壓電式玻璃破碎報(bào)警器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、壓電式玻璃破碎報(bào)警器(說(shuō)明書(shū)學(xué)院:XXXXXXXXX班級(jí):XXXXXXXXX姓名:XXXXXXXX學(xué)號(hào):XXXXXXXXXXXX2012年05月01日一、選題的意義在很多安全場(chǎng)合,比如文物防盜、博物館防盜和重要機(jī)密或重要文件保存,都需要設(shè)置玻璃破碎報(bào)警器來(lái)保證其安全。目前采用最多的就是壓電式玻璃破碎報(bào)警器,它具有使用頻帶寬、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、質(zhì)量輕、測(cè)量范圍廣等許多優(yōu)點(diǎn)。二、工作原理壓電陶瓷片具有正壓電效應(yīng):壓電陶瓷片在外力作用下產(chǎn)生扭曲、變形時(shí)將會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷,且產(chǎn)生的電荷量Q 與作用力成正比,Q=d F,33d為陶瓷的壓電系數(shù),F為極化33方向作用力。壓電傳感器還具有一個(gè)重

2、要特點(diǎn):只能用于測(cè)量動(dòng)態(tài)變化的信號(hào),高頻響應(yīng)較好。玻璃破碎時(shí)會(huì)產(chǎn)生10k15k的高頻聲音信號(hào),該信號(hào)可使壓電傳感器的壓電元件產(chǎn)生正壓電效應(yīng)。因而壓電陶瓷片可對(duì)玻璃破碎信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè),并對(duì)10kHz以下的聲音有較強(qiáng)的抑制作用,從而檢測(cè)玻璃是否發(fā)生破碎。玻璃破碎聲發(fā)射頻率的高低、強(qiáng)度的大小同玻璃的厚度、材料有關(guān)。使用石英玻璃在25、濕度25%時(shí)的破碎頻率為12kHz。三、方案論證在玻璃附近安裝壓電傳感器,當(dāng)壓電元件表面因玻璃破碎產(chǎn)生的高頻聲音信號(hào)而受振動(dòng)時(shí),壓電傳感器就會(huì)產(chǎn)生一定的電壓脈沖。該電壓經(jīng)放大后送入帶通濾波器,以提高靈敏度和減少誤報(bào)。壓電傳感器產(chǎn)生的是交流信號(hào),需經(jīng)過(guò)交直流變換變成直流

3、信號(hào)后才能送入比較器。比較器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的下降電壓引起單片機(jī)中斷執(zhí)行顯示、報(bào)警操作。系統(tǒng)總體框圖如下: 圖1 系統(tǒng)總體框圖四、硬件設(shè)計(jì)1、壓電傳感器選用壓電陶瓷作為壓電傳感器,壓電傳感器可等效為一個(gè)電壓源,如圖所示: 圖2 壓電傳感器等效電路Ca 為壓電傳感器等效電容、Ra 為傳感器漏電阻,Cc 為電纜電容,Ri 是后級(jí)電路的輸入阻抗,Ci 是其輸入電容,R=Ra/Ri 。若壓電元件受正弦力f = Fmsin t 的作用時(shí),經(jīng)計(jì)算前置放大器輸入電壓Ui 的幅值為:令0=1/R (Ca + Cc + Ci ,當(dāng) /0>3 時(shí),可認(rèn)為Uim 與無(wú)關(guān)。利用壓電傳感器可檢測(cè)玻璃破碎產(chǎn)生信號(hào)的強(qiáng)弱。2

4、、前置放大電路壓電傳感器輸出電壓信號(hào)很微弱,通常只有幾十毫伏,而且壓電傳感器輸出阻抗很高。為達(dá)到阻抗匹配和信號(hào)放大的作用,選用低噪聲、高輸入阻抗的儀表放大器AD620作為前(122i c a m im C C C R R dF U +=置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。AD620放大增益可通過(guò)電位器RG 調(diào)節(jié),增益14.49+=RGkA 放大電路如圖3所示 3、帶通濾波器由于玻璃破碎產(chǎn)生的聲音信號(hào)頻率一般為10k15k ,為減少誤報(bào),信號(hào)經(jīng)放大后, 需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波, 要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小, 而帶外衰減要盡量大。采用二階壓控電壓源帶通濾波電路,如圖4所示?？捎稍O(shè)計(jì)手冊(cè)根據(jù)中心頻率和帶寬

5、選取電阻電容值。令濾波器中心頻率f=12.5KHz ,帶寬BW=5KHz ,取C=0.01uF由公式R=1/2fC ,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 圖4 帶通濾波器4、直流變換與比較輸出電路信號(hào)經(jīng)輸入調(diào)理電路后是一串被放大了的脈沖波,但是進(jìn)入比較器的信號(hào)必須是直流電壓。采用AD736進(jìn)行交直流變換,有比較成熟的電路。其輸入信號(hào)是有效值,最大為200mV。比較輸出是單片機(jī)能否正常顯示、報(bào)警的關(guān)鍵,電路

6、中采用LM393進(jìn)行電壓比較。其工作原理如下:輸入信號(hào)與參考電壓Ref進(jìn)行比較,當(dāng)輸入信號(hào)小于Ref時(shí),比較器輸出標(biāo)準(zhǔn)的+5V電壓;當(dāng)輸入信號(hào)大于Ref時(shí),比較器輸出低電平。從AD736出來(lái)的直流電壓是隨傳感器的信號(hào)變化的,每當(dāng)有聲音振動(dòng)信號(hào)時(shí),從比較器出來(lái)的電壓會(huì)形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的下降沿電壓,觸發(fā)單片機(jī)中斷。電路如圖5所示: 圖5 交直流變換與比較輸出電路5、靈敏度調(diào)節(jié)電路 圖6 靈敏度調(diào)節(jié)電路6、顯示及報(bào)警電路利用PNP 三極管的輸出特性,將基極通過(guò)R1 接在P1.2 腳,發(fā)射極通過(guò)二極管接蜂鳴器。當(dāng)P1.2輸出高電平時(shí),三極管發(fā)射結(jié)截止,蜂鳴器不響。當(dāng)P1.2 輸出低電平時(shí),三極管工作在放大

7、狀態(tài),蜂鳴器會(huì)發(fā)出響聲,同時(shí)發(fā)光二極管發(fā)出紅光,實(shí)現(xiàn)報(bào)警。在實(shí)際應(yīng)用中可采用單片機(jī)控制繼電器的關(guān)斷,從而接通聲光報(bào)警器。如圖7所示: 圖7 報(bào)警電路五、測(cè)試方案及預(yù)期結(jié)果由于玻璃破碎時(shí)產(chǎn)生的高頻聲音信號(hào)主要與玻璃厚度、材料有關(guān),而壓電傳感器接收的信號(hào)強(qiáng)弱與傳感器和玻璃之間的距離有關(guān)。另外,帶通濾波器的中心頻率和通帶范圍、靈敏度也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。故可設(shè)計(jì)如下測(cè)試方案:1.保持傳感器和玻璃之間距離不變,改變玻璃的厚度、材料,測(cè)試系統(tǒng)在各種靈敏度下能否報(bào)警;2.保持璃的厚度、材料不變,改變傳感器和玻璃之間距離,測(cè)試系統(tǒng)在各種靈敏度下能否報(bào)警;3.測(cè)試系統(tǒng)在其他信號(hào),例如:說(shuō)話(huà)聲、腳步聲、音樂(lè)聲下能否報(bào)