壓電式玻璃破碎報警器設(shè)計說明書_第1頁
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1、壓電式玻璃破碎報警器(說明書學院:XXXXXXXXX班級:XXXXXXXXX姓名:XXXXXXXX學號:XXXXXXXXXXXX2012年05月01日一、選題的意義在很多安全場合,比如文物防盜、博物館防盜和重要機密或重要文件保存,都需要設(shè)置玻璃破碎報警器來保證其安全。目前采用最多的就是壓電式玻璃破碎報警器,它具有使用頻帶寬、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、質(zhì)量輕、測量范圍廣等許多優(yōu)點。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、變形時將會在其表面產(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重

2、要特點:只能用于測量動態(tài)變化的信號,高頻響應(yīng)較好。玻璃破碎時會產(chǎn)生10k15k的高頻聲音信號,該信號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玻璃破碎信號進行有效檢測,并對10kHz以下的聲音有較強的抑制作用,從而檢測玻璃是否發(fā)生破碎。玻璃破碎聲發(fā)射頻率的高低、強度的大小同玻璃的厚度、材料有關(guān)。使用石英玻璃在25、濕度25%時的破碎頻率為12kHz。三、方案論證在玻璃附近安裝壓電傳感器,當壓電元件表面因玻璃破碎產(chǎn)生的高頻聲音信號而受振動時,壓電傳感器就會產(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。壓電傳感器產(chǎn)生的是交流信號,需經(jīng)過交直流變換變成直流

3、信號后才能送入比較器。比較器產(chǎn)生標準的下降電壓引起單片機中斷執(zhí)行顯示、報警操作。系統(tǒng)總體框圖如下: 圖1 系統(tǒng)總體框圖四、硬件設(shè)計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電壓源,如圖所示: 圖2 壓電傳感器等效電路Ca 為壓電傳感器等效電容、Ra 為傳感器漏電阻,Cc 為電纜電容,Ri 是后級電路的輸入阻抗,Ci 是其輸入電容,R=Ra/Ri 。若壓電元件受正弦力f = Fmsin t 的作用時,經(jīng)計算前置放大器輸入電壓Ui 的幅值為:令0=1/R (Ca + Cc + Ci ,當 /0>3 時,可認為Uim 與無關(guān)。利用壓電傳感器可檢測玻璃破碎產(chǎn)生信號的強弱。2

4、、前置放大電路壓電傳感器輸出電壓信號很微弱,通常只有幾十毫伏,而且壓電傳感器輸出阻抗很高。為達到阻抗匹配和信號放大的作用,選用低噪聲、高輸入阻抗的儀表放大器AD620作為前(122i c a m im C C C R R dF U +=置放大器對信號進行放大。AD620放大增益可通過電位器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)生的聲音信號頻率一般為10k15k ,為減少誤報,信號經(jīng)放大后, 需經(jīng)帶通濾波器進行濾波, 要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小, 而帶外衰減要盡量大。采用二階壓控電壓源帶通濾波電路,如圖4所示??捎稍O(shè)計手冊根據(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經(jīng)輸入調(diào)理電路后是一串被放大了的脈沖波,但是進入比較器的信號必須是直流電壓。采用AD736進行交直流變換,有比較成熟的電路。其輸入信號是有效值,最大為200mV。比較輸出是單片機能否正常顯示、報警的關(guān)鍵,電路

6、中采用LM393進行電壓比較。其工作原理如下:輸入信號與參考電壓Ref進行比較,當輸入信號小于Ref時,比較器輸出標準的+5V電壓;當輸入信號大于Ref時,比較器輸出低電平。從AD736出來的直流電壓是隨傳感器的信號變化的,每當有聲音振動信號時,從比較器出來的電壓會形成一個標準的下降沿電壓,觸發(fā)單片機中斷。電路如圖5所示: 圖5 交直流變換與比較輸出電路5、靈敏度調(diào)節(jié)電路 圖6 靈敏度調(diào)節(jié)電路6、顯示及報警電路利用PNP 三極管的輸出特性,將基極通過R1 接在P1.2 腳,發(fā)射極通過二極管接蜂鳴器。當P1.2輸出高電平時,三極管發(fā)射結(jié)截止,蜂鳴器不響。當P1.2 輸出低電平時,三極管工作在放大

7、狀態(tài),蜂鳴器會發(fā)出響聲,同時發(fā)光二極管發(fā)出紅光,實現(xiàn)報警。在實際應(yīng)用中可采用單片機控制繼電器的關(guān)斷,從而接通聲光報警器。如圖7所示: 圖7 報警電路五、測試方案及預(yù)期結(jié)果由于玻璃破碎時產(chǎn)生的高頻聲音信號主要與玻璃厚度、材料有關(guān),而壓電傳感器接收的信號強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)實際情況進行調(diào)整。故可設(shè)計如下測試方案:1.保持傳感器和玻璃之間距離不變,改變玻璃的厚度、材料,測試系統(tǒng)在各種靈敏度下能否報警;2.保持璃的厚度、材料不變,改變傳感器和玻璃之間距離,測試系統(tǒng)在各種靈敏度下能否報警;3.測試系統(tǒng)在其他信號,例如:說話聲、腳步聲、音樂聲下能否報

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