壓電式玻璃破碎報警器

./HEFEIUNIVERSITY《傳感器原理及應(yīng)用》課程課外學(xué)分項目名稱壓電式玻璃破碎報警器項目組成員成績機械與汽車工程學(xué)院機械電子工程系二零一四年五月.壓電式玻璃破碎報警器摘要：我們設(shè)計的是壓電式玻璃破碎報警器。在很多安全場合,比如博物館防盜和重要或重要文件保存以及家用防盜,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、測量圍廣等許多優(yōu)點。1壓電效應(yīng)壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。這些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力而發(fā)生變形時,其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時,它們又重新回到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。而具有這種壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料或壓電元件。常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇等。左圖示為天然結(jié)構(gòu)的石英晶體,它是個六角形晶柱。在直角坐標(biāo)系中z軸表示其縱向軸,稱為光軸；x軸平行于正六面體的棱線,稱為電軸；y軸垂直于正六面體棱面,稱為機械軸。通常把沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為"縱向壓電效應(yīng)"；而把沿機械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為"橫向壓電效應(yīng)"；在光軸方向受力時則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)正壓電是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時,部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后,晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。逆壓電是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的,并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng),但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。2工作原理壓電瓷片具有正壓電效應(yīng)：壓電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=F,為瓷的壓電系數(shù),F為極化方向作用力。壓電傳感器還具有一個重要特點：只能用于測量動態(tài)變化的信號,高頻響應(yīng)較好。壓電瓷是人工制造的多晶體壓電材料,呈電中性,不具有壓電性質(zhì)。當(dāng)外加電場增強到一定程度,材料的極化達(dá)到飽和程度時,所有電疇極化方向與外電場方向一致,即使外電場去掉,電疇極化方向基本不變,此時材料才具有壓電特性。玻璃破碎時會產(chǎn)生10k~15k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。玻璃破碎探測器按照工作原理的不同大致分為兩大類：一類是聲控型的單技術(shù)玻璃破碎探測器,它實際上是一種具有選頻作用〔帶寬10到15KHz的具有特殊用途〔可將玻璃破碎時產(chǎn)生的高頻信號驅(qū)除的聲控報警探測器。另一類是雙技術(shù)玻璃破碎探測器,其中包括聲控-震動型和次聲波-玻璃破碎高頻聲響型。聲控-震動型是將聲控與震動探測兩種技術(shù)組合在一起,只有同時探測到玻璃破碎時發(fā)出的高頻聲音信號和敲擊玻璃引起的震動,才輸出報警信號。次聲波-玻璃破碎高頻聲響雙技術(shù)探測器是將次聲波探測技術(shù)和玻璃破碎高頻聲響探測技術(shù)組合到一起,只有同時探測敲擊玻璃和玻璃破碎時發(fā)出的高頻聲響信號和引起的次聲波信號才觸發(fā)報警。玻璃破碎探測器要盡量靠近所要保護的玻璃,盡量遠(yuǎn)離噪聲干擾源,如尖銳的金屬撞擊聲、鈴聲、汽笛的嘯叫聲等,減少誤報警。3靈敏度傳感器的靈敏度有兩種表示法：當(dāng)它與電荷放大器配合使用時,用電荷靈敏度Sq表示；與電壓放大器配合使用時,用電壓靈敏度Sv表示,其一般表達(dá)式為和下面以常用的壓電瓷加速度傳感器為例討論影響靈敏度的因素。壓電瓷元件受外力后表面上產(chǎn)生的電荷為Q=d33F,因為傳感器質(zhì)量塊ｍ的加速度ａ與作用在質(zhì)量塊上的力Ｆ有如下關(guān)系,即F=ma這樣,壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度與電壓靈敏度就可用下式表示,即由上兩式可知：壓電式加速度傳感器的靈敏度與壓電材料的壓電系數(shù)成正比,也和質(zhì)量塊的質(zhì)量成正比。為了提高傳感器的靈敏度,應(yīng)當(dāng)選用壓電系數(shù)大的壓電材料做壓電元件,在一般精度要求的測量中,大多采用以壓電瓷為敏感元件的傳感器。4頻率特性壓電式加速度傳感器,可以簡化成由集中質(zhì)量ｍ、集中彈簧剛度ｋ和阻尼系數(shù)ｃ組成的二階單自由度系統(tǒng),因此,當(dāng)傳感器感受振動體的加速度時,可以列出下列運動方程式式改寫為根據(jù)求二階傳感器頻響特性的方法,獲得壓電加速度計的幅頻特性與相頻特性分別為因為質(zhì)量塊與振動體之間的相對位移Xm-X就等于壓電元件受到作用力后產(chǎn)生的變形量,因此,在壓電元件的線性彈性圍有由于壓電片表面產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比,即Ｑ＝ｄＦ,因此將式子帶入得到壓電式加速度傳感器靈敏度與頻率的關(guān)系式,即上式所表示的頻響特性曲線為二階特性曲線,如下圖所示。由下圖可見,在ω／ωｎ相當(dāng)小的圍,有5方案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信號后才能送入比較器。比較器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的下降電壓引起單片機中斷執(zhí)行顯示、報警操作。系統(tǒng)總體框圖1如下：6硬件設(shè)計壓電傳感器選用壓電瓷作為壓電傳感器,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=Fmsinωt的作用時,經(jīng)計算前置放大器輸入電壓Ui的幅值為：令ω0=1/［R〔Ca+Cc+Ci］,當(dāng)ω/ω0>3時,可認(rèn)為Uim與ω?zé)o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、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(dá)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10k~15k,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=1/2πfC,可求得R=1.27kΩ,R2=R=1.27kΩ,R3=2.54kΩ再由Q=1/<3-Av>,BW=f/Q,求得A=2.6,Q=2.5又由于Rf//R4=R3=2.54kΩ,A=1+Rf1/R4,求得Rf=6.6kΩ,R4=4.13kΩ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(dāng)輸入信號小于Ref時,比較器輸出標(biāo)準(zhǔn)的+5V電壓；當(dāng)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(dāng)有聲音振動信號時,從比較器出來的電壓會形成一個標(biāo)準(zhǔn)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)電路為了實現(xiàn)對玻璃破碎振動級別的識別,設(shè)計了報警靈敏度調(diào)節(jié)電路,可以通過調(diào)節(jié)它的不同級別來起到對不同強度的振動有濾過作用。采用調(diào)節(jié)比較器的比較電壓來實現(xiàn)靈敏度的調(diào)節(jié)。因為AD736的最大輸出電壓為200mV,所以Ref也應(yīng)小于200mV。故需要分壓電路,采用電位器Rp對5V電源進行分壓,由4選1模擬開關(guān)構(gòu)成4檔比較電壓,通過單片機P1.0和P1.1口進行控制。電路如圖6所示。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(dāng)P1.2輸出高電平時,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,三極管工作在放大狀態(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7玻璃破碎報警器的電路圖壓電瓷片B將碎發(fā)的振動信號或響聲轉(zhuǎn)化成電信號,這個極端的電信號經(jīng)過由三極管VT1和VT2構(gòu)成的直耦式放大器放大后,利用C2從VT2的集電極上取出放大信號,然后經(jīng)過二極管VD1和VD2倍壓整流后,使VT3導(dǎo)通,VT3導(dǎo)通后在R4兩端產(chǎn)生的壓降使單向可控硅VS導(dǎo)通并鎖存,于是語音報警喇叭HA通電反復(fù)發(fā)出聲音,這時只要按下SB,方可解除警報聲。該裝置的電源是由電源變壓器T將220V市電降壓為12V,經(jīng)QD全橋整流、C3濾波后供給整機工作。為了防備交流電中斷,還增加了12V電池組。這樣當(dāng)電網(wǎng)停止供電時,G自動續(xù)接供電,當(dāng)電網(wǎng)復(fù)電后,G自動停止供電,始終讓報警電路處于準(zhǔn)備狀態(tài)。8選型因為玻璃破碎所發(fā)出的頻率處于10-15KHz之間,而LC01系列壓電加速度傳感器,是裝微型IC-集成電路放大器的壓電加速度傳感器,它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體,能直接與記錄和顯示儀器連接,簡化了測試系統(tǒng),提高了測試精度和可靠性。其突出特點如下：低阻抗輸出,抗干擾,噪聲小性能價格比高,安裝方便,尤其適于多點測量穩(wěn)定可靠、抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體。而且它的線性度<1%,輸出阻抗小,溫度適應(yīng)圍大等特點非常符合設(shè)計要求。LC01系列傳感器參數(shù)ZCC-200系列的振動傳感器能將振動物體的機械能轉(zhuǎn)化為電量,可以廣泛應(yīng)于于各種行業(yè),它的技術(shù)參數(shù)也復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計要求。ZCC-200系列傳感器參數(shù)ZCC-201傳感器實物圖軟件流程圖單片機選型AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory的低電壓、高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中,ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器,AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。電磁繼電器選型電磁繼電器是一種電子控制器件,它具有控制系統(tǒng)〔又稱輸入回路和被控制系統(tǒng)〔又稱輸出回路,通常應(yīng)用于自動控制電路中,它實際上是用較小的電流.較低的電壓去控制較大電流.較高的電壓的一種"自動開關(guān)"。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。在我們所涉及的這個系統(tǒng)中運用的是小型電磁繼電器JQC-3F<T73>。小型電磁繼電器JQC-3F<T73>參數(shù)小型電磁繼電器JQC-3F<T73>實物圖電磁繼電器<Electromagneticrelay>的工作原理和特性：電磁繼電器一般由電磁鐵,銜鐵,彈簧片,觸點等組成的,其工作電路由低壓控制電路和高壓工作電路兩部分構(gòu)成。只要在線圈兩端加上一定的電壓,線圈中就會流過一定的電流,從而產(chǎn)生電磁效應(yīng),銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯,從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點〔常開觸點吸合。當(dāng)線圈斷電后,電磁的吸力也隨之消失,銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置,使動觸點與原來的靜觸點〔常閉觸點吸合。這樣吸合、釋放,從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的"常開、常閉"觸點,可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點,稱為"常開觸點"；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為"常閉觸點"。信號放大濾波電路系統(tǒng)放大濾波電路來自傳感器的信號通常都伴隨著很大的共模電壓〔包括干擾電壓。一般采用差動輸入集成運算放大器來抑制它,但是必須要求外接電阻完全平衡對稱,運算放大器具有理想特性,所以本系統(tǒng)采用的是三運放差摸高抑制比放大電路。將差動式傳感器的兩個輸出經(jīng)兩個運算放大器構(gòu)成的同相比例差動放大后,使其輸入端的共模電壓是1:1的輸出,并通過輸出端各自電阻加到傳感器的兩個電纜屏蔽層上,即兩個輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅(qū)動,而不是接地,電纜輸入芯線和屏蔽層之間的共模電壓為零,這種電路經(jīng)常使用于差動式傳感器,如電容傳感器、壓阻傳感器和電感傳感器等組成的高精度測控系統(tǒng)中。本系統(tǒng)所采用的LC01系列的傳感器輸出電壓為8-12V,而單片機所接受的電壓信號為0-5v,所以利用三端集成穩(wěn)壓7805將輸出電壓降低。同時ZCC-200系列的傳感器輸出電壓為0.012-0.036V,所以我們設(shè)計的放大增益為95,也能滿足系統(tǒng)要求。改變帶通濾波電路相應(yīng)的參數(shù)可以實現(xiàn)對10-15KHz以及10-500Hz的信號選擇。報警電路報警電路正常狀態(tài),電磁繼電器常閉,只有當(dāng)單片機接受到分別來自兩個傳感器的信號都是1時,輸出高電平1,此時電磁繼電器導(dǎo)通,從而報警器報警。電源選擇該裝置的電源是由電源變壓器T將220V市電降壓為12V,經(jīng)QD全橋整流、C5濾波后供給整機工作。為了防備交流電中斷,還增加了12V電池組。這樣,當(dāng)電網(wǎng)停止供電時,G自動