Створення простої лазерної системи охоронної сигналізації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Головне призначення охоронної системи (охоронної сигналізації) полягає в оперативному і гарантованому сповіщенні господарів або правоохоронних служб про несанкціоноване проникнення в приміщення, що охороняється. Вирішення даного завдання можливе тільки при грамотному оснащенні об'єкту охорони сучасними високонадійними технічними засобами охоронної сигналізації. [1]

Охоронна сигналізація може бути автономною - мета такої сигналізації відлякати зловмисників і оповістити сусідів із застосуванням могутніх сирен. Але найбільший ефект від охоронної сигналізації досягається при підключенні її на пульт позавідомчої охорони або на пульт централізованого спостереження приватного охоронного підприємства.

При використанні для передачі повідомлень тривоги GSM-систем можлива передача їх на стільникові телефони власників об'єкту, що охороняється. Системи охоронної сигналізації своєчасно оповістять про несанкціоноване проникнення на територію, що охороняється, і повідомлять про аварійні ситуації. Крім того, при проникненні всередину житла або офісу система може повідомити про тривогу телефонним дзвінком на вказаний заздалегідь номер. Для знімання інформації служать датчики (інфрачервоні і радіохвильові датчики руху, магнітні датчики відкриття дверей і вікон, акустичні датчики розбиття скла, датчики удару і т.д.), а базовим блоком - контрольні панелі, на які зводиться вся інформація від датчиків. Якщо є домашня тварина, датчики руху можна налаштувати так, щоб вони не реагували на його переміщення, але завжди надійно спрацьовували на появу людини. Правильно складена специфікація на сучасному комбінованому устаткуванні допоможе передбачити всі тривожні ситуації об'єкту, що охороняється. Система за допомогою спеціальних датчиків може відстежити протікання води і витік газу, і за заздалегідь введеною програмою віддати команду виконавчим пристроям комплексної системи управління і охорони на виконання тієї або іншої дії (перекрити кран, включити сирену і т.п.). Системи периметрової сигналізації беруть під охорону не тільки приміщення, але і прилеглу територію по периметру.

Цифрові комп'ютерні системи виводять на екран графічний план об'єкту, що охороняється, і стан кожного датчика. З комп'ютера можна також ставити систему на охорону і знімати з режиму охорони. Охоронна сигналізація в комплексі з системами теленагляду створять надійний щит від зловмисників і форс-мажорних ситуацій.

Системи будь-якої складності будуються на базі одних і тих же технічних пристроїв. При рішенні технічних завдань охорони в першу чергу необхідно вибрати основні параметри пристроїв, які забезпечать достатню надійність виконання покладених на них функцій. Системи охоронної сигналізації фіксують факт несанкціонованого доступу на територію, що охороняється, передають сигнал тривоги, наприклад, на пульт охорони і включають виконуючі пристрої. Системи охоронної сигналізації включають в себе: датчики, пульт-концентратор, виконуючі пристрої. [3]

Особливість датчиків для систем типу охоронна сигналізація полягає в тому, що вони реєструють, в основному, неелектричні величини. Вимірювання неелектричних величин - складне завдання і при цьому датчики повинні забезпечувати високу надійність і достовірність контролю. Датчик - чутливий елемент, що перетворює контрольований параметр в електричний сигнал. Надійність датчиків забезпечується, в основному, цифровими методами обробки сигналів. Датчики об'єднуються в зони. Під зоною розуміється один або декілька датчиків, що охороняють певний об'єкт або ділянку об'єкту.

Метою даного курсового проекту є розробка електричної схеми оптичної охоронної системи (охоронної сигналізації).



1. Аналіз сучасного стану питання у даній області техніки

Скільки століть існує людство, стільки часу і присутня проблема крадіжки чужого майна. У різні часи вона вирішувалася по-різному. Замки і охоронці, собаки і механічні пастки. Все йшло в справу, щоб уберегти своє майно. Але з настанням ери технічного прогресу майже повсюдно почали використовувати технічні засоби захисту. І насамперед - охоронну сигналізацію.

Охоронна сигналізація (ОС) - це електронний пристрій, який дозволить Вам завжди бути упевненим в безпеці Вашого будинку, офісу, квартири, складу, виробничого приміщення і т. д. Охоронна сигналізація розрахована на попередження несанкціонованого доступу в приміщення.

Як правило, вона складається з охоронної панелі (централі) - приладу, який збирає і аналізує інформацію, що поступила від охоронних датчиків. Ця ж охоронна централь виконує заздалегідь запрограмовані в ній функції, що виконуються при спрацюванні датчиків. Також до складу устаткування входить пульт управління, який відображує стан сигналізації, служить для її програмування і здійснює постановку і зняття з охорони. У мінімальний набір також необхідно включити джерело безперебійного живлення (ДБЖ), кабельну мережу і, звичайно ж, охоронні датчики.

Самі ж датчики бувають багатьох видів, залежно від того, на який чинник вони реагують. Найбільш поширені з них - об'ємні інфрачервоні (ІЧ-датчики), магнітоконтактні (геркони), акустичні, вібраційні, ультразвукові, променеві, ємнісні, а також датчики з направленою діаграмою виявлення.

Нерідко окрім охоронних функцій на сигналізацію додатково покладаються і функції контролю і моніторингу за різними технологічними параметрами.

Для цього охоронна сигналізація обладнується сервісними датчиками і пристроями. Ці датчики відстежують витоки води і газу, стежать за температурою в приміщенні або трубопроводі, вимірюють тиск і вологість, а також наявність напруги на об'єкті, що охороняється. Досягши заздалегідь визначених параметрів подається сигнал тривоги і (або) включається сервісний привід або механізм. Це можуть бути насоси, клапана, нагрівачі, зволожувачі, генератори і т. д.

Доповнивши ОС пожежними датчиками і запрограмувавши охоронну централь особливим чином, можна істотно заощадити. Отримана таким чином охоронно-пожежна сигналізація (ОПС) з успіхом захистить ваше житло не лише від крадіжки, але і від пожежі. Збитки, від якої, як правило, істотно більші.

Отже сучасна охоронна сигналізація може виконувати не лише охоронні функції, але і істотно полегшує життя, і економить бюджет. Особливо це відчувають власники заміських котеджів. Додаткових сервісних функцій для систем охоронної сигналізації безліч. [4]

Системи охоронної сигналізації можна умовно розділити на два типи, взявши за основу такий критерій, як спосіб сповіщення про тривогу:

Перший тип - автономна система охоронної сигналізації. У такій системі передбачений потужний сигнал тривоги - сирени, що реагують гранично гучним звуковим сигналом при вторгненні на територію приміщення, що охороняється. При цьому сигнал тривоги не передається ні на пост охорони, ні повідомляється власникові. Такі системи охоронної сигналізації є пасивними і діють на злочинця чисто психологічно. Хоча цього в більшості випадків буває досить.

Другий тип системи охоронної сигналізації - активний. Сигнал про проникнення на територію, що охороняється, поступає або на стаціонарний пост охорони, або спеціалізовану охоронну структуру, обладнану пультом, що збирає сигнали з декількох об'єктів, або хоч би власникові. Такі системи зазвичай називають «пультова система охоронної сигналізації». По всьому об'єкту, що охороняється, розташовані датчики, які передають сигнал тривоги на контрольну панель, а звідти сигнал поступає на охоронний пульт. Охоронна структура в найкоротші терміни зобов'язана прибути на територію, що охороняється, і присікти протиправні дії зловмисника. Тільки у системі пультової охорони є тривожна кнопка. Варто натискувати її, і сигнал тривоги тут же поступає на пульт управління. Ця кнопка в основному розрахована на захист від розбійних нападів і хуліганів. Є різні способи реалізації цієї «кнопки тривоги». Вона може знаходитися під столом співробітника, бути замаскованою під декоративну прикрасу або бути виконаною зовні як брелок для ключів або мобільного телефону. Так само в цьому типі систем охоронної сигналізації, можливо, здійснити захист від «входу під примусом». Це коли зловмисники спеціально караулять біля входу власника. Нападають на нього і примушують силоміць зняти з охорони сигналізацію. В цьому випадку господар вводить спеціальний код, який нібито знімає об'єкт з охорони. При цьому сигналізація дійсно як би відключається, але передає на пульт охорони повідомлення про проникнення.

Системи будь-якої складності будуються на базі одних і тих же технічних пристроїв. При рішенні технічних задач охорони в першу чергу необхідно вибрати основні параметри пристроїв, які забезпечать достатню надійність виконання покладених на них функцій. Система охоронної сигналізації фіксує факт несанкціонованого доступу на територію, що охороняється, передають сигнал тривоги, наприклад, на пульт охорони і включають виконуючі пристрої.

Система охоронної сигналізації включає в себе:

Ш датчики;

Ш пульт-концентратор;

Ш сирену.

Датчик - чутливий елемент, що перетворює контрольований параметр в електричний сигнал. Особливість датчиків для систем типу охоронна сигналізація полягає в тому, що вони реєструють, в основному, неелектричні величини. Вимірювання неелектричних величин - складне завдання і при цьому датчики повинні забезпечувати високу надійність і достовірність контролю. Надійність датчиків забезпечується, в основному, цифровими методами обробки сигналів. Датчики об'єднуються в зони. Під зоною розуміється один або декілька датчиків, що охороняють певний об'єкт або ділянку об'єкту.[3]

У системах типу охоронна сигналізація використовуються датчики наступних типів:

· пасивні інфрачервоні датчики руху;

· датчики розбиття скла;

· активні інфрачервоні датчики руху і присутності;

· фотоелектричні датчики;

· мікрохвильові датчики;

· ультразвукові датчики;

· датчики температури;

· датчики наявності пари і газів;

Активні інфрачервоні датчики руху спрацьовують при попаданні об'єкту в поле випромінювання лазера чи лазерного діода. Датчики відрізняються, в основному, формою зони чутливості і стійкістю до помилкових спрацьовувань. В технічному описі датчиків руху приводяться діаграми, які наочно демонструють зони чутливості датчиків руху. Відповідно до розташування датчика руху і особливостей плану приміщення змінити діаграму можна використовуючи прикладені до датчика руху змінні лінзи Френеля або накладки, які перекривають частину чутливого елемента датчика руху. Недолік найпростіших і дешевих датчиків в тому, що вони спрацьовують при певній швидкості зміни теплового потоку. Досконаліші (і більш дорогі) датчики руху не мають цих недоліків. Їх надійність і стійкість до теплових перешкод забезпечується багатоканальними чутливими головками і складною обробкою сигналу в самому датчику руху. В простих моделях обробка сигналів проводиться аналоговими методами, а в складніших - цифровими, наприклад, за допомогою вбудованого процесора.

Повністю програмовані цифрові датчики руху перетворюють, посилюють і обробляють сигнал від PIR-сенсорів в цифровому вигляді (немає аналогових ланцюгів, що виключає наявність шуму і втрати сигналу). Датчики руху відрізняються, в основному, формою зони чутливості і стійкістю до помилкових спрацьовувань. [2]

Останнім часом, з розвитком технологій, для передачі сигналу тривоги також використовують Інтернет. Знаючи ці особливості, багато охоронних фірм пропонують дублювання каналів зв'язку. Це здорожує систему, але безпека, як і мистецтво, вимагає жертв. Вибір все одно залишається за користувачами.

охоронний сигналізація оптичний датчик



2. Розробка схеми електричної структурної

Даний пристрій охоронної сигналізації складається із чотирьох структурних блоків:

- фотоприймач;

- пороговий пристрій;

- генератор;

- блок звукової сигналізації.

Розглянемо кожен структурний блок окремо.

Фотоприймач приймає інфрачервоне випромінювання і перетворює в електричний сигнал. У фотоприймачах використовують фоточутливі елементи, як правило фоторезистори, фотодіоди та фототранзистори певного чуттєвого діапазону.

Фоторезистор - оптоелектронний напівпровідниковий приймач випромінювання, принцип дії якого оснований на використанні ефекту фотопровідності. Іншими словами, фоторезистор являє собою опір, значення якого змінюється під впливом оптичного випромінювання. Для виготовлення фоторезисторів використовують напівпровідники з одним типом провідності, зазвичай електронним. Основними недоліками фоторезисторів є значна інерційність, нелінійність люкс-амперної характеристики, залежність опору від температури..

Фотодіод - фотоприймач, фоточутливий елемент якого має структуру напівпровідникового діода. При освітленні p-n переходу у ньому виникають електронно-діркові пари, які розділяються внутрішнім електричним полем переходу. Різноманітність матеріалів, топологій, принципів формування діодних характеристик р-n, р-i-n, МДН- структур дозволяє вирішувати різноманітні функціональні завдання на рівні фотоелектричного перетворення.

Серед фотодіодних приймачів найбільший інтерес представляють структури з максимальною швидкодією (р-i-n - діоди, діоди з бар'єром Шотткі, гетеродіоди) та з максимальною добротністю (лавинні фотодіоди (ЛФД). Крім ЛФД до перспективних високошвидкісних та високодобротних фотоприймачів можна віднести польові транзистори з бар'єром Шотткі, польові гетероперехідні транзистори та біполярні гетерофототранзистори на матеріалах А^ШВ^V, у першу чергу на напівізольованому GaAs та системі AlGaAs/GaAs.

Фотодіоди можуть працювати у двох режимах: фотодіодному та вентильному. При цьому треба зазначити, що у фотодіодному режимі фотодіод має більшу інтегральну чутливість, а у вентильному - мінімальний темновий струм, а значить, підвищену температурну стабільність.

Враховуючи більш широкі варіанти використання фотодіодів і більш широкі функціональні можливості, що відкриваються при цьому, в розроблюваному пристрої фотоприймач будемо будувати з використанням фотодіода.

Сигнал з виходу фотоприймача надходить на пороговий пристрій, що використовується для порівняння вихідного сигналу фотоприймача з певним значенням - порогом, який визначає момент спрацюваня пристрою. Пороговий пристрій це елемент порівняння, який широко використовується в системах контролю та автоматичного керування. Прикладами порогового пристрою є компаратор та тригер Шмітта.

Компаратори відносяться до елементів імпульсної техніки. Компаратор, порівнює вимірювану напругу , яка подається на один із входів (переважно на інвертуючий), із опорною напругою (наперед заданою) Uоп, яка подана на інший вхід. Опорна напруга є незмінною в часі, додатньої чи від'ємної полярності, а вхідна напруга - змінюється. Коли вихідна напруга змінює свій знак на протилежний (з  на  чи навпаки). Тому компаратор має також назву «нуль-орган», оскільки зміна полярності вихідної напруги (перемикання) відбувається за умови, що



,

де  - задана напруга.

Тригер Шмітта -- електронна модель двохпозиційного релейного елемента, статична характеристика якого має зону неоднозначності (петлю гістерезиса). Структурно, тригер Шмітта являє собою підсилювач з досить великим коефіцієнтом посилення, охоплений глибоким позитивним зворотним зв'язком.

Тригер Шмітта використовується для відновлення цифрового сигналу, спотвореного у лініях зв'язку, фільтрах брязкоту як двохпозиційного регулятора в системах автоматитичного регулювання. Цей тригер стоїть окремо в сімействі тригерів: він має один аналоговий вхід і один вихід [2] .

Рисунок 2.1 - Петля гістерезису та напруга спрацювання тригера

Передавальна характеристика тригера Шмітта являє собою прямокутну петлю гістерезису, яка зображена на рис. 2.1.. Неоднозначність передавальної характеристики забезпечує гарну його завадо захищеність та відсутність хибних спрацювань при незначних коливаннях вхідного сигналу [2].

Вихідний сигнал порогового пристрою, який змінює своє значення при досягненні вихідного сигналу фотоприймача певного значення, вмикає генератор. Генератор - це спеціальний елемент цифрових пристроїв, який призначений для формування послідовності електричних сигналів різноманітної форми. У загальному випадку генератор являє собою підсилювальний каскад, охоплений позитивним зворотнім звґязком. Генератори прямокутних імпульсів можуть працювати в автоколивальному, очікувальному та синхронізованому режимах. В автоколивальному режимі генератор виробляє послідовність імпульсів прямокутної форми, що не затухають і повторюються періодично. Такий генератор називається «автогенератором». Термін «автогенератор» означає, що він генерує імпульси без будь-якого запуску зовні і не має стійких станів рівноваги.

В очікувальному режимі генератор має один стійкий стан рівноваги і один квазістійкий стан рівноваги. При впливі імпульсу, що запускає, у цьому режимі генератор формує один прямокутний імпульс, після чого повертається в стан стійкої рівноваги.

У режимі синхронізації на генератор діє зовнішня періодична напруга. При цьому частота періодичної послідовності прямокутних імпульсів, які формуються генератором, дорівнює або у ціле число разів менша за частоту синхронізуючої напруги. При відсутності синхронізуючої напруги генератор продовжує працювати в автоколивальному режимі [1].

У розроблюваному пристрої генератор забезпечує формування змінного електричного сигналу, що керує формуванням звукового сигналу - сигналу тривоги. Оскільки найпростіше реалізується генерація змінного сигналу у вигляді прямокутних імпульсів, саме такий генератор будемо використовувати у пристрої охоронної сигналізації.

Блок звукової сигналізації перетворює імпульси напруги у звуковий сигнал у спектральному діапазоні чутливості людського вуха. Цей блок повинен складатися з підсилювального каскаду та елемента, у якому безпосередньо перетворюється енергія електричних коливань в енергію акустичних коливань.



3. Розробка схеми електричної принципової

3.1 Аналіз можливої реалізації структурних блоків

У відповідності до розробленої структурної схеми, розглянемо та проаналізуємо різні варіанти схемо технічної реалізації основних структурних блоків пристрою охоронної сигналізації. Аналіз розпочнемо з огляду можливих методів реалізації фотоприймача.

Рисунок 3.1 - Схема фотодіода з операційним підсилювачем

На рисунку 3.1 зображена схема, в якій фотодіод використовується у фотодіодному режимі. В цій схемі операційний підсилювач працює як перетворювач струм-напруга, і тому напруга на його виході є пропорційною струму фотодіода І_Ф:

(3.1)

де - струм фотодіода.

Змінюючи опір резистора R1 можна отримати необхідний рівень вихідного сигналу практично для будь-якого значення вхідного оптичного сигналу. Схема характеризується високою чутливістю та малим вхідним опором, значення якого визначається виразом:



, (3.2)

де К - коефіцієнт підсилення підсилювача.

Додатковою перевагою схеми є низька чутливість до темнового струму, що підвищує температурну стабільність перетворювача. Крім того, у вихідній напрузі відсутня постійна складова, обумовлена темновим струмом.

У схемі на рис. 3.2 фотодіод використовується у вентильному режимі як генератор струму, значення якого є прямопропорційним інтенсивності оптичного випромінювання (фотодіод працює в режимі короткого замикання).

Рисунок 3.2 - Схема фотоприймального пристрою з вентильним включенням фотодіода

Вихідна напруга у цій схемі визначається виразом:

(3.3)

Перевагою схеми є її нечутливість до температури, лінійність енергетичної характеристики та висока швидкодія.

Схема, яка наведена на рисунку 3.3 також використовує вентильний режим роботи фотодіода. Вона може бути використана у тих випадках, коли інтенсивність вхідного сигналу може змінюватися у широких межах, оскільки вона характеризується найбільшою чутливістю. Окрім того, чутливість схеми можна регулювати вибором значення опору резистора .

Рисунок 3.3 - Схема фото приймального пристрою з вентильним включенням фотодіода

Оскільки у розроблюваному пристрої до фотоприймача не предґявляються будь-які особливі вимоги, а найбільш простим варіантом є схема на рис. 3.1, саме її будемо використовувати у даній розробці.

Рисунок 3.4 - Тригер Шмітта: а - неінвертуючий; б - інвертуючий



У якості порогового пристрою у нашій схемі буде використовуватись тригер Шмітта. Найбільш доцільним з точки зору мінімізації апаратних витрат та простоти реалізації є варіанти тригера Шмітта на операційному підсилювачі, які зображені на рис. 3.4.

Ширина петлі гістерезису, яка дорівнює різниці між пороговими напругами для схеми, що зображена на рисунку 3.4 (а):

U_п=U_м , (3.4)

а для схеми рисунку 3.4 (б):

U_п=U_м . (3.5)

На вибір варіанту схеми тригера Шмітта впливає те, яким рівнем вихідної напруги - високим чи низьким, буде запускатися генератора, тобто варіант схеми генератора. Тому, яку з двох схем, що зображені на рис. 3.4 будемо використовувати у схемі пристрою охоронної сигналізації, вирішимо після вибору варіанту реалізації генератора.

На сьогоднішній день існує багато видів генераторів, наприклад на тунельних діодах, логічних елементах, генератори LC та RC-типу, мультивібратори та одновібратори.

На рисунку 3.5 зображено генератор на тунельному діоді. Він завдяки широкому частотному діапазону, малій споживчій потужності та високій температурній стабільності є найбільш перспективним приладом для побудови мініатюрних, високостабільних та широкодіапазонних автогенераторів. Недоліками генераторів на тунельних діодах є мала вихідна потужність та деяка нестабільність роботи через розкид параметрів сучасних тунельних діодів. Найбільш повно переваги тунельного діода вдається використати в генераторах НВЧ діапазону, особливо на частотах більше 1ГГц, де через неможливість використання транзисторів доводилось використовувати складні, громіздкі та неекономічні генератори на клістронах, різних лампах. Сучасні тунельні діоди дозволяють генерувати електричні коливання з частотами 100 ГГц.

Рисунок 3.5 - Схема генератора на тунельному діоді

Використання тунельного діода в схемах генераторів пояснюється тим,що за допомогою від'ємного опору тунельного діода можна компенсувати втрати в коливальному контурі та отримати в ньому незагасні коливання. Тому робочою ділянкою вольт-амперної характеристики тунельного діода є її ділянка спаду. Ширина ділянки спаду характеристики тунельного діода на практиці не перевищує декількох десятків мілівольт. Тому амплітуда генерованих коливань в генераторі на тунельному діоді буде невеликою.

Далі розглянемо генератори на логічних елементах. В них активним електронним елементом є логічний елемент, за його допомогою відбувається зміна відповідного сигналу. Приклад такого генератор наведений на рис. 3.6.

Нехай у деякий момент часу t₀ коли вмикається напруга живлення, на виході генератора діє напруга низького логічного рівня. Через час t_з ця напруга буде діяти на вході елемента І-НІ. Внаслідок цього у момент часу t₀ + t_з +t_з.р.сер (t_з.р.сер - середній час затримки розповсюдження сигналу крізь логічний елемент) вихідна напруга елемента прийме значення логічної одиниці. Через час t_з після цього напруга високого логічного рівня з'явиться на вході логічного елемента (на виході генератора) періодично змінюється з одного рівня на інший. Якщо на другий вхід логічного елемента подати напругу низького логічного рівня, то генерація припиниться.

Рисунок 3.6 - Схема генератора на логічних елементах

Також можна розглянути генератори RC-типу. Використання генераторів з коливальними контурами для генерування коливань з частотами 15-20 кГц недоцільно через громісткість контурів. В теперішній час для вирішення таких задач широко використовуються такі генератори в яких замість коливального контуру використовуються вибіркові RC-фільтри. Генератори даного типу можуть генерувати досить стабільні синусоїдальні коливання в широкому діапазоні частот від долі Гц до сотень кГц та мають малі габарити та масу. Найбільш повні переваги генераторів даного типу реалізуються в діапазоні низьких частот.

Даний генератор складається з резистивного підсилювача і фазозсувного кола. Підсилювач реалізується як звичайний аперіодичний підсилювач. Для самозбудження підсилювача ( для перетворення початкових коливань в незгасні) необхідно на вхід підсилювача подати частину вхідної напруги, яка перевищує чи дорівнює величині вхідної напруги за величиною та збігається з нею з фазою. При безпосередньому з'єднанні виходу підсилювача з його входом відбувається самозбудження, але форма генерованих коливань буде різко відрізнятися від синусоїдальної, оскільки умови самозбудження будуть одночасно виконуватись для коливань багатьох частот. Для отримання синусоїдальних коливань необхідно, щоб ці умови виконувались лише на одній відповідній частоті та різко порушувались на інших частотах. Ця задача вирішується за допомогою фазообертального кола, що має декілька RC кіл та використовується для зміни фази вихідної напруги підсилювача на 180⁰. генератори з фазообертальними колами використовуються для генерації синусоїдальних коливань фіксованої частоти.

На рисунку 3.7 зображений RC-генератор на транзисторі.

Рисунок 3.7 -RС-генератор на транзисторі

Не дивлячись на простоту схеми даний генератор знаходить обмежене застосування в практичних пристроях. Це пов'язано з тим, що коефіцієнт нелінійного спотворення вихідної напруги може досягати 10%, а стабільність частоти недостатня [6].

Ще одним з варіантів генераторів прямокутних імпульсів є схема на операційному підсилювачі (рис. 3.8 а). Він складається з інвертуючого тригера Шмітта, охопленого від'ємним зворотнім зв'язком за допомогою інтегруючого RC-кола.

Коли напруга U_c досягає порогу спрацювання тригера Шмітта, схема перемикається та її вихідна напруга стрибком приймає протилежне значення. При цьому конденсатор починає перезаряджатись в протилежному напрямі, поки його напруга не досягне іншого порогу спрацювання. Схема перемикається у початковий стан, як показано на рисунку 3.8 (б).

Рисунок 3.8 - Автоколивальний мультивібратор: а - схема мультивібратора; б - часова діаграма його роботи

Аналіз схеми мультивібратора дозволяє записати диференціальне рівняння:

(3.6)

При початкових умовах U_c(0)=-U_п рішення даного рівняння має вигляд:

t₁ = RCln[1 + 2R₁/R₂] (3.7)

Період коливань мультивібратора, таким чином, дорівнює:

T = 2t₁ = 2RCln[1 + 2R₁/R₂] (3.8)

Як видно з останньої формули, період коливань мультивібратора не залежить від напруги U_м, яка в свою чергу визначається напругою живлення U_жив. Тому частота коливань мультивібратора на операційному підсилювачі мало залежить від напруги живлення.

Оскільки попередньо розглянуті блоки структурної схеми будуть реалізовані на операційних підсилювачах, вибираємо схему генератора на операційному підсилювачі.

Як видно з цієї схеми, вона забезпечує формування імпульсного сигналу за умови, що на лівій обкладинці конденсатора С присутня напруга нульового значення. З врахуванням того, що генерація повинна відбуватися коли переривається потрапляння світлового випромінювання на фотоприймач, тобто коли напруга на його виході має низький рівень, як схетотехнічний варіант тригера Шмітта вибираємо неінверуючу схему, що зображена на рис. 3.4.

Як було зазначено у Розділі 2 блок звукової сигналізації повинен містити підсилювальний каскад та елемент, в якому здійснюється перетворення електричного сигналу в звуковий. Типовим варіантом реалізації блоку звукової сигналізації є схема, що зображена на рис. 3.9.

Рисунок 3.9 - Схема звукової сигналізації



3.2 Розробка схеми електричної принципової

На основі результатів попереднього підрозділу синтезуємо загальну схему пристрою (Додаток В ). Фотоприймач побудований на фотодіоді VD1 та операційному підсилювачі DA1. Сигнал з виходу операційного підсилювача DA1 надходить на вхід порогового пристрою, що реалізований за неінвертуючою схемою тригера Шмітта на операційному підсилювачі DA3.

Тригер Шмітта керує роботою автогенератора прямокутних імпульсів на операційному підсилювачі DA2. Імпульсний сигнал з виходу елемента DA2 потрапляє на підсилювальний каскад на транзисторі VT1, що працює в імпульсному режимі.

Для забезпечення роботи охоронної сигналізації для виявлення порушників використовується промінь лазера або інше джерело світла, випромінювання якого потрапляє фотодіод VD1. У напруга на виході операційного підсилювача DA1 має високий рівень. При значенні цієї напруги більшому, за значення порогової напруги перемикання тригера Шмітта у стан логічної одиниці, напруга на виході DA3 має високий рівень. У результаті робота генератора на підсилювачі DA2 заблокована. Електричні імпульси не формуються і звуковий сигнал не генерується.

При перериванні світлового потоку струм фотодіода VD1 зменшується до нульового значення і напруга на виході елемента DA1 приймає значення низького рівня. Якщо при цьому значення напруги на виході DA1 є меншим за порогову напругу перемикання тригера Шмітта у стан низького значення його вихідної напруги, напруга на виході підсилювача DA3 приймає нульове значення. Це створює умову, при якій генератор на підсилювачі DA2 переходить в автоколивальний режим генерації прямокутного імпульсного сигналу.

Сгенеровані генератором імпульси підсилюються імпульсним підсилювачем на транзисторі VT1, забезпечуючи періодичні зміни значення струму в обмотці динаміка BQ1. У результаті відбувається формування звукового сигналу тривоги.

3.3 Вибір елементної бази та розрахунок параметрів елементів схеми

Вибір елементної бази розпочнемо з вибору фотодіода. Основним критерієм вибору фотодіода є висока чутливість в інфрачервоному спектрі, крім того фотодіод по можливості має бути компактним. Цим критеріям задовольняє фотодіод BPW41N, який має такі параметри:

Темновий струм (It) 30.0нА

Робоча температура 25(-,+)10С

Діапазон спектральної чутливості 870-1050нм

Довжина хвилі максимальної чутливості 950нм

Наступним елементом. Який ми будемо обирати буде операційний підсилювач. Основним критерієм при виборі операційного підсилювача є уніполярна напруга живлення, що допускає використання однієї зі стандартних напруг на блоці живлення. Цим критеріям задовольняє операційний підсилювач AD8031, основними характеристиками якого є:

Напруга живлення від +2.7В до +12В

Струм споживання 800мкА

Вхідна напруга зміщення ± 1В

Коефіцієнт підсилення при розімкненому колі зворотного зв'язку 80

Гранична частота 80МГц

Далі будемо обирати динамік. Критеріями вибору будуть висока гучність при малих габаритних розмірах. Таким критеріям відповідає динамік 40ГДН-10. Його характеристики зображені нижче:

Номінальний електричний опір 40Ом

Потужність 2Вт

Ефективний робочий діапазон частот 40 - 5000Гц

Нерівномірність 14Дб

Наступним елементом є транзистор. Основними критеріями вибору якого є те, що максимальний струм колектора не повинен бути менший за робочий струм динаміка. Максимально допустима напруга колектор-емітер не має бути меншою за робочу напругу динаміка, частотний діапазон повинен відповідати частотному діапазону динаміка. Цим критеріям задовольняє транзистор ВС817. Характеристики якого:

Максимально дозволений струм колектора 0.5А

Статичний коефіцієнт передачі струму h₂₁ 150

Діапазон робочих температур -65 - 150С

Гранична частота коефіцієнта передачі струму 100

Після вибору активних компонентів, розрахуємо номінали пасивних. Розрахунок почнемо з визначення опорів R6 та R8, які задають значення верхньої порогової напруги тригера Шмітта:

U_пор.в.= (3.9)

Вєрхнє значення порогової напруги виберемо рівне U_пор.в=4(В). Значення опору резистора R8 приймаємо рівним 1(КОм). Напругу живлення вибираємо у відповідності до робочої напруги динаміка. Робочу напругу динаміка визначимо використовуючи значення потужності та опору:

U= (3.10)

U=

U?9(В)

Отже, напруга живлення Е_ж=9В. Звиразу (3.9) знаходимо R6:

R6= (3.11)



R6=2.25-1;

R6=1.25(КОм)

Вибираємо найближче стандартнее значення опору з ряду резисторів: R6=1.2(КОм).

Далі розраховуємо опори в колі зворотнього зв'язку операційного підсилювача DA3. Розрахунок проведемо виходячи з потрібного значення нижньої порогової напруги ширини гістерезису, яка визначається виразом:

U_пор.н= (3.12)

Приймаємо U_пор.н=2(В), а R5=1(КОм). Обрахуємо R9:

R9= (3.13)

R9=3.5 (КОм)

Вибираємо найближче стандартнее значення опору з ряду резисторів: R9=3.6(КОм).

Щоб обрахувати значення резистора R1 визначимо значення вихідної напруги. Обраховуємо у відповідності до формули (3.1). Значення резистора R1 розраховуємо за умови, що при освітленні фотодіода напруга на вході тригера Шматті є більшою за верхнє порогове значення, тобто більше за 4(В). За ват-амперною характеристикою фотодіода BPW41N визначимо, що типовому значенню оптичної потужності випромінювання лазерного діода відповідає значення струму 20(мА). Тоді з виразу (3.1) отримаємо:

R1> (3.14)

R1>;

R1>200(КОм)

Остаточно обираємо опір резистора R1=270(КОм). Вибране значення R1 повинне задовольняти умовам:

(3.15)

Де I_т - темновий струм фотодіода (I_т=30нА). Отримаємо:

51*10^-4<2В

Умова виконуэться, отже, резистор обраний правильно.

Тепер обрахуємо ємність конденсатора на вході в автоколивальний мультивібратор. Його ємність можна обрахувати виходячи з формули (3.8). Візьмемо за відомі, значення опору резисторів R3=1(Ком) та R4=1(КОм), R2=20(КОм). Також приймемо до уваги період коливань мультивібратора:

T= (3.16)

Де, f - власна частота коливань мультивібратора. Маючи ці данні, обрахуємо ємність конденсатора за формулою (3.8):

T=2*R*C*ln3

=2*20*C*1.01

C=3(мкФ)

Залишилось обрахувати ємність резистора R7, який обмежує базовий струм транзистора VT1, його опір визначається з виразу:

R7=

Де: U_в- напруга високого рівня DA2, (U_в=E_ж=9В );

U_б-е -напруга між базою та емітером транзистора, (U_б-е=1.1В);

h₂₁ - коефіцієнт підсилення струму бази, (h₂₁=150)

I_к - колекторний струм транзистора, який дорівнює струму динаміка.

I_к= (3.18)

I_к=

Маючи ці данні, обрахуємо опір резистора R8:

R7=

R7=5.9 (КОм)

Вибираємо найближче стандартне значення опору з ряду резисторів: R7=5.9(КОм). Для цього резистора воно співпадає.

Отже, остаточні значення опорів резисторів та ємності конденсатора для нашої схеми будуть такими:

R6=1.2(КОм);

R9=3.6(КОм);

R1=270(КОм);

R7=5.9 (КОм);

C=3(мкФ).



Висновки

В даному курсовому проекті було висвітлено питання створення простої лазерної системи охоронної сигналізації. Розглянуто особливості побудови та використання даних датчиків. Відібрані різні види та принципи будови даних систем, з них вибрані ті, які є найбільш придатні по ряду головних критеріїв. Опрацьовані переваги та недоліки кожної з них. Розроблено схему електрично-принципову з урахуванням різних варіантів побудови кожного із структурних блоків. Здійснено вибір блоків в залежності від декількох ключових факторів. Вибрано елементну базу та розраховано параметри елементів схеми.

Пристрій є зручним в експлуатації, живиться від стандартної мережі та містить мінімум елементів, що забезпечує його надійність та універсальність.

Розроблений пристрій дозволяє виявити несанкціоноване проникнення в приміщення, що охороняється. Проникнення попереджається потужним звуковим сигналом 2 кГц. Напруга живлення пристрою - 9 В.

Размещено на Allbest.ru