода и проникновения самых разнообразных помещений, конструкций и предметов: окон, витрин, прилавков, дверей, стен, перекрытий, перегородок, сейфов и отдельных предметов, коридоров, объемов помещений. При этом в ряде случаев не потребуется большого количества датчиков для защиты каждой конструкции - может оказаться достаточным применения одного или нескольких датчиков с нужной конфигурацией зоны чувствительности. Остановимся на рассмотрении некоторых особенностей применения ИК-датчиков[13].

Общий принцип использования ИК-датчиков - лучи зоны чувствительности должны быть перпендикулярны предполагаемому направлению движения нарушителя. Место установки датчика следует выбирать так, чтобы минимизировать мертвые зоны, вызванные наличием в охраняемом помещении крупных предметов, перекрывающих лучи (например, мебель, комнатные растения). Если в помещении двери открываются внутрь, следует учитывать возможность маскировки нарушителя открытыми дверьми. При невозможности устранить мертвые зоны следует использовать несколько датчиков. При блокировке отдельных предметов датчик или датчики нужно устанавливать так, чтобы лучи зоны чувствительности блокировали все возможные подходы к защищаемым предметам[13].

Должен соблюдаться задаваемый в документации диапазон допустимых высот подвески (минимальная и максимальная высоты). В особенности это относится к диаграммам направленности с наклонными лучами: если высота подвески будет превышать максимально допустимую, то это приведет к уменьшению сигнала из дальней зоны и увеличению мертвой зоны перед датчиком, если же высота подвески будет меньше минимально допустимой, то это приведет к уменьшению дальности обнаружения с одновременным уменьшением мертвой зоны под датчиком[13].

К ложным срабатываниям ИК-датчиков могут привести помехи теплового, светового, электромагнитного, вибрационного характера. Несмотря на то, что современные ИК-датчики имеют высокую степень защиты от указанных воздействий, все же целесообразно придерживаться следующих рекомендаций:

для защиты от потоков воздуха и пыли не рекомендуется размещать датчик в непосредственной близости от источников воздушных потоков (вентиляция, открытое окно);

следует избегать прямого попадания на датчик солнечных лучей и яркого света; при выборе места установки должна учитывается возможность засветки в течение непродолжительного времени рано утром или на закате, когда солнце низко над горизонтом, или засветки фарами проезжающего снаружи транспорта;

на время постановки на охрану целесообразно отключать возможные источники мощных электромагнитных помех, в частности источники света не на основе ламп накаливания: люминесцентные, неоновые, ртутные, натриевые лампы;

для снижения влияния вибраций целесообразно устанавливать датчик на капитальных или несущих конструкциях;

не рекомендуется направлять датчик на источники тепла (радиатор, печь) и колеблющиеся предметы (растения, шторы), в сторону нахождения домашних животных.

3.8 Описание используемого микроконтроллера

3.8.1 Выбор микроконтроллера.

В настоящее время среди всех 8-разрядных микроконтроллеров - семейство MCS-51 является несомненным чемпионом по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии HMOS. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке[10].

Важную роль в достижении такой высокой популярности семейства 8051 сыграла открытая политика фирмы Intel, родоначальницы архитектуры, направленная на широкое распространение лицензий на ядро 8051 среди большого количества ведущих полупроводниковых компаний мира.

В результате на сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю компаниями. Эти модификации включают в себя кристаллы с широчайшим спектром периферии: от простых 20-выводных устройств с одним таймером и 1К программной памяти до сложнейших 100-выводных кристаллов с 10-разрядными АЦП, массивами таймеров-счетчиков, аппаратными 16-разрядными умножителями и 64К программной памяти на кристалле[10]. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства. Основными направлениями развития являются: увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т.п[10].

Все микроконтроллеры из семейства MCS-51 имеют общую систему команд. Наличие дополнительного оборудования влияет только на количество регистров специального назначения.

Основными производителями клонов 51-го семейства в мире являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других[10].

В рамках СССР производство микроконтроллера 8051 осуществлялось в Киеве, Воронеже (1816ВЕ31/51, 1830ВЕ31/51), Минске (1834ВЕ31) [10].

Для данной задачи - разработки системы охранной сигнализации - микроконтроллер этого семейства является оптимальным, так как сочетает в себе большие возможности управления, необходимые для решения поставленной мною задачи. А так же к его качествам можно отнести высокую надежность, что является обязательным условием охранных систем, и дешевизну.

3.8.2 Обоснование и выбор микроконтроллера AT89S51 фирмы Atmel

Основными требованиями, предъявляемыми к микроконтроллеру в этом проекте, являются[10]:

- наличие параллельных портов ввода-вывода в количестве, достаточном для подключения всех устройств, входящих в структурную схему системы (32 программируемые линии ввода-вывода);

- достаточно высокая надёжность и стабильность работы;

- возможность работы в расширенном температурном диапазоне (-40…+85°С).

Для выполнения поставленной задачи подходят микроконтроллеры с архитектурой MCS-51, поскольку они доступны, относительно просты, и их возможностей вполне достаточно для обеспечения функционирования данного устройства.

Первым двум требованиям удовлетворяют все производимые на данный момент микроконтроллеры с архитектурой MCS-51. Большинство моделей имеют модификации, рассчитанные на расширенный температурный диапазон. Исходя из этого, выбор производился из наиболее дешёвых изделий известных фирм, чтобы минимизировать стоимость системы. В итоге, был выбран микроконтроллер AT89S51 фирмы Atmel.

Корпорация Atmel (США), являясь на сегодняшний день одним из признанных мировых лидеров в производстве изделий современной микроэлектроники, хорошо известна на российском рынке электронных компонентов. Основанная в 1984 году, фирма Atmel определила сферы приложений для своей продукции как телекоммуникации и сети, вычислительную технику и компьютеры, встраиваемые системы контроля и управления, бытовую технику и автомобилестроение[10].

Atmel выпускает широкий спектр микроконтроллеров, основанных на архитектуре MCS-51. Данная линейка микроконтроллеров включает изделия в корпусах стандартных типоразмеров с поддержкой функции внутрисистемного программирования, а также, производные разновидности микроконтроллеров (ROMLESS, ROM, OTP и FLASH) в малогабаритных корпусах с 20-ю выводами. Некоторые из устройств, также, имеют поддержку высокоскоростного (х2) режима работы ядра, который, по- требованию, удваивает внутреннюю тактовую частоту для CPU и периферийных устройств[10].

AT89S51 - экономичный высокопроизводительный КМОП 8-разрядный микроконтроллер с 4 кБ внутрисхемно программируемой флэш-памятью. Устройство производится с использованием технологии Atmel энергонезависимой памяти большой емкости и совместимо по системе команд и расположению выводов со стандартным микроконтроллером 80C51. Встроенная флэш-память может быть запрограммирована внутрисхемно или с помощью обычного программатора энергонезависимой памяти. За счет комбинации 8-разрядного ЦПУ с внутрисхемно программируемой флэш-памятью на одном кристалле AT89S51 от Atmel является мощным микроконтроллером, обеспечивающим высокую гибкость и рентабельность решений для многих задач встроенного управления[10].

AT89S51 (Рис. 7) имеет следующие стандартные характеристики: 4 кБ флэш-памяти, 128 байт ОЗУ, 32 линии ввода-вывода, сторожевой таймер, два указателя данных, два 16-разрядных таймера-счетчика, 5-векторная 2-уровневая система прерываний, полнодуплексный последовательный порт, встроенный генератор и схема тактирования[10]. Кроме того, AT89S51 разработан со статической логикой для работы на частоте вплоть до 0 Гц и поддерживает два программно настраиваемых режима снижения энергопотребления:

В режиме холостого хода (Idle) останавливается ЦПУ, но ОЗУ, таймеры-счетчики, последовательный порт и система прерываний продолжают функционировать. В экономичном режиме (Power-down) сохраняется информация в ОЗУ, но остановлен генератор, выключены все остальные функциональные блоки до внешнего запроса на прерывание или аппаратного сброса[10].

3.8.3 Отличительные особенности микроконтроллера AT89S51

- совместимость с серией MCS-51;

- 4 кБ флэш-памяти с внутрисхемным программированием (ISP)
Износостойкость: 1000 циклов записи/стирания;

- рабочий диапазон питания 5В;

- встроенный генератор;

- полностью статическое функционирование : 0 …33 МГц;

- три уровня защиты памяти программ;

- внутреннее ОЗУ размером 128 x 8;

- 32 программируемые линии ввода-вывода;

- два 16-разрядных таймера-счетчика;

- шесть источников прерываний;

- полнодуплексный канал последовательной связи на УАПП;

- режимы снижения потребления: холостой ход и экономичный;

- восстановление прерываний при выходе из экономичного режима;

- сторожевой таймер;

- двойной указатель данных;

- флаг выключения питания;

- быстрое время программирования;

- гибкое внутрисхемное программирование (побайтный или постраничный режимы).

Структурная схема микроконтроллера представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 Внешний вид и расположение выводов AT89S51

Микроконтроллер выпускается в нескольких вариантах (таблица 1).

Для выполнения поставленной задачи, как было сказано выше, нам нужен микроконтроллер, рассчитанный на коммерческий диапазон температур (-40…+85°С). Тип корпуса в данном случае роли не играет, так как на стационарном промышленном объекте достаточно места для расположения любого из них.



Таблица 1 Варианты исполнения микроконтроллера

Частота, МГц	Напряжение питания, В	Код для заказа	Корпус	Температурный диапазон
24	4.0…5.5	AT89S51-24AC	44A	Коммерческий (0…+70°С)
		AT89S51-24JC	44J
		AT89S51-24PC	40P6
24	4.5…5.5	AT89S51-24AI	44A	Коммерческий (-40…+85°С)
		AT89S51-24JI	44J
		AT89S51-24PI	40P6
33	4.5…5.5	AT89S51-33AC	44A	Коммерческий (0…+70°С)
		AT89S51-33JC	44J
		AT89S51-33PC	40P6

4. Построение функциональной схемы централизованной охранной системы

На функциональной схеме отражены все электрические связи, т.е. датчика с микроконтроллером, микроконтроллера с индикатором, источника питания с датчиком и микроконтроллером, а также их функциональное назначение. Также должна быть отражена кнопка “Reset”, сбрасывающая микроконтроллер. К выводам XTAL1, XTAL2 подключим кварцевый резонатор, частотой 20 МГц, Где С₆=30пФ, С₇=30пФ.

Рисунок 8 Подключение кварцевого резонатора на порты микроконтроллера XTAL1, XTAL2

На схеме присутствует кнопка “Reset”, сбрасывающая микроконтроллер (выполнение программы начинается сначала), это необходимо в случае зацикливания программы или какого-нибудь другого сбоя. С₁=10мФ, R₅=кОм, VCC=5В.

Рисунок 9 Схема подключения кнопки “Reset”, сбрасывающей микроконтроллер

К выводу напряжения питания VСС подключим 5 В.

Для соединения источника постоянного напряжения питания с микроконтроллером (Рис. 10) необходимо поставить два конденсатора емкостями 1.0мкФ и 0.1мкФ. Где VCC=5В, С₂=1мкФ, С₃=0.1мкФ, DD3-микроконтроллер Atmel AT89S51.

Рисунок 10 Соединение источника постоянного напряжения питания с микроконтроллером

Два семисегментных индикатора потребляют 140мА, а исходящий ток микроконтроллера 14мА, нам необходимо подать ток с коэффициентом усиления в=10.

Для сопряжения микроконтроллера с индикаторами используется схема, представленная на Рис.Х. В ней VCC=5В, R₂ и R₃ мы рассчитаем ниже.

В приведенной схеме потребовался транзистор, так как ток, протекающий через семисегментный индикатор достаточно велик. Кроме того, такая схема включения позволяет использовать семисегментный индикатор с напряжением питания, отличающимся от напряжения питания цифровых микросхем. То есть на транзисторе собран простейший усилитель цифрового сигнала, преобразующий ТТЛ уровни цифрового устройства в наличие или отсутствие тока через индикаторные сегменты.

В нашем случае цифровой сигнал, поэтому усилитель вырождается в схему электронного ключа. Это означает, что не нужно рассчитывать точное значение коэффициента усиления. При слишком большом коэффициенте усиления транзистор переходит в режим ограничения тока и выходной ток будет определяться сопротивлением нагрузки. Поэтому достаточно определить только минимальный коэффициент усиления по току[8].

Рассчитаем этот коэффициент. Для семисегментного индикатора требуется ток 70 мА, а цифровая микросхема может выдать ток единицы около 20 мА (согласно [8]). Тогда минимальный коэффициент усиления h_21э можно определить по формуле 1:

В нашем случае ток коллектора равен току через лампу, а ток базы - это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (I_вых1). Делим 140 мА на 20 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току 7. То есть в данном случае подойдёт практически любой маломощный транзистор, например КТ3107.

В приведенной схеме ток базы транзистора задаёт резистор R1. Рассчитаем его сопротивление. Для этого необходимо определить падение напряжения на этом резисторе. Минимальное напряжение высокого уровня на выходе ТТЛ микросхемы при максимальном допустимом токе единицы равно 2,4 В. Падение напряжения на базовом переходе транзистора можно считать постоянным и для кремниевых транзисторов равным 0,7 В[8]. Тогда падение напряжения на сопротивлении R₁ можно определить по формуле 2.

U_R1=U₁-U_б=2,4В-0,7В=1,7В

Так как к цифровому выходу подключен только транзисторный ключ, то зададимся максимально возможным током цифровой микросхемы 4 мА. Тогда по закону Ома можно определить сопротивление резистора R1 как отношение падения напряжения на этом резисторе к току, протекающему через него. Покажем это в формуле 3.

R₁ = 1,7В/5мА = 340 Ом

При выборе резистора из 10% шкалы можно взять резистор 374 Ом (больше чем рассчитали чтобы не превысить допустимый ток цифровой микросхемы). При работе транзисторного ключа при комнатной температуре расчет на этом заканчивается. Если же предполагается работа транзисторного ключа при повышенных температурах, то транзистор может самопроизвольно открываться обратным током коллектора[8].

В этой схеме можно задаться током, протекающим через резистор R₂ в режиме выдачи цифровой микросхемой единичного уровня. Пусть этот ток будет в три раза меньше базового тока транзистора. Тогда ток через резистор R₂ укажем на формуле 4.

I_R2=5 мА/3 =1,67 мА

Определим сопротивление резистора R₂ в формуле 5. Для этого воспользуемся законом Ома[8]. Напомним, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В.



R₂ = U_б/I_R2 = 0,7В/1,67мА = 419,2 Ом

Резистор 419 Ом не выпускается, поэтому мы возьмем резистор емкостью 422 Ом.

В режиме выдачи цифровой микросхемой логического нуля сопротивления R₁ и R₂ соединяются параллельно и в рассчитанном случае падение напряжения уменьшается вдвое. Схема на входе транзистора очень похожа на делитель напряжения, однако не является им. Если бы это был делитель напряжения, то напряжение на базе транзистора уменьшалось бы в два раза, однако на самом деле напряжение уменьшается значительно больше.

Рисунок 11 Сопряжение микроконтроллера с индикаторами

На Рис. 11 приведу схему сопряжения семисегментных индикаторов с микроконтроллером. Где DD3-микроконтроллер Atmel AT89S51, DD4 и ВВ5 - семисегментные индикаторы DA03 фирмы KingBright. Посчитаем суммарный ток в семисегментных индикаторах по формуле 6.

I_пр=10мА·n

где n - число последовательно включенных индикаторов.

Согласно закону Ома, можно рассчитать R_огр, по формуле 7.

n=8шт, U_пит=5В, U_проц=2.4В, I_пр=80мА,

R_огр=325Ом.

Рисунок 12 Схема сопряжения семисегментных индикаторов с микроконтроллером

При последовательном соединении надо учитывать падение напряжения на каждом диоде, эту сумму сложить и из напряжения питания вычесть вышеозначенную сумму и уже для неё посчитать ток, на который рассчитан один светодиод. При параллельном несколько сложнее, когда ставишь в параллель второй диод, резистор, необходимый для одного, делишь пополам, а когда три - тогда номинал резистора для двух диодов надо умножить на 0.7, когда четыре диода - номинал для трёх умножаешь на 0.69, для пяти - номинал для четырёх умножаешь на 0.68 и т.д. При последовательном соединении мощность резистора как для одного диода, независимо от количества, а при параллельном, при каждом добавлении диода, мощность надо пропорционально увеличивать[13].

Схема представленная на рис. 13 преобразуют переменные 220В в постоянные 5В, при помощи мостовой схемы VD1 - КЦ405Б (максимальный ток 1 ампер), трансформатора Т1 (напряжение вторичной обмотки 12-13 вольт и ток 1 ампер) и стабилизатора напряжения DA1 - KP142EH5A, С₄ = С₅= 470пФ.

Рисунок 13 Преобразования переменных 220В в постоянные 5В

На функциональной схеме и структурной схеме показано соединение тридцати двух релейных датчиков с двумя мультиплексорами, где приходилось шестнадцать датчиков на один мультиплексор (Рис.14.).

Рисунок 14 Соединение шестнадцати датчиков и одного мультиплексора

...