Технические средства охраны и безопасности. Датчики движения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая часть

1.1 История датчиков движения

1.2 Разновидности электронных средств охраны

1.3 Описание схем, аналогичных теме дипломного проекта

1.3.1 СВЧ датчик движения

1.3.2 ИК датчик движения

1.3.3 Ультразвуковой датчик движения

2. Специальная часть

2.1 Принцип работы устройства по схеме электрической принципиальной

2.2 Обоснование выбора элементной базы

2.3 Описание базового элемента

2.4 Описание элементной базы

3. Техническая часть

3.1 Оценка надежности радиоэлектронной аппаратуры

3.2 Расчет надежности

Введение

Широкое внедрение вычислительной техники во все отрасли народного хозяйства в значительной степени определяет прогресс общественного производства. В свою очередь интенсивное расширение сферы применения ЭВМ заставляет специалистов в различных областях техники обратиться к изучению теоретических положений микроэлектроники.

В основе дальнейшего совершенствования вычислительной техники лежит развитие микроэлектроники в целом, а также разработка и внедрение микросхем различной степени интеграции. Появление микропроцессорных больших интегральных схем (БИС) позволило решить задачу цифровой обработки сигналов при высоких технико-экономических показателях, т. е. при малых габаритах, небольшой массе, малой мощности потребления энергии и низкой стоимости. Повышение технического уровня автоматических систем управления, средств связи, робототехнических систем требует, чтобы аналоговая обработка сигналов также осуществлялась при условии технической целесообразности применения. Опыт проектирования систем сбора и обработки информации, в основу которых положены различные формы сопряжения датчиков и приемников информации, показывает, что затраты аппаратных средств, необходимых для реализации системы сопряжения объекта с микроЭВМ, значительно превышают объем аппаратуры самой микроЭВМ.

Существующее в настоящее время противоречие между характеристиками средств цифровой и аналоговой обработки сигналов разрешается оптимальным соотношением объемов цифровой и аналоговой частей в пределах конкретной системы сбора и обработки информации. В то же время разрешению этого противоречия посвящено целое направление микроэлектроники -- создание элементов систем, которые предназначены для аналоговой обработки сигналов при управлении реальным объектом. С развитием интегральной технологии методы расчета и применения аналоговых ИС становятся действенным орудием в руках разработчиков систем автоматического управления. Проектирование элементов систем требует от инженера глубоких знаний в области как создания, так и применения аппаратных средств аналоговой обработки сигналов.

датчик движение охрана радиоэлектронный

1. Общая часть

1.1 История датчиков движения

Нынешняя ситуация в стране диктует свои условия, вынуждающие нас вносить коррективы в уже ставшую привычной статью расходов. Если ранее мы платили налоги и рассчитывали на оперативность и компетентность правоохранительных органов в случаях угрозы своей безопасности и безопасности своего имущества, то сейчас вынуждены заботиться о себе сами. В этом случае на помощь Вам могут прийти мощные механические запоры - дешево, но ненадежно, охранники в камуфляжной форме - недешево и также ненадежно, либо электронные системы охраны, сигнализации и ограничения доступа, которым не нужны деньги, не страшны жара, холод и работа по 24 часа в сутки, которые не имеют вредных привычек и не знают, что такое усталость.

Системы охраны, сигнализации и ограничения доступа очень разнообразны и не похожи друг на друга. Не трудно догадаться, что таких электронных устройств существует превеликое множество, отобрать из которого то, что необходимо для решения конкретной задачи по охране вашей собственности очень и очень непросто. После того как Вы приняли решение о необходимости оборудования своего жилища, офиса или помещений предприятия охранной системой, перед Вами неизбежно встанет вопрос: «Как это сделать? Кому можно довериться? На чем остановить свой выбор?». Естественно, самым очевидным и, в общем-то, правильным решением будет обратиться к профессионалам. Но помощь специалистов высокого уровня стоит недешево. Кроме того, можно нарваться на других «специалистов», помощь которых может еще более усугубить ваше положение. В настоящее время все большее число людей приходит к выводу, что усилий только государственных правоохранительных органов для решения такой проблемы, как охрана и обеспечение безопасности собственного дома, квартиры, дачи и другой собственности, явно не достаточно.

Выбирая какую-либо систему сигнализации, прежде всего, необходимо иметь определенное представление о целях, задачах и принципах построения систем охраны. Поэтому, прежде чем начать рассмотрение конкретных устройств и систем безопасности, разберемся, что же такое безопасность вообще и из каких составных частей она складывается.

Характерной особенностью нашего времени стало ухудшение криминогенной обстановки. Посягательства против собственности составляют больше половины всех преступлений. Достаточно много случаев, когда надежные, но неправильно установленные технические средства не в состоянии защитить вашу собственность.

Поэтому для обеспечения полной безопасности не достаточно просто нашпиговать свой дом или офис сложной и дорогостоящей электроникой.

Необходимо еще соблюдать ряд мер и правил в повседневной жизни, выполнение которых совсем не обременительно, однако несоблюдение их может привести порой к тяжелым последствиям.

1.2 Разновидности электронных средств охраны

Рисунок 1.1 Состав технических средств охраны и безопасности

Системы охранно-пожарной сигнализации предназначены для определения факта несанкционированного проникновения на охраняемую территорию или появления на ней признаков пожара, выдачи сигнала тревоги на пульт охраны и включения исполнительных устройств (сирены, освещения и т. д.). Системы охранно-пожарной сигнализации включают в себя контрольные панели, извещатели (датчики и детекторы), исполнительные устройства, устройства оповещения (сирены, звонки и т. п.) и источники питания.

Контрольная панель (приемно-контрольный прибор) - это центральное устройство системы охранной сигнализации, выполненное на базе микроконтроллера, программа которого определяет все функции системы. Контрольная панель может подключаться к компьютеру для обработки и регистрации сигналов тревоги, автоматического анализа состояния датчиков и функционирования всей системы. Контрольные панели управляют исполнительными устройствами: включают сирену, прожектор, дозваниваются по телефонной линии по заданному номеру.

Для регистрации изменений контролируемого параметра в системах охранной сигнализации используются различные извещатели. Извещатель - это устройство, формирующее определенный сигнал об изменении того или иного контролируемого параметра окружающей среды. Извещатели можно условно разделить на датчики и детекторы. Здесь под датчиками будем понимать извещатели, преобразующие физические величины и характеристики (например, тепло, свет, звук и т. п.) в электрический сигнал. Детекторами же будем называть извещатели, включающие в свой состав датчики, схему обработки сигналов и схему принятия решения.

Простые извещатели (датчики) производят аналоговую обработку сигналов, что не всегда обеспечивает необходимую надежность их работы. Повышение надежности работы датчиков обеспечивается применением цифровых методов обработки сигналов. По принципу действия извещатели можно разделить на следующие типы:

-электроконтактные (фольга, провод);

-магнитоконтактные;

-вибродатчики;

-ультразвуковые;

-радиоволновые;

-фотоэлектрические;

-детекторы битого стекла;

-пассивные и активные инфракрасные (ИК) детекторы движения;

-комбинированные.

Датчики и детекторы позволяют контролировать часть охраняемого объекта (объем, плоскость и т. п.), именуемую зоной.

Электроконтактные датчики предназначены для регистрации повреждений и разрушения конструкций, на которых они закреплены: стеклянного полотна окон, дверей, стеклоблоков и т. д. в отапливаемых и не отапливаемых помещениях. Они изготавливаются из тонкой алюминиевой фольги толщиной от 0,008 до 0,04 мм и шириной не более 12,5 мм. Фольга имеет клеевой слой. Иногда для тех же целей вместо фольги используют тонкий провод.

Магнитоконтактные датчики предназначены для регистрации открывания дверей и окон, на которых они установлены. Датчики бывают двух видов: для наружной и скрытной установки. Они выполнены на основе герконов, контакты которых замыкаются или размыкаются при приближении (удалении) постоянного магнита. Подключаются такие датчики к охранным сигнализациям посредством проводного шлейфа.

Вибродатчики предназначены для обнаружения преднамеренного повреждения различных строительных конструкций: бетонных стен и перекрытий, кирпичных стен, деревянных (рамы и двери) и потолочных покрытий, а также сейфов и металлических шкафов. Принцип действия вибродатчиков основан на пьезоэффекте или эффекте электромагнитной индукции, когда постоянный магнит перемещается вдоль обмотки катушки и тем самым наводит в ней переменный ток. В отечественной и зарубежной литературе в зависимости от технической реализации такие датчики называют электромагнитными, магниторезонансными или пьезодатчиками.

Ультразвуковые детекторы предназначены для охраны закрытых помещений и характеризуются высокой чувствительностью и низкой помехоустойчивостью. Действие их основано на интерференции ультразвуковых колебаний. В состав ультразвукового детектора входят излучатель и приемник. При закрытых окнах и дверях пространство, контролируемое детектором, ограничено, и в точке расположения приемника формируется устойчивая интерференционная картина. При проникновении какого-либо объекта в помещение устойчивость интерференционной картины нарушается и формируется сигнал тревоги.

Радиоволновые детекторы предназначены для регистрации движения в контролируемой зоне. Принцип действия основан на излучении сигнала сверхвысокой частоты и приеме отраженного сигнала, частота которого изменяется при движении нарушителя (эффект Доплера). Эти приборы используются для охраны закрытых помещений и периметров.

Фотоэлектрические датчики предназначены для охраны внутреннего и внешнего периметров, бесконтактного блокирования пролетов, дверей, коридоров и т. п. Они состоят из передатчика и приемника, разнесенных вдоль линии охраны, и используют сигнал инфракрасного диапазона с длиной волны порядка 1 мкм.

Детекторы битого стекла (ДБС) предназначены для регистрации преднамеренного разрушения стеклянных конструкций: окон, витрин и др. Они реагируют на звук бьющегося стекла и удара о стекло, а также анализируют спектр звуковых шумов в помещении, позволяют бесконтактно контролировать целостность стекла размером более 20х20 см.

Детекторы движения предназначены для обнаружения движения теплового объекта в охраняемой зоне. По принципу действия они подразделяются на пассивные и активные. В настоящее время первые находят более широкое применение. Они имеют регулируемые зоны обнаружения, защиту от ложных срабатываний, вызываемых домашними животными и насекомыми. Различаются пассивные детекторы размером зоны обнаружения (20-360°), методами обработки сигнала, конструкцией и т. п. Активные детекторы используются, как правило, для охраны периметров объектов.

Недостатком самых простых и дешевых ИК детекторов движения является низкая помехоустойчивость - они срабатывают даже при возникновении теплового потока, например, из-за прогрева солнцем помещения. Более совершенные детекторы лишены этого недостатка. Их надежность и стойкость к тепловым помехам обеспечивается многоканальными пьезоэлементами и сложной электронной обработкой сигнала в самом детекторе.

В простых моделях обработка сигналов осуществляется аналоговыми методами, а в более сложных - цифровыми, например, с помощью встроенного процессора.

Комбинированные детекторы - это устройства, использующие два разных физических принципа обнаружения движения. В подавляющем большинстве подобных устройств реализованы пассивный ИК и радиоволновый принципы обнаружения движения. Такие приборы, прежде всего, отличает значительно более высокие характеристики обнаружения при крайне низкой вероятности ложных тревог, по сравнению с приборами, использующими только один из принципов обнаружения движения.

Системы охранно-пожарной сигнализации по способу подключения извещателей подразделяются на проводные и беспроводные. В первых связь между всеми устройствами системы осуществляется по проводам. Совокупность соединительных проводов, датчиков, детекторов, соединительных коробок, разъемов и т. п. называется шлейфом. С помощью шлейфов формируются зоны охраны. При своей надежности проводные системы менее гибкие, чем беспроводные. В беспроводных системах каждый извещатель оснащается собственным передатчиком, а контрольная панель - многоканальным приемником. Надежность связи определяется характеристиками приемника и передатчиков, архитектурой здания и уровнем промышленных радиопомех. Дальность связи обычно составляет от 30 до 1000 м. Беспроводные системы сигнализации более удобны при монтаже и использовании, они могут дополняться устройствами дистанционного управления. На отечественном рынке появились беспроводные системы, использующие для связи и питания промышленную сеть переменного тока напряжением 220 В.

Исполнительные устройства предназначены для передачи информации пользователю или компетентным органам о срабатывании системы охраны путем подачи звукового и (или) светового сигналов или путем автоматического дозвона по телефонной линии связи до заранее определенных абонентов, а также для управления различными механизмами, обеспечивающими усиление безопасности.

К исполнительным устройствам относятся лампы наружного освещения, прожекторы, стробоскопы, сирены, автодозвонщики, блоки электромагнитных реле, электрозамки и т. п.

Прожекторы, лампы наружного освещения и стробоскопы освещают охраняемую территорию и включаются в случае срабатывания сигнализации, привлекая внимание окружающих. Яркая вспышка стробоскопа в темное время суток или в плохо освещенном помещении может ошеломить преступника и на некоторое время вывести его из строя.

Сирены или ревуны издают громкий звуковой сигнал мощностью до 130 дБ, который может быть услышан на расстоянии нескольких сотен метров. Сирены имеют различное оформление и размеры, некоторые из них оборудованы автономным источником питания. Длительность звучания сирены может быть различной и устанавливается по желанию пользователя.

Устройства автоматического дозвона (автодозвонщики, или коммуникаторы) подключаются к телефонной линии и могут дозваниваться в автоматическом режиме до одного или нескольких абонентов в зависимости

от логики работы системы охраны. Блоки электромагнитных реле обеспечивают включение мощных исполнительных механизмов и приборов.

Системы ограничения доступа предназначены для автоматизированного допуска в помещения только тех пользователей, которым разрешено посещение данного помещения. Они основаны на использовании аппаратно-программных средств, управляющих передвижением людей и транспорта через контролируемые точки прохода. Это могут быть небольшие системы, на 1-3 двери, или системы, контролирующие перемещение нескольких тысяч человек. Идентификация пользователя происходит посредством предъявления электронной или магнитной карточки либо путем ввода определенного цифрового кода. Система ограничения доступа включает в себя считыватели и контроллеры. Кроме того, к системам ограничения доступа можно отнести и аудиодомофонные системы с дистанционным открыванием двери.

Считыватели необходимы для считывания идентификационного кода и передачи его в контроллер.

Эти устройства предназначены для преобразования уникального кода кодового ключа в код стандартного формата, передаваемый для анализа и принятия решения в дверной контроллер. Считыватели различаются физическими принципами реализации (пластиковые карточки с магнитной полосой, штриховым кодом, бесконтактные карточки Proximity, ключи и карточки со встроенными интегральными микросхемами и т. п.). Эти устройства располагаются непосредственно возле дверей и других точек прохода, ограничивающих перемещение пользователей (турникет, шлюз и т. п.). Кроме того, они могут выполнять еще ряд таких функций, как управление открыванием дверей, контроль времени открытия двери, контроль одной зоны охраны.

Контроллер необходим для управления считывателями и исполнительными устройствами. Он принимает решение о доступе конкретного пользователя, предъявившего устройство идентификации, через конкретную точку прохода в конкретное время на основании хранящейся в нем информации о конфигурации системы и правах пользователей системы ограничения доступа. Устройством идентификации является аналог ключа, подтверждающий полномочность прав его владельца и служащий для управления точкой прохода. Контроллер может обслуживать один или несколько считывателей и располагаться на удалении от них. Несколько контроллеров могут образовывать группу, обслуживающую территориально и логически выделяемую часть системы ограничения доступа (этаж, здание, организацию), и именоваться объектом.

Аудиодомофонная система предназначена для ограничения доступа посторонних лиц в частные квартиры, дачи, подъезды многоэтажных домов, офисов, банков, медицинских учреждений и др. Она позволяет вести переговоры с посетителями и дистанционно открывать входную дверь в случае необходимости.

Кроме того, современные аудиодомофонные устройства позволяют выполнять функции охранной системы.

Системы видеонаблюдения предназначены для визуального наблюдения за охраняемым объектом с помощью телекамер. Они позволяют следить одновременно за одним или несколькими объектами.

Камеры наблюдения могут располагаться как внутри помещения, так и снаружи. Задача системы видеонаблюдения состоит в наглядном представлении видеоинформации об оперативной обстановке на контролируемом объекте. Одной из разновидностей таких систем являются видеодомофоны, выполняющие функции дверного глазка и переговорного устройства одновременно. Системы скрытого наблюдения используют миниатюрные видеокамеры с инфракрасной подсветкой для работы в условиях плохого освещения.

Самая простейшая система телевизионного (ТВ) наблюдения включает в себя одну или несколько телевизионных камер и монитор или телевизор. Камеры могут устанавливаться на поворотных устройствах снаружи или внутри помещения и позволяют осуществлять круглосуточное наблюдение за охраняемой территорией. Управление системами телевизионного наблюдения в зависимости от их сложности и обстановки на объекте может быть автоматическим или ручным. Совместно с этими системами можно использовать детекторы движения, системы освещения и другие дополнительные устройства.

В системах видеонаблюдения, рассчитанных на использование нескольких камер, на экране одного монитора можно одновременно отображать изображения от всех камер. Для этих целей используются устройства, именуемые квадраторами (делителями экрана). При необходимости изображение от любой камеры можно оперативно развернуть на весь экран. Для последовательного вывода изображений используются мультиплексоры (коммутаторы), которые последовательно подключают видеокамеры к монитору или телевизору.

Системы ТВ наблюдения позволяют создать гибкую и наращиваемую систему безопасности, в которую могут входить не только компоненты телевизионных систем, но и системы сигнализации и ограничения доступа.

Системы скрытого наблюдения используются для повышения эффективности охраны и устанавливаются там, где необходимо скрыть факт наблюдения. Задача систем скрытого наблюдения - не изучать посетителей, а контролировать ситуацию на охраняемой территории.

С помощью плоской, размером со спичечный коробок, камеры со специальным объективом типа Pin-Hole (камера с вынесенным входным зрачком) и диаметром входного зрачка 0,8-2,0 мм можно вести скрытое наблюдение за любой частью помещения. Такие камеры могут устанавливаться в корпусе часов, на дверном косяке, под обоями и т. п.

Другим, более простым, способом такого наблюдения является использование так называемых видеоглазков со сверхширокоугольной оптикой, предназначенных для монтажа в двери. Внешне они ничем не отличаются от обычных дверных глазков. Питание и передача видеосигнала от этих устройств осуществляется по кабелю или радиоканалу.

Видеодомофон - это устройство, которое выполняет функции дверного глазка и переговорного устройства. Видеодомофон позволяет наблюдать пространство перед входной дверью и беседовать с посетителем, находящимся за дверью. Видеокамеру обычно располагают так, чтобы в ее поле зрения попадал максимум околодверного пространства. Многие видеокамеры оснащены инфракрасной подсветкой для работы в условиях плохой освещенности. При оборудовании видеодомофонами жилых домов полезно создавать два уровня охраны: входной двери подъезда (этажа) и входной двери каждой квартиры.

1.3 Описание схем, аналогичных теме дипломного проекта

1.3.1 СВЧ датчик движения

Рисунок 1.2 Схема СВЧ датчика движения

Датчик применяется для охранной сигнализации. Так как питание датчика предусматривается от источника питания системы сигнализации с 12-вольтовым кислотным аккумулятором в буфере, то сетевой фильтр в схеме не нужен, а стабилизатор DA1 необходимо заменить параметрическим на одном транзисторе и стабилитроне, а каскады VT2, U1, DA3 надо заменить трехкаскадным транзисторным ключом с электромагнитным ключом на выходе.

Анализ информации по зарубежным охранным СВЧ датчикам движения выявил следующие особенности схемотехники этих датчиков, а именно:

1. Входной усилитель всегда отделен от СВЧ автодина разделительным конденсатором, а в некоторых устройствах, наряду с разделительным конденсатором включен и Г-образный заградительный ВЧ фильтр.

2. Входной операционный усилитель всегда инвертирующий.

3. Между входным усилителем и компаратором всегда есть одна, а чаще две ступени усиления, отделенные от входного усилителя разделительным конденсатором.

Таким образом, на рисунке 1.2 изображена схема СВЧ автодина на транзисторе VT1. Входной усилитель фильтр на ОУ DA1 - инвертирующий. Заграждающий ВЧ фильтр L3C1 предотвращает попадание СВЧ сигнала на вход ОУ DA1. По питанию входной усилитель развязан с остальными узлами устройства фильтром R18C5.

Каскады на транзисторах VT2 и VT3 - две ступени усиления по НЧ. Далее следует двухкаскадный УПТ на транзисторах VT4 и VT6. Роль компаратора выполняет стабилитрон VD3 и реле K1. Компарация происходит на порогах, сопоставимых с напряжением питания, а все каскады развязаны по постоянному току разделительными конденсаторами, что обеспечивает высокую термостабильность.

Если датчик предполагается использовать с круговой диаграммой направленности, то его изготавливают на неметаллическом основании и крепят на неметаллическую поверхность, охраняемого объекта. При этом чувствительность датчика нужно устанавливать с учетом движения людей в соседних неохраняемых помещениях и за пределами здания. При круговой диаграмме стойки крепления к основанию могут быть менее 10мм, вплоть до крепления корпуса прямо на основание. Датчик крепят к стене или другому конструктиву объекта шурупами через отверстия диаметром 4мм, которые просверлены по углам основания.

1.3.2 ИК датчик движения

ИК излучение присутствует в электромагнитном спектре. Его длина волны больше длины волны видимого света. ИК излучение невозможно увидеть невооруженным глазом, но оно определяется с помощью специальных датчиков. Человеческое тело, а также тела животных активно излучают в ИК диапазоне. Максимум такого излучения приходится на длину волны 9,4 мкм.

Для детектирования ИК излучения применяют пироэлектрические датчики. Их создают на основе специального кристаллического материала, способного при воздействии на него ИК излучения вырабатывать поверхностный электрический заряд. Этот заряд усиливается встроенным в ИК датчик усилителем на полевом транзисторе, обеспечивающим формирование управляющего напряжения. Поскольку датчик реагирует на ИК излучение в широком диапазоне, для сужения последнего применяется специальный фильтр, ограничивающий восприятие датчиком ИК излучения только в диапазоне от 8 до 14 мкм.

На рисунке 1.3 изображена структурная схема детектора перемещений. Вывод 2 датчика через шунтирующий резистор сопротивлением 100 кОм соединен с корпусом. Сигнал с датчика подается на двухкаскадный согласованный усилитель, обеспечивающий общий коэффициент усиления 10000. При типовом применении полоса пропускания усилителя ограничена до 10 Гц для ослабления высокочастотных помех и надежного срабатывания компаратора при восприятии положительных и отрицательных перепадов выходного напряжения датчика.

Рисунок 1.3 Структурная схема детектора перемещений

Хорошо отфильтрованное напряжение питания величиной от 3 до 15 В подается на вывод 1 датчика. Датчик РЕ200В имеет два чувствительных элемента, включенных по схеме компенсации напряжения. Такой способ включения позволяет избавиться от посторонних сигналов, вызываемых вибрацией, изменением температуры и солнечного освещения. При перемещении человека в зоне действия датчика сначала активизируется один элемент, а затем другой. Источник излучения перемещается в горизонтальной плоскости. При этом выводы 1 и 2 также должны быть расположены в горизонтальной плоскости. Для увеличения дальности зоны действия датчика применяют линзы Френеля. С их использованием эта зона увеличивается примерно до 25-30 м. В комплекте с датчиком поставляется комплект линз Р165.Линза является собирательной, но, в отличие от обычных выпуклых линз, линзы Френеля имеют гораздо меньшие размеры, обусловленные их конструкцией.

На рисунке 1.4 изображена типовая схема применения ИК датчика перемещения. Элементы Р11 и С6 задают время включения реле РУ1 после срабатывания датчика перемещения. В схеме используется датчик типа РЕ200 В, который имеет следующие характеристики:

- Реакция на тепловое излучение в спектре5...14мкм;

- Выходное напряжение 20 мВ;

- Напряжение шумов О,4мВ;

- Напряжение смещения О,1 В;

- Напряжение питания от 2,2до15В;

- Рабочаятемператураот-ЗОдо+70°С.

Рисунок 1.4 Схема ИК датчика перемещения

Выводы датчика внутренне соединены:

вывод 1 - со стоком, вывод 2- с истоком полевого транзистора, вывод 3 - общий. Между выводами 2 и 3 должен быть включен резистор сопротивлением 100 кОм.

В схеме детектора перемещений используется дешевый счетверенный операционный усилитель 1М324. Первые два ОУ-1С1А, 1С1В - выполняют функции усилителя, два другие - функции компаратора. Выпрямленный диодами 03, 04 сигнал поступает на одновибратор 1С2, который управляет транзисторным ключом 01. В цепь коллектора транзистора 01 включена обмотка исполнительного реле.

Не всегда бывает удобно или возможно связать датчик с исполнительным устройством посредством проводов. В таких случаях оптимальной является связь датчика с исполнительным устройством по радиоканалу. В странах Европы и США разрешена работа устройств дистанционного управления и автосигнализаций на частоте 418 МГц. Устройства, отвечающие условиям применения для работы на этой частоте, не требуют сертификации и разрешения. Если раньше существовали некоторые трудности в проектировании и изготовлении таких приемопередающих устройств, то после выпуска унифицированных модулей передатчика ТМ1V и приемника РМ1V проблема реализации связи устройств дистанционного управления по радиоканалу на частоте 418 МГц попросту исчезла. Совместимость работы близкорасположенных устройств ДУ обеспечивается благодаря использованию микросхем кодера в передатчике и декодера в приемнике.

1.3.3 Ультразвуковой датчик движения

На первоначальном этапе разработки ультразвуковых датчиков системы обнаружения движущегося объекта строили так, как это схематически показано на рисунке 1.5а. Излучатель BF1 и приемник ВМ1 располагали на противоположных стенах помещения, под потолком (для снижения влияния внутренней обстановки). Излучатель BF1 возбуждал в пространстве помещения стабильные по частоте и амплитуде ультразвуковые колебания. Микрофон (приемник) ВМ1 преобразовывал принятый из пространства ультразвуковой сигнал в электрический. Далее, в электронном устройстве этот сигнал усиливался, детектировался и анализировался по амплитуде. В случае колебания амплитуды ультразвукового сигнала формировался сигнал тревоги.

Рисунок 1.5 Построение ультразвуковых систем обнаружения

Отчего же происходят колебания амплитуды принятого ультразвукового сигнала? Предположим, что помещение идеально, т. е. представляет собой герметически замкнутое пространство, ограниченное жесткими стенами. Поскольку излучение не является остронаправленным, к микрофону ВМ1 вместе с прямой волной приходят волны, отраженные от стен, потолка и пола. Энергия волны в зоне микрофона ВМ1, как, впрочем, и на любой поверхности помещения, есть результат интерференции всех подающих волн. Пока в помещении не происходит какого-либо перемещения отражающих или поглощающих поверхностей или изменения физических свойств среды, интерференционная картина, а значит и уровень энергии волны в каждой точке, будут постоянны.

Любое движение в помещении приведет к изменению пути прохождения ультразвуковых волн, а следовательно, к изменениям интерференционной картины. Это приведет к колебаниям амплитуды выходного сигнала микрофона ВМ1. Регистрируя эти колебания, можно обнаружить перемещение в замкнутом пространстве.

Данный способ обнаружения подвижных объектов обеспечивает очень высокую чувствительность при высокой экономичности, поскольку волна от излучателя BF1 к приемнику ВМ1 проходит через помещение по наиболее короткому пути, а следовательно имеет наименьшее затухание.

Однако в реальных условиях эта система практически неработоспособна из-за чрезвычайно высокой вероятности ложных срабатываний. Система реагирует даже на поток воздуха, т. к. сложение скорости звука со скоростью воздуха изменит характер прохождения волны, что будет воспринято микрофоном ВМ1 как перемещение объекта.

Для повышения устойчивости системы излучатель BF1 и приемник ВМ1 располагают на одной стене (рисунок 1.5б). Длина пути волны увеличивается в два раза, что потребует значительного увеличения излучаемой мощности. Но при этом из-за того, что волна проходит через поток воздуха дважды - туда и обратно, приращение скорости взаимно компенсируется, что и повышает устойчивость устройства к ложным срабатываниям в условиях относительно равномерных потоков воздуха, движущихся в любых направлениях.

В реальных условиях потоки воздуха могут быть весьма неравномерными. Кроме того, существенный вклад в нестабильность интерференционной картины в реальном помещении вносят деформации стекол и дверей в результате порывов ветра снаружи, разного рода вибрации и другие факторы. Все это привело к тому, что охранная система, построения по описанному выше принципу, оказалась нежизнеспособной.

Существенно повысить помехоустойчивость позволяет применение иного метода детектирования сигнала - не по амплитуде, а по частоте. Если объект перемещается вдоль направления распространения волны (рисунок 1.5, б), отраженная от него волна будет иметь некоторое смещение по частоте относительно излучаемой. Это явление получило название эффекта Доплера. Из-за разно-направленного отражения волн в реальном помещении эффект Доплера проявляется и при строго перпендикулярном указанному перемещению объекта, правда, несколько слабее. Поэтому объект, движущийся в любом направлении, будет обнаружен.

Несмотря на достоинства, детектирование с использованием эффекта Доплера не снимает полностью проблему ложных срабатываний. Существует определенный предел интенсивности воздушных потоков и других факторов, выше которого датчик будет регистрировать ложные перемещения. В качестве излучателя BF1 и приемника ВМ1, как правило, используют высокоэффективные резонаторы из пьезокерамики.

В состав аппаратной части ультразвукового датчика входят следующие блоки: излучатель BF1; приемник ВМ1; эталонный генератор G1; входной усилитель А1; преобразователь U1; фазовый детектор U2; фильтр нижних частот Z1; фильтр верхних частот Z2; детектор-формирователь U3; выходной усилитель А2; устройство индикации HI.

Излучатель BF1 ультразвуковой волны служит нагрузкой эталонного генератора G1. Рабочую частоту выбирают как компромисс между помехоустойчивостью и затуханием ультразвуковых колебаний в воздухе. Чем больше частота, тем меньше мешающее влияние естественных и искусственных шумов, воспринимаемых датчиком, однако с увеличением частоты повышается затухание волны, и для нормальной работы датчика необходимо увеличивать мощность излучения (пропорционально квадрату частоты). Наиболее подходящей является частота около 40 кГц. Мощность излучения выбирается из соображений приемлемой экономичности, требуемого уровня принимаемого сигнала и объема контролируемого пространства.

Входной усилитель А1 должен обеспечивать уверенный прием отраженного сигнала в условиях значительного колебания его амплитуды. Для снижения влияния помех необходима высокая избирательность усилителя в интервале fg ± fd- где fg - рабочая частота генератора, fd - доплеровский сдвиг, реально не превышающий 1 кГц.

Для исключения зависимости входного сигнала от амплитудной составляющей в усиленном принятом сигнале выделяют точки перехода через «нуль» и формируют сигнал прямоугольной формы. Эту функцию выполняет преобразователь U1.

Если, например, движущийся объект представляет собой цельную отражающую поверхность, вместе с сигналом основной частоты будет присутствовать сигнал доплеровского сдвига, амплитуда которого будет пропорциональна отношению энергии волны, приходящей от объекта, к энергии всех приходящих волн. Иначе говоря, амплитуда сигнала доплеровского сдвига будет зависеть от площади объекта.

Если волна, отраженная от движущегося объекта, по амплитуде не превышает сумму волн, отраженных от стен помещения, то сигнал после преобразователя будет иметь фазовую, а не частотную модуляцию. В противном случае, к фазовой добавится частотная модуляция. Вместе с отраженными от стен, приемник зафиксирует и волны, отраженные от всех поверхностей объекта, причем амплитуда и частота этих волн будет зависеть соответственно от площади отражающих поверхностей и от скорости перемещения их в пространстве. Фазовая модуляция будет отражать все движения, производимые объектом. Фазовый детектор U2 преобразует фазовую модуляцию сигнала в широтно-импульсную. Фильтр нижних частот Z1 сглаживает импульсы с выхода фазового детектора U2 и преобразует их в амплитудно-модулированный сигнал. Частота среза фильтра Z1 равна реальной верхней частоте доплеровского сдвига, в нашем случае 1 кГц. Фильтр верхних частот Z2 ограничивает снизу частотную полосу, воспринимаемую устройством. Он играет особую роль в устойчивости всей системы к ложным срабатываниям. Как было отмечено выше, основной причиной возникновения амплитудной модуляции на входе датчика является изменение интерференционной картины в охраняемом пространстве, из-за чего происходит сложение множества волн с произвольной фазой и амплитудой. Изменение амплитуды какой-либо из них, например, в результате изменения угла отражения от колеблющегося оконного стекла, вызывает изменение фазы результирующего сигнала. Сложение амплитудно-модулированного сигнала и немодулированного колебания одной и той же частоты уже приводит к фазовому сдвигу, пропорциональному производной от модулирующей функции. Из этого следует, что вибрацию стекла датчик воспримет как доплеровский сдвиг. Спектр этих колебаний, в основном, сосредоточен в частотной области ниже 1 - 3 Гц. Теперь становится понятна и та особая роль, которая отведена фильтру Z2, особенно исходя из требований по регистрации минимальной скорости передвижения.

Детектор-формирователь U3 преобразует огибающую принимаемого сигнала в пропорциональное ей постоянное напряжение. Усилитель А2 усиливает его до уровня, необходимого для работы устройства индикации HI, обеспечивая при этом определенную задержку, дополнительно снижающую вероятность ложных срабатываний. Принципиальная схема ультразвукового датчика изображена на рисунке 1.6. Излучателем BF1 и приемником ВМ1 ультразвуковых колебаний служат пьезоэлектрические микрофоны типа УМ-1 с частотой резонанса в интервале 36 - 46 кГц.

Генератор G1 собран на микросхемах DD1 и DA4 по мостовой схеме. Это сделано для того, чтобы обеспечить оптимальный уровень мощности излучения при низком напряжении питания.

Рисунок 1.6 Ультразвуковой датчик движения

Кроме того, мостовое включение позволяет возбудить пьезорезонатор BF1 на его собственной резонансной частоте. Ультразвуковой излучатель BF1 включен между выходами попарно параллельно включенных инверторов DD1.1, DD1.2 и DD1.3, DD1.4, образующих мостовой выходной усилитель. Сигналы на выходах каждой пары инверторов находятся в противофазе, что позволяет обеспечить амплитудное значение напряжения на излучателе BF1 практически вдвое больше, чем напряжение питания. Параллельное включение инверторов повышает нагрузочную способность усилителя. При необходимости их число в каждом плече может быть увеличено.

Поскольку рабочую частоту генератора определяет собственная частота резонанса тока излучателя BF1, в его цепь включены датчики тока - резисторы R17 и R18. Для выделения сигнала с датчиков тока на фоне

высокого амплитудного выходного напряжения мостового усилителя служат прецизионные резисторные делители R19, R20 и R21, R22. Сопротивления резисторов определяются из выражений: R20=R19+R17 и R21=R22+R18. Если исключить нагрузку, то и постоянное напряжение, и переменное между точками А и Б будут пропорциональны току через нагрузку.

Напряжение UAБ подано на вход дифференциального усилителя переменного напряжения, собранного на микросхеме DA4. Уровень выходного напряжения усилителя соответствует уровню срабатывания инверторов КМОП микросхемы DD1. Одновременно дифференциальный усилитель подавляет незначительную синфазную составляющую напряжения UAБ. появляющуюся из-за неизбежных отклонений сопротивлений резисторов прецизионного делителя от расчетного и возможной неидентичности значений выходных напряжений инверторов моста. Резистор R25 определяет ток, потребляемый операционным усилителем DA4, и, как следствие, скорость нарастания выходного напряжения. Емкость конденсаторов С10 и С11 имеет оптимум для каждой конкретной частоты.

Буферный инвертор DD1. 5 формирует импульсы с крутыми фронтами, что позволяет повысить КПД генератора на 20%.

1.4 Выводы и предложения

Схема ИК датчика движения (смотри приложение А) выбрана не случайно. Устройство, собранное по данной схеме является достаточно эффективным в применении. Немаловажным критерием выбора явилось то, что при достаточно простой конструкции устройства, оно работает достаточно надежно и эффективно. Стоит отметить и материальный фактор выбора данной схемы, т.к. по сравнению с аналогичными устройствами оно является на порядок дешевле по своему изготовлению, что также немаловажно.

Но основным критерием выбора послужило то что при желании совершенствования или модернизации устройства это вполне возможно с данной схемой, т.к. разработчиками схемы это было предусмотрено.

Так например при необходимости увеличения «дальнобойности» датчика, другими словами - увеличения зоны обнаружения движущегося объекта, просто необходимо будет внести некоторые изменения в схему. Например если с ИК диодом АЛ156В дальность обнаружения возрастает в 1,5 - 2 раза, то при его замене на ИК диод АЛ123А дальность возрастет в 2,5 - 3 раза.

Все составляющие прибора сам датчик, источник питания и динамическая головка - могут быть объединены в единую конструкцию. Но если сигнал тревоги не должен быть всеобщим, динамическую головку и источник питания выносят в другое помещение и связывают их с платой трехпроводной линией.

Из выше перечисленного очевидно, что выбор схемы сделан успешно.

2. Специальная часть

2.1 Принцип работы устройства по схеме электрической принципиальной

Данное устройство предназначено для охраны помещений. Тревожный сигнал зазвучит в том случае, если в охраняемом помещении будет обнаружен движущийся или неподвижный объект, отсутствовавший в момент включения устройства.

Очень часто в охранных системах используют бесконтактные датчики для контроля ближней зоны. Это - пространство около дверей, часть коридора, лестничного марша, стол, сейф и т.п. Обычно такие задачи решают средствами высокочастотной техники. Датчиком могут быть LC-генератор, расстраивающийся при приближении посторонних объектов, теряющий баланс высокочастотный мост и др. Но существуют и другие средства.

Данное устройство формирует короткие инфракрасные импульсы и принимает их отражение от появившегося поблизости объекта. Инфракрасный диод периодически возбуждается импульсами тока, амплитуда импульсов I= может многократно превышать среднее допустимое значение.

Длительность этих импульсов , а период следования .

Отраженный инфракрасный импульс попадает на фотодиод. После усиления и ограничения микросхемой DA1 он поступает на один из входов элемента DD2.1.

Если отраженный импульс совпадает с излученным, то на выходе DD2.1 возникает короткий импульс низкого уровня, который запускает одновибратор (DD2.2, DD2.3). На выходе одновибратора возникает импульс длительностью . Он поступает на вход звукового генератора (DD2.4, DD1.6). Динамическая головка издает короткий звуковой сигнал частотой около 1400Гц.

Так прибор «озвучивает» отраженные инфракрасные импульсы. Серия таких импульсов будет трансформироваться им в тревожно звучащую последовательность, следующую с частотой инфракрасных импульсов.

В таблице 2.1 показаны дальность обнаружения человека и стены в зависимости от тока в ИК диоде, т.е. от сопротивления резистора R5.

Таблица 2.1 Дальность обнаружения объекта в зависимости от резистора R5

BI1,A(R5,Oм)	,м	,м
0,04(62)	0,5…0,9	1,5
0,16(16)	1…1,6	3
0,64(3,9)	1,8…2,5	4,3

Измерения были проведены при напряжении питания 6В. Минимальное значение соответствует человеку в темном халате. Устройство собрано на печатной плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Фольга под деталями использована лишь в качестве общего провода.

Передняя панель прибора, на которую устанавливают фотодиод и ИК светодиод, имеет размеры 92-32-3мм. Ее изготавливают из черного ударопрочного полистирола. В местах установки ИК диода и фотодиода она должна иметь утолщения, которые должны изолировать их оптически.

В микросхему DA1 входит высокочувствительный усилитель, поэтому ее нужно экранировать. Экран сгибают из жести в виде открытой коробки размерами 32-16-10 мм. Ее пропаивают в углах, в «крышке» делают отверстие под фотодиод, низ выравнивают широким напильником с мелкой насечкой и припаивают к фольге платы. Если требуется заэкранировать и фотодиод, его помещают в тонкостенную металлическую трубку подходящего диаметра и длины, которую припаивают непосредственно к коробке экрану.

Правильно собранное устройство обычно сразу начинает работать в режиме тревоги - потолок, стены, мебель дают вполне достаточный отраженный сигнал. Но если оно продолжает звучать и положенное «лицом» на стол, то потребуется обнаружить и ликвидировать пути проникновения ИК излучения на фотодиод внутри самого прибора. После этого останется определить получившуюся «дальнобойность» и выставить нужную подбором резистора R5.

Иногда столь непосредственная реакция прибора, озвучивающего каждый отраженный импульс, совсем не обязательна. При необходимости можно изменить часть схемы так, чтобы сигнал тревоги формировался лишь при прохождении компактной группы отраженных сигналов.

Сигнал тревоги прозвучит лишь в том случае, если на вход СР счетчика DD3.1 поступят четыре отраженных импульса. Но произойти это должно на временном интервале длительностью 3,2с, поскольку спадом каждого шестнадцатого импульса задающего генератора счетчик DD3.1 возвращается в нулевое состояние. Т.е. если на одном из таких временных интервалов датчик зафиксирует четыре отраженных импульса, он включит сигнал тревоги. Время ее звучания около 2,4с. Если объект не выйдет из зоны контроля, сигнал тревоги повторится.

Устройство может войти в охранную систему в качестве одного из ее датчиков. Для нее будет представлять интерес лишь сигнал, возникающий на выходе элемента DD2.1.

В таблице 2.2 показаны зависимости тока, потребляемого ИК сенсором в дежурном режиме (),тока, потребляемого им в режиме тревоги (), а также мощности тревожного сигнала () от напряжения источника питания () при сопротивлении динамической головки НА1 25Ом и R5=16Oм.



Таблица 2.2 Зависимости величин от напряжения источника питания

(),В	(),мА	(),мА	(),мВт
6	2	14	150
5	1,4	13	100
4,3	1,1	11,5	70

2.2 Обоснование выбора элементной базы

Сокращение КМОП - начальные буквы четырех слов из полного определения: комплементарные полевые транзисторы со структурой металл--окисел-- полупроводник. Слово комплементарный переводится как взаимно дополняющий. Так называют пару транзисторов, сходных по абсолютным значениям параметров, но с полупроводниковыми структурами, взаимно отображенными как бы в виде негатива и позитива (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 Пара полевых транзисторов

Основная особенность микросхем КМОП - ничтожное потребление тока в статическом режиме - 0,1...100 мкА. При работе на максимальной рабочей частоте потребляемая мощность увеличивается и приближается к потребляемой мощности наименее мощных микросхем ТТЛ. Микросхемы КМОП - технологии имеют малую потребляемую мощность при высокой помехоустойчивости и нагрузочной способности. Так как МОП - транзисторы по сравнению с биполярными имеют меньшие размеры, то это позволяет разместить на единице площади кристалла большее число элементов при более простой технологии. МОП - транзисторы характеризуются каналом проводимости n или р - типа и в зависимости от этого транзисторы с каналом проводимости n - типа выполняются на подложке р - типа и наоборот. МОП - транзисторы существуют двух типов: со встроенным каналом проводимости и с индуцированным. В микросхемах КМОП технологии используются МОП - транзисторы с индуцированным каналом проводимости. Этот канал проводимости появляется при подаче напряжения питания +ЗВ. Это напряжение является пороговым напряжением срабатывания. Максимальное напряжение питания +15В. Таким образом напряжение питания для схем КМОП - технологии от +3 до +15В.

2.3 Описание базового элемента

В основе всех цифровых микросхем КМОП находятся элементы , , и коммутативный ключ (КК). С помощью КК реализуются выходы с третьим состоянием очень большого выходного импеданса Z (практически разомкнуто). Полевые транзисторы можно соединять последовательно «столбиком», поэтому элементы , строятся по разным схемам. Для КМОП принято, чтобы 1 отображалась высоким уровнем, а 0 - низким.

Рассмотрим внутреннюю структуру микросхем КМОП на примере двухвходового логического элемента ИЛИ-НЕ (рисунок 2.2). Основу этого элемента составляют два транзистора структуры МОП с индуцированным каналом р-типа VT1 и VT2 и два транзистора с каналом n-типа VT3 и VT4. Резисторы и диоды являются вспомогательными и в нормальной работе элемента участия не принимают.

Рисунок 2.2 Принципиальная схема элемента ИЛИ-НЕ

При подаче на оба входа напряжения, близкого к нулю (лог. 0), транзисторы VT3 и VT4 закрыты, транзисторы VT1 и VT2 открыты и соединяют выход элемента с источником питания. На выходе элемента напряжение близко к напряжению источника питания (лог. 1). Если на один из входов, например вход 1, подать лог. 1, транзистор VT2 закроется, транзистор VT4 откроется и соединит выход элемента

с общим проводом, на выходе элемента появится лог. 0. Такой же результат будет при подаче лог. 1 на вход 2 или при подаче лог. 1 на оба входа одновременно.

Таким образом, изображенный на схеме рисунка 2.1 элемент выполняет функцию ИЛИ-НЕ на два входа. Для увеличения числа входов элемента увеличивают число последовательно соединенных транзисторов с каналом р-типа и параллельно соединенных транзисторов с каналом n-типа.

Для построения элементов с функцией И-НЕ транзисторы с каналом р-типа соединяют параллельно, с каналом n-типа - последовательно.

На рисунке 2.3 приведена статическая переключательная характеристика инвертирующего МОП-элемента - зависимость его выходного напряжения от входного. Как видно из зависимости, переключение элемента происходит при входном напряжении, близком к половине напряжения питания.

Диоды VD7 и VD8 (рисунок 2.2) являются неотъемлемой частью МОП-транзисторов, диоды VD1 - VD6 и резисторы R1 и R2 специально вводятся в состав элемента для защиты МОП- транзисторов от статического электричества.

Рисунок 2.3 Статическая переключательная характеристика КМОП инвертора

При превышении входным напряжением напряжения источника питания открываются диоды VD1 - VD4, что исключает подачу на затворы транзисторов напряжения, превышающего напряжение питания. При снижении входного напряжения до уровня, более низкого, чем потенциал общего провода, открываются диоды VD5 и VD6. В микросхемах серии К176 первых выпусков для защиты входов использовались диоды-стабилитроны с напряжением включения порядка 30В, которые устанавливались вместо VD5 и VD6.

2.3 Описание элементной базы

Схема инфракрасного датчика присутствия, (смотри приложение А) состоит из следующих элементов:

Микросхема К561ЛА7 - четыре логических элемента 2И - НЕ.

На рисунке 2.4 показано условное графическое обозначение (УГО), на рисунке 2.5 ее функциональная схема, истинность микросхемы К561ЛА7 приведена в таблице 2.3.

Рисунок 2.4 УГО микросхемы К561ЛА7

Рисунок 2.5 Функциональная схема ИС К561ЛА7

Один двухвходовой канал из микросхемы K56IЛА7 содержит четыре разноканальных. VT1 и VT2 - n, а VT3, VT4 - p канальные. На эквивалентной ключевой схеме выходы А и В получают четыре возможных логических сигнала от переключателей S1 и S2.

Рисунок 2.6 Двухвходовой канал из микросхемы К561ЛА7

Рисунок 2.7 Эквивалентная ключевая схема двухвходового канала

Если последовательно перебрать все комбинации напряжений высоких и низких уровней, поступающих на входы А и В от S1 и S2, и рассмотреть уровни на выходе Q, получим таблицу состояний инвертора . Когда от S1 и S2 на входы A и B поданы напряжения высокого уровня B, n - каналы транзисторов VT1 и VT2 будут замкнуты, а каналы VT3 и VT4 разомкнуты. На выходе Q окажется напряжение низкого уровня Н. Если на вход A или В поступает хотя бы один низкий уровень, один из каналов VT3 или VT4 оказывается замкнутым и на выходе Q появляется напряжение высокого уровня. В результате вертикальная колонка данных на выходе соответствует функции .

...