玻璃破碎报警器.doc

自动检测技术与应用项目报告 学校： 广东水利电力职业技术学院 系别： 自动化工程系 班别： 13嵌入式系统班 姓名： 陈 秋 娥 学号： 131202105 指导老师： 何 玲 日期： 2014-12-14 引言很多贵重物品柜台如珠宝店，展览橱窗、博物馆等场合为防盗和防抢劫，希望安装一种玻璃破碎能自动报警的装置。这种报警装置需要能够最大限度的防止误报警，并且准确的将报警信号传达到中央控制室甚至警方，以保证贵重物品的安全。我们提供的玻璃破碎报警系统的方案，可以高效的收集危机信号，并且以最快速度报告给中央控制中心，并且考虑到了断电这一不确定因素对报警的影响，为贵重物品安全提供了一个非常强力的保障。目录引言21.使用背景42.压电效应43.工作原理64.灵敏度75.频率特性96.方案设计107.电路原理图128.电路设计分析139.设计总结1810.参考文献191.使用背景一般的贵重物品柜台如珠宝店，展览橱窗、博物馆等场合周遭会有很多杂音，其频率一般为10kHZ以下（如说话、走路、车辆驶过的声音信号），而玻璃破碎的声音振动频率在10k15kHZ范围。报警系统需要甄别传感器传输的数据，仅在数据显示需要报警的频段进行报警；考虑到现代犯罪通常会切断通用电源，报警系统和传感器系统需要能够在通用电源不能正常提供工作电压（电压过低或断电）时及时切换备用电源；对于一些比较敏感的场合（重要展览馆或展厅）需要将报警信号与警方联动，达到真正意义上保护贵重物品的要求。2.压电效应压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础。这些物质在沿一定方向受到压力或拉力而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英、钛酸钡等。左图示为天然结构的石英晶体，它是个六角形晶柱。在直角坐标系中z轴表示其纵向轴，称为光轴；x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴；y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；在光轴方向受力时则不产生压电效应。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应正压电是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。3.工作原理压电陶瓷片具有正压电效应：压电陶瓷片在外力作用下产生扭曲、变形时将会在其表面产生电荷，且产生的电荷量Q与作用力成正比，Q=F，为陶瓷的压电系数，F为极化方向作用力。压电传感器还具有一个重要特点：只能用于测量动态变化的信号，高频响应较好。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，呈电中性，不具有压电性质。当外加电场增强到一定程度，材料的极化达到饱和程度时，所有电畴极化方向与外电场方向一致，即使外电场去掉，电畴极化方向基本不变，此时材料才具有压电特性。玻璃破碎时会产生10k15k的高频声音信号，该信号可使压电传感器的压电元件产生正压电效应。因而压电陶瓷片可对玻璃破碎信号进行有效检测，并对10kHz以下的声音有较强的抑制作用，从而检测玻璃是否发生破碎。玻璃破碎声发射频率的高低、强度的大小同玻璃的厚度、材料有关。使用石英玻璃在25、湿度25%时的破碎频率为12kHz。玻璃破碎探测器按照工作原理的不同大致分为两大类：一类是声控型的单技术玻璃破碎探测器，它实际上是一种具有选频作用（带宽10到15KHz）的具有特殊用途（可将玻璃破碎时产生的高频信号驱除）的声控报警探测器。另一类是双技术玻璃破碎探测器，其中包括声控-震动型和次声波-玻璃破碎高频声响型。声控-震动型是将声控与震动探测两种技术组合在一起，只有同时探测到玻璃破碎时发出的高频声音信号和敲击玻璃引起的震动，才输出报警信号。次声波-玻璃破碎高频声响双技术探测器是将次声波探测技术和玻璃破碎高频声响探测技术组合到一起，只有同时探测敲击玻璃和玻璃破碎时发出的高频声响信号和引起的次声波信号才触发报警。玻璃破碎探测器要尽量靠近所要保护的玻璃，尽量远离噪声干扰源，如尖锐的金属撞击声、铃声、汽笛的啸叫声等，减少误报警。4.灵敏度传感器的灵敏度有两种表示法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Sq表示；与电压放大器配合使用时，用电压灵敏度Sv表示，其一般表达式为和下面以常用的压电陶瓷加速度传感器为例讨论影响灵敏度的因素。压电陶瓷元件受外力后表面上产生的电荷为Q=d33F，因为传感器质量块的加速度与作用在质量块上的力有如下关系，即F=ma这样，压电式加速度传感器的电荷灵敏度与电压灵敏度就可用下式表示，即由上两式可知：压电式加速度传感器的灵敏度与压电材料的压电系数成正比，也和质量块的质量成正比。为了提高传感器的灵敏度，应当选用压电系数大的压电材料做压电元件，在一般精度要求的测量中，大多采用以压电陶瓷为敏感元件的传感器。5.频率特性压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量、集中弹簧刚度和阻尼系数组成的二阶单自由度系统，因此，当传感器感受振动体的加速度时，可以列出下列运动方程式式改写为根据求二阶传感器频响特性的方法，获得压电加速度计的幅频特性与相频特性分别为因为质量块与振动体之间的相对位移Xm-X就等于压电元件受到作用力后产生的变形量，因此，在压电元件的线性弹性范围内有由于压电片表面产生的电荷量与作用力成正比，即，因此将式子带入得到压电式加速度传感器灵敏度与频率的关系式，即上式所表示的频响特性曲线为二阶特性曲线，如下图所示。由下图可见，在 相当小的范围内，有6.方案设计在玻璃附近安装压电传感器，当压电元件表面因玻璃破碎产生的高频声音信号而受振动时，压电传感器就会产生一定的电压脉冲。该电压经放大后送入带通滤波器，以提高灵敏度和减少误报。压电传感器产生的是交流信号，需经过交直流变换变成直流信号后才能送入比较器。比较器产生标准的下降电压引起单片机中断执行显示、报警操作。系统总体框图1如下：7.电路原理图玻璃破碎报警器的电路图压电陶瓷片B将碎发的振动信号或响声转化成电信号，这个极端的电信号经过由三极管VT1和VT2构成的直耦式放大器放大后，利用C2从VT2的集电极上取出放大信号，然后经过二极管VD1和VD2倍压整流后，使VT3导通，VT3导通后在R4两端产生的压降使单向可控硅VS导通并锁存，于是语音报警喇叭HA通电反复发出声音，这时只要按下SB，方可解除警报声。该装置的电源是由电源变压器T将220V市电降压为12V，经QD全桥整流、C3滤波后供给整机工作。为了防备交流电中断，还增加了12V电池组。这样当电网停止供电时，G自动续接供电，当电网复电后，G自动停止供电，始终让报警电路处于准备状态。8.电路设计分析1、 压电传感器选用压电陶瓷作为压电传感器，压电传感器可等效为一个电压源，如图所示： 图2 压电传感器等效电路Ca为压电传感器等效电容、Ra为传感器漏电阻，Cc为电缆电容，Ri是后级电路的输入阻抗，Ci是其输入电容，R=Ra/Ri。若压电元件受正弦力f = Fmsint的作用时，经计算前置放大器输入电压Ui的幅值为：令0=1/R（Ca + Cc + Ci），当 /03 时，可认为Uim与无关。利用压电传感器可检测玻璃破碎产生信号的强弱。2、前置放大电路压电传感器输出电压信号很微弱，通常只有几十毫伏，而且压电传感器输出阻抗很高。为达到阻抗匹配和信号放大的作用，选用低噪声、高输入阻抗的仪表放大器AD620作为前置放大器对信号进行放大。AD620放大增益可通过电位器RG调节，增益放大电路如图3所示3、带通滤波器由于玻璃破碎产生的声音信号频率一般为10k15k，为减少误报，信号经放大后, 需经带通滤波器进行滤波, 要求它对选定的频谱通带的衰减要小, 而带外衰减要尽量大。采用二阶压控电压源带通滤波电路，如图4所示。可由设计手册根据中心频率和带宽选取电阻电容值。令滤波器中心频率f=12.5KHz，带宽BW=5KHz，取C=0.01uF由公式R=1/2fC，可求得R=1.27k，R2=R=1.27k，R3=2.54k再由Q=1/(3-Av)，BW=f/Q，求得A=2.6，Q=2.5又由于Rf/R4=R3=2.54k，A=1+Rf1/R4，求得Rf=6.6k，R4=4.13k图4 带通滤波器4、直流变换与比较输出电路信号经输入调理电路后是一串被放大了的脉冲波，但是进入比较器的信号必须是直流电压。采用AD736进行交直流变换，有比较成熟的电路。其输入信号是有效值，最大为200mV。比较输出是单片机能否正常显示、报警的关键，电路中采用LM393进行电压比较。其工作原理如下：输入信号与参考电压Ref进行比较，当输入信号小于Ref时，比较器输出标准的+5V电压；当输入信号大于Ref时，比较器输出低电平。从AD736出来的直流电压是随传感器的信号变化的，每当有声音振动信号时，从比较器出来的电压会形成一个标准的下降沿电压，触发单片机中断。电路如图5所示：图5 交直流变换与比较输出电路5、灵敏度调节电路为了实现对玻璃破碎振动级别的识别，设计了报警灵敏度调节电路，可以通过调节它的不同级别来起到对不同强度的振动有滤过作用。采用调节比较器的比较电压来实现灵敏度的调节。因为AD736的最大输出电压为200mV，所以Ref也应小于200mV。故需要分压电路，采用电位器Rp对5V电源进行分压，由4选1模拟开关构成4档比较电压，通过单片机P1.0和P1.1口进行控制。电路如图6所示。 图6 灵敏度调节电路6、显示及报警电路利用PNP 三极管的输出特性，将基极通过R1 接在P1.2 脚，发射极通过二极管接蜂鸣器。当P1.2输出高电平时，三极管发射结截止，蜂鸣器不响。当P1.2 输出低电平时，三极管工作在放大状态，蜂鸣器会发出响声，同时发光二极管发出红光，实现报警。在实际应用中可采用单片机控制继电器的关断，从而接通声光报警器。如图7所示：图7 报警电路9.设计总结经过此项目的设计过程，了解了玻璃破碎报警器的制作原理，还有其电路的设计和参数的计算，从中也学会了自己制作和焊接一个报警器。从中也了解了很多元件和电路的作用，收获的知识也很多。10.参考文献【1】黄贤武，郑筱霞.