流速仪自动化过河缆道防盗报警系统研制

2015-12-22孙佳秀董学阳朱德龙

科技视界 2015年23期

孙佳秀董学阳庞进朱德龙

（黄河水利委员会山东水文水资源局，山东济南 250100）

0 概述

在水文测验工作中，流速仪自动化过河缆道设备已经广泛投产使用。在设备主控机房和变频绞车机房内安有计算机、控制柜、电动绞车、电力及通信电缆等重要水文测验设施设备，但在原设计中无防盗报警系统，同时，机房与水文站院相距较远，存在重大安全隐患，为了便于监视这些重要水文测量设施设备，防止盗窃和破坏，保证安全生产和财产不受损失，研制有效的防盗报警系统是十分必要的。

1 基本要求

红外线防盗报警器是当前使用比较普遍的报警器之一，它以其灵敏度高、价格实惠受到了广大用户的欢迎。但是使用每一种红外线传感器都有其不足之处，如抗干扰能力弱、误报漏报现象严重等。为了能够提高红外报警装置的工作可靠性，满足实际生产、生活的需要，设计基于热释电红外检测方式设计一个红外防盗报警系统，要求实现的功能有：（1）开机后延时1 分钟开启报警系统；（2）具有足够的响应灵敏度，可以识别外界持续噪声干扰；（3）当监控过程中有人进入红外探头的扫描范围时，警示灯亮起，发声电路发出报警声；（4）当人离开时，一段时间后自动停止报警；（5）当工作人员需要进入机房时可以使用配备的遥控器使防盗器进入开机延时状态，可以在这段时间内进入房间关闭防盗报警器电源。

2 方案设计

2.1 总体方案设计

红外报警系统的信息采集单元必须能够灵敏的感应到其检测范围内的红外线强度的变化，将红外线强度的变化转换成电压值的变化，信号处理单元将电压信号放大并传输到控制单元，控制单元被触发，驱动发声电路以及继电器，从而达到报警目的。然后在控制单元添加遥控接收电路，以便于用户在进入报警系统的检测范围内前关闭报警声音电路。

2.2 红外检测单元设计

本系统采用RE200B 热释电红外传感器，用于采集红外线信号。以集成电路CS9803GP 为核心，辅以少量的外围元件构成信息处理单元，当探头检测到环境中有红外信息变化时，芯片的第11 脚由低电平变为高电平，输出保持高电平的时间可通过与第8 脚所连的电位器调节。第9 脚可接光敏电阻，用于在光线强的时候屏蔽芯片第11脚的信号输出。

2.3 开关控制单元设计

开关控制单元使用集电极电流较大的三极管8050 来放大CS9803GP 输出的电流，用以驱动继电器，实现开关作用。电路中使用二极管IN4001 作为续流二极管，避免三极管被击穿。

2.4 电机驱动单元设计

由于流速仪自动化过河缆道所要求监视的范围较广，要求系统在工作时，电机带动红外探头能够在一定的角度范围内做往返运动，也就需要一个可以控制直流电机进行正反转的电路。图1 所示的是一个H 桥电路，电路中Q1、Q4 的基极的分别是两个控制信号输入端，当两个输入端的输入信号都为低电平时，所有三极管都截止，电机停止转动；当Q1 基极为高电平，Q4 输入端为低电平时，Q1、Q3、Q6 导通，Q2、Q4、Q5 截止，电流从电机的A 端流向B 端，此时电机向某一个方向转动；当Q1 基极为低电平，Q4 为高电平时，Q1、Q3、Q6 截止、Q2、Q4、Q5 导通，电流从电机的B 端流向A 端，电机向另一个方向转动。由H 桥的特点可知，为了能够使电机自动地周期性转换方向，需要有一个装置能够向H 桥的两个输入端提供驱动信号。因此本设计中运用了NE556 构成控制信号发生电路，如图2所示。NE556 中集成了2 个555 时基电路，本电路中其中一个时基电路用于构成频率为0.5Hz 的方波振荡器，改变C4 可以调节其振荡频率，改变R10、R12 可调节波形信号占空比，频率和占空比的计算公式：T=0.693（R9+R10+R11+R12）C4；t1=0.693 (R9+R10)C4;t2=0.693(R11+R12)C4。[6]波形由芯片第9 脚输出，用于控制电机在顺时针和逆时针方向转动的时间长短。另一个时基电路用于构成一个频率为0.01Hz 的无稳态振荡器，改变C1 可以调节振荡频率，改变R7、R8 可调节波形信号占空比，由第5 脚输出，用于控制0.5Hz 方波的输出时间长短和间隔时间长短，使驱动信号发生电路间歇性地向H 桥提供一段时间的驱动信号，输出波形信号的时序图如图3 所示。

2.5 遥控单元设计

遥控单元分为发射电路与接收电路两部分，发射电路采用NE555时基电路为核心构成无稳态振荡电路，产生脉冲信号，驱动红外发射二极管。红外接收器采用集成红外接收头SFH506-38，因该接收头能响应较宽频率范围的红外光，所以为了提高报警装置的安全级别，本设计在红外接收电路中采用锁相环音频译码电路LM567 构成选频电路，即接收电路只响应某一频率带宽内的红外光。在使用中可以设置发射电路输出的脉冲频率等于接收端的内部振荡频率，这样只有使用此遥控器才可控制本报警系统。

2.6 延时电路设计

采用555 时基电路构成开机延时电路，在接通电源瞬间，由于C1上的电压不能突变，可视为短路，此时555 复位，芯片的第三脚输出低电平，此时Q3 截止，Q5 导通，发光二极管发光。同时C1 开始充电，当充到三分之一电源电压的时候，555 被置位，第3 脚输出高电平，Q3 导通，Q5 截止，LED 熄灭。报警发声电路处于待机状态，开机延迟时间T=1.1R3C1。遥控电路通过Q1 控制延时电路电源的通断，如图4 所示。

2.7 电源单元设计

为了使电机的运行不影响其它单元的正常工作，本设计给电机驱动单元单独供电，为了适应不同功率的电机，电机电源采用可调稳压芯片LM317，以便调节输出电压值。

2.8 报警发声电路设计

选用性价相对较高的报警音乐集成芯片，当给芯片的电压输入端通电时其输出端就会输出报警声音信号，驱动扬声器发出报警声。

3 系统调试

调试内容包括应用ISIS 电路仿真软件调试和硬件调试

3.1 应用ISIS 软件仿真

在ISIS 软件中画出各单元原理图，设置好元件参数，便可以进行调试。

3.2 硬件调试

首先，对硬件电路进行电气检查，看连线是否与电路原理图一致，有无短路、虚焊等现象，电子元件的型号、极性是否有误。检查完毕，用万用电表测量两个稳压芯片输出端的电阻，排除电源短路的可能性。

其次,将热释电红外探头的接收窗口指向无人或动物的方向，接通电源，先用电压表测量各个芯片的电压输入引脚的电压值，是否在芯片要求达到的电压范围之内。然后观察电机的运动情况，调节振荡电路的振荡频率和占空比，使电机的顺时针和逆时针方向的转动角度与转动间隔时间符合用户的要求。

最后，观察延时电路指示灯，应在开启电源瞬间亮起，一段时间后自动熄灭。待延时指示灯熄灭以后，用手放到探头检测窗口的前方时，芯片CS9803GP 的第11 脚应由低电平变为高电平，继电器吸合，报警电路发出报警声；调节红外检测单元的R9 可得到用户所需要的报警声保持时间。在CS9803GP 的第9 脚连接有一个开关，当开关闭合时可在白天屏蔽该芯片输出，晚上正常工作。硬件实物图如图5 所示。

4 系统实现的功能

系统实现的功能是当打开系统电源，电源工作指示灯亮起，延时指示灯亮起，系统处于开机延时状态，此时报警发声电路被屏蔽。电机每隔一个时间段就会带动红外探头来回扫描一段时间，既起到对静止人体的扫描作用、增大了探头的扫描区域，也减少了电能消耗。开机1 分钟后延时指示灯熄灭，当有人进入监控范围时，继电器吸合、报警声响起。当在按下遥控器时，系统的遥控接收端接收到控制信号，开始进入开机延时状态，延时指示灯亮起，报警发声电路被屏蔽。延时的目的是方便用户走出房间或者进入房间关闭报警系统的电源。传动装置使用齿轮减速，使最终转速在60 转/Min 以下，用装于其传动轴上的软轮摩擦带动安装有红外探头的轮子转动，在轮子的两旁安装两块挡板，以限制检测探头的转动范围。为保证报警的准确度，本报警装置限在室内使用，并且在其监控范围内尽量不要放置热源，如电炉、取暖机等。在安装时应将本装置安装于适当的高度，避免因有小动物经过而产生误报现象。