高灵敏度多功能综合报警器的设计

邓青

（江西省井冈山应用科技学校，江西吉安 343009）

关键字：灵敏度；报警器；设计；NE555；CD4069；AD转换；

2016年～2020年是我国全面建成小康社会决胜阶段，和人民生活息息相关的消防和安防工作面临着诸多复杂矛盾叠加、各类风险隐患增多等严峻挑战。消防综合性的多功能报警器是时代发展的必然要求。

火灾也是我们生活中最常见的灾害之一，对我们的人身安全、财产安全、社会公共安全造成了严重的威胁。目前市场上多数火灾报警器多为单一的、封闭的、局限性的报警器，严重制约了消防安全未来的发展。此外，大家的安全防范意识还有待提高，应急处理的手段也需要学习和加强。有关调查显示，截至2020年，我国一共有3 299个城市县城以及各大新建的小区大多安装了报警器，且大部分家庭也安装了。这意味着，随着国家的高速发展，人民对生活、工作周边的环境安全性需求日益增加，尤其对于防火防盗的检测、报警的方式要求日益提升。但不容乐观的是，很多老旧城区有95%以上的家庭未安装报警器，甚至还有一些娱乐场所、商业网点、学校（幼儿园）面临监视器老化等问题[1]。高灵敏度多功能综合报警的设计是适应新时代的发展需求，有效防止火灾、偷盗、抢劫等案件的发生，并提供给居家、工作场地、各类学校、公共场所等安全保障，通过简单的硬件电路组装、焊接与调试，解决多种类型的报警器多头安装的问题，特设计了本文中的“高灵敏度多功能综合报警器”。

一、电路设计、组装、调试

随着集成电路设计与制造技术的快速发展，电路系统的功能越来越强大，组成也越来越简单轻薄，软件设计的优势非常显著。但硬件电路设计的重要性也不容忽视。硬件电路是电路系统的重要组成部分，硬件电路设计是否合理直接影响了电路的整体性能。硬件电路的设计一般分为设计需求分析、原理图设计、PCB设计、工艺处理四步。本实验主要侧重设计需求分析和原理图设计。对于电子技术应用专业的初学者或者电子爱好者来说，硬件电路的设计是最直接、最容易上手、成本最低的方式。

要通过简单的电路组装而不是程序设计来实现综合报警，对于初学者来说，不是一件难事。可以先从最基本的声音报警电路、红外线报警电路着手。首先掌握了基本的检测方式、AD转换的电路原理、CD4069芯片的功能使用，再寻找其他检测手段，仿照实施。然后再组合在同一个大电路中实现综合报警的功能。这时候的模拟调试、做好防干扰处理等就很重要了，这是提高报警器灵敏度的关键一步。

因为我们要设计的报警器除了报警的声音之外，还要有用于触发的电路。常见的触发电路是按下开关时立即触发，放开后就会停止。这时如果有突发情况报警器响了后，只要离开监控区域就不会报警了。所以对于报警器的触发需要设计永久性的触发电路，即触发和停止不是同一个开关，一个启动警报，另一个用于主人发现后关闭警报。这可以通过NE555芯片和CD4069芯片实现，而芯片的好坏直接影响了报警是否正常，所以这里我们以CD4069芯片的检测为例。CD4069芯片的检测主要有输出高低电平测试法和构成振荡电路测试法两种。

（一）输出高低电平测试法

如图1所示，测试时，先将指针万用表调至直流50V电压档，电源可使用四节1号干电池（即6V），也可用直流稳压电源。再将万用表的黑表笔接地，红表笔接到待检测门的输出端，然后分别用A端和C端去触碰被测门的输入端。当A端接到输入端时，由于输入端为高电平，那么，经反向后其输出端应为低电平，这时万用表的读数应为0V；当用C端去接到输入端时，由于输入端为低电平，那么，经反向后输出应为高电平，这时万用表的读数应为5.5V左右。如符合上述条件就说明被检测的门是好的。以此类推，将CD4069的六个非门逐个进行测试，即可判断芯片的好坏。

图1 用输出高低电平测试法检测CD4069芯片的示意图

（二）构成振荡电路测试法

根据如图2所示的电路，利用搭起一个振荡器来判断CD4069芯片的好坏既简单又可靠。非门1、非门两组成了脉冲振荡器，振荡频率应为几Hz，经非门3到非门6后就会驱动LED闪烁发光，如果6个非门中有1个或几个是坏的，则观察到的LED就不会闪烁发光而是一直灭或一直亮。通过上述方法，可以直观地判断CD4069芯片的好坏。

图2 用构成振荡电路测试法检测CD4069芯片的示意图

高灵敏度多功能综合报警器的总电路我们设计了六个模块，有电源模块、声音检测模块、音乐报警模块、红外检测模块、触摸检测模块、烟雾检测模块，即四种检测手段实现两种类型的报警。高灵敏度多功能综合报警器的功能实现为：当报警器安装完成后，电源正常接通，在监控范围内，出现以下四种情况均会带动报警电路点亮报警指示灯并发出报警音乐：1.在声音检测模块的监控范围内出现有异响；2.在红外检测模块的监控范围有物体或者人经过；3.在触摸检测模块的监控范围到有物体接触；4.在烟雾检测模块监控范围内有烟雾达到一定浓度。

1.电源模块

电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，具有专用集成电路、数字信号处理器、微处理器、存储器、现场可编程逻辑门阵列及其他数字或模拟的负载提供供电的特点。常常用于交换设备、接入设备、移动通信、微波通信等领域。

电路模块的组装方法为：按照图3电源模块电路图所示，电源连接5V电源，LED6电源指示灯亮表示电源供电正常。

图3 电源模块电路图

2.声音检测模块

声音检测电路是高灵敏度多功能综合报警器的基础电路模块，设计前需要先熟悉电路中的声音信号转换电信号、信号多级放大、整形滤波、LED灯亮等工作原理，再对电路进行组装、调试、维修。首先需要了解CD4069六反相器、引脚功能、常用电路、检测方法等基本知识，根据声音检测电路原理图组装硬件电路，包括对照清单挑选元器件、元器件质量检测、组装、焊接等；还可以通过Multisim软件绘制的声音检测电路图，借助虚拟万用表测量CD4069芯片U1c引脚和U1d引脚之间的电压，测量U1d、D1、U1e、U1f、U2f两两之间的电压，直观地分析CD4069在电路中的作用。

连接好5V电源，调节RP3，使得声音检测灵敏度适中，有较大声音时TP5为高电平，无声音或较小声音时为低电平。话筒获得声音信号经耦合放大整形滤波后，OUT3输出低电平信号。本项目音乐报警电路模块中OUT1-OUT4任一路输出低电平后VT2都导通。音乐芯片得电后发出报警音乐。无声音或声音较小时，TP5为低。当有较大声音或振动时，TP5为高，LED2点亮。适当调节Rp3，使其灵敏度适中。报警音乐不能使声音电路感应，否则，声音反馈回来会使得一直报警。

图4 声音检测硬件电路原理图

图5 通过Multisim软件绘制声音检测电路图进行软件调试

3.音乐报警模块

音乐报警模块在生活中，常出现在警车、火警等领域，它采用了专门的音乐报警的芯片驱动外围蜂鸣器，就能产生各种音调的警报信号。成本低，符合各类应用需求。

音乐报警模块的组装可以按照图6的电路图，挑选元器件、测试元器件的好坏，按照焊接工艺标准完成即可。此模块的组装建议放在多功能综合报警器电路的最后安装，因为四个模块中任何一个检测到有报警信号，报警电路都会发出报警音乐，容易互相干扰。

图6 音乐报警电路图

音乐报警模块的调试可以采用硬件调试的方法：如报警电路都会发出报警音乐且LED5报警灯亮。调节Rp4，可使报警音乐速度正常。如电源电路工作正常，正确连接5V电源，LED6电源指示灯亮表示电源供电正常。如无声音或声音较小时，TP5为低，当有较大声音或振动时，TP5为高，LED2点亮，适当调节Rp3，使其灵敏度适中。

4.红外检测模块

红外线报警已成为学校、办公楼、居民家庭、宾馆等场所普遍采用，在实际生活中有时出现信号检测、信号处理等问题，致使系统误报、漏报、报警系统不动作等。此模块中需要重点注意贴片元件焊接要求及工艺标准，包括元件检测、三极管焊接、IC焊接、静电环使用。

图7 红外检测电路图

硬件调试分为静态调试和动态调试，前者是调节RP5电位器使VT6基极电压为0.6V，后者是有信号时调节RP5电位器，使TP7为4V。

软件调试则利用Multisim仿真软件检测红外线报警器电路正确性。首先对电路进行仿真测试TP7点电压，然后测量VT6基极电压，最后测量IC6各脚电压进行综合分析。

如需要电路有故障需要维修，可以通过万用表检测维修和示波器测试维修两种方法。万用表检测维修首先对电路板测量VT6基极电压，再对电路板测量IC6各脚电压进行综合分析，最后测量VT5基极电压。用示波器测试法可以测量TP5电压波形，再测得TP6产生方波，表示红外脉冲信号发射电路正常。对管前无物体挡住时，TP7为低电平，LED3不亮。用物体放在红外对管前时，TP7为高电平，LED3点亮。调节Rp5，使得感应的距离最远。

5.触摸检测模块

触摸式报警器在生产生活中应用广泛，触摸检测线路主要通过触摸传感器接收信号并转换为电信号，经过NE555芯片构成的单稳触发电路实现报警功能。触摸报警器已成为学校、办公楼、居民家庭、宾馆等场所统一采用的消防应急设施，产品在生产过程中如出现信号检测、信号处理等问题，将致使系统出现误报、漏报、报警系统不动作等，后果严重[2]。

设计组装触摸检测电路需要掌握555定时器工作原理、555构成的单稳态触发电路原理。熟悉触发电路的检测方法。

组装后的调试分为软件调试和硬件调试。软件调试可以利用Multisim仿真软件对电路进行检测调试和测量C5电容的电压波形、集成555输出3脚的波形、改变RP测TP4点的电压。硬件调试可以用万用表对电路进行电压、电阻的检测，再用示波器对电路进行波形检测。

图8 触摸检测电路原理图

如出现故障，可以观察PCB板元件安装是否正确及焊点是否合格；用万用表对电路故障进行排查。最后，用手指触摸TOUCH，LED4点亮。调节Rp2，使得触摸一次手离开后LED4点亮保持的时间为2-3S。说明此模块运行正常。

6.烟雾检测模块

烟雾检测电路一般由烟雾传感器和烟雾探测芯片构成，探测芯片接收传感器信号并进行处理，发出警示音，从而判断是否有火灾发生。烟雾报警器已成为学校、办公楼、居民家庭、宾馆等场所统一采用的消防应急设施，产品在生产过程中如出现信号检测、信号处理等问题，将致使系统出现误报、漏报、报警系统不动作等，后果严重。

无烟雾或者烟雾浓度较低的情况下，TP1电压较低，当烟雾浓度较高时TP1电压升高，表示传感器工作正常。调节Rp1，使无烟雾或者烟雾浓度较低的情况下TP2输出为低电平，LED1不亮。烟雾浓度较高时，TP2输出为高电平，LED1点亮。

图9 烟雾检测电路原理图

当所有模块全部组装检测完后，如有灵敏度不佳或干扰等问题，可以尝试以下方法调试：

（1）当手指触摸TOUCH后LED4点亮，此时测得TP4的电平为高。

（2）当烟雾传感器周围烟雾浓度增大时，其A-B间阻值减小，则要使烟雾浓度更大时才报警，Rp1应下调。

（3）要使声音检测电路检测声音信号更灵敏，Rp3接入的电阻应调大。

（4）正常工作时，当有物体挡在红外发射、红外接收管前时，LED3亮，当物体移开后，LED3亮2-3秒熄灭。如果有个线路板焊接好后，发现红外感应触发后将物体移开，LED3亮的时间为二十几秒，则可能是R23元件焊错了。

表1 测试点TP6的波形参数情况表

图10 项目制作成果展示

（5）电路在正常工作时，测量测试点TP6的波形及参数如上。

三、综合调试

前面六个模块在电路组装调试成功后，由于工作过程中任何一个电路报警都将影响其他电路的检测，所以本任务要解决除电源模块外的五个模块电路工作中的相互干扰问题。

首先，利用Multisim仿真软件检测高灵敏度多功能综合报警器电路正确性；其次，分析EN555、CD4069在实际电路应用并电路仿真；最后，电路硬件调试：静态调试测量VT6三极管基电压为应0.6V，VT4三极管基电压为0.58V；动态测试调节RP2、RP5、RP1、RP5电位器，测量TP7、TP6、TP5、TP4电压。如有故障，可以通过测量关键点电压判断TP5、TP2、TP4电压，分析故障部位，正常电压为4V。或通过Lab view虚拟检修平台排NIMYDAQ数据采集与万用表电压测试。

四、结束语

总的来说，以多功能综合报警器为代表的家用安防设备市场前景广阔，我国主要以鼓励性政策的方式推广，并引导居民强化安防意识。目前，国内市场对于综合报警器的购买主要以政府、企事业单位为主。随着我国经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，各种现代化的家用电器不断增加，对于安防这块的需求更加强烈，后续在本综合报警器的基础上还将加入软件设计的部分提升安防的水平和质量。如利用AT89C52单片机控制，利用电子传感器将电压信号量输送出去，之后过滤信号，实现线性化，发挥模块化的优势，再利用C语言作为主要编程工具，设计相应功能的程序下载其中，实现电路的灵活性、延展性、实用性。