孫佳秀 董學(xué)陽 龐 進 朱德龍

（黃河水利委員會山東水文水資源局，山東 濟南 250100）

0 概述

在水文測驗工作中，流速儀自動化過河纜道設(shè)備已經(jīng)廣泛投產(chǎn)使用。在設(shè)備主控機房和變頻絞車機房內(nèi)安有計算機、控制柜、電動絞車、電力及通信電纜等重要水文測驗設(shè)施設(shè)備，但在原設(shè)計中無防盜報警系統(tǒng)，同時，機房與水文站院相距較遠，存在重大安全隱患，為了便于監(jiān)視這些重要水文測量設(shè)施設(shè)備，防止盜竊和破壞，保證安全生產(chǎn)和財產(chǎn)不受損失，研制有效的防盜報警系統(tǒng)是十分必要的。

1 基本要求

紅外線防盜報警器是當(dāng)前使用比較普遍的報警器之一，它以其靈敏度高、價格實惠受到了廣大用戶的歡迎。但是使用每一種紅外線傳感器都有其不足之處，如抗干擾能力弱、誤報漏報現(xiàn)象嚴重等。為了能夠提高紅外報警裝置的工作可靠性，滿足實際生產(chǎn)、生活的需要，設(shè)計基于熱釋電紅外檢測方式設(shè)計一個紅外防盜報警系統(tǒng)，要求實現(xiàn)的功能有：（1）開機后延時1 分鐘開啟報警系統(tǒng)；（2）具有足夠的響應(yīng)靈敏度，可以識別外界持續(xù)噪聲干擾；（3）當(dāng)監(jiān)控過程中有人進入紅外探頭的掃描范圍時，警示燈亮起，發(fā)聲電路發(fā)出報警聲；（4）當(dāng)人離開時，一段時間后自動停止報警；（5）當(dāng)工作人員需要進入機房時可以使用配備的遙控器使防盜器進入開機延時狀態(tài)，可以在這段時間內(nèi)進入房間關(guān)閉防盜報警器電源。

2 方案設(shè)計

2.1 總體方案設(shè)計

紅外報警系統(tǒng)的信息采集單元必須能夠靈敏的感應(yīng)到其檢測范圍內(nèi)的紅外線強度的變化，將紅外線強度的變化轉(zhuǎn)換成電壓值的變化，信號處理單元將電壓信號放大并傳輸?shù)娇刂茊卧刂茊卧挥|發(fā)，驅(qū)動發(fā)聲電路以及繼電器，從而達到報警目的。然后在控制單元添加遙控接收電路，以便于用戶在進入報警系統(tǒng)的檢測范圍內(nèi)前關(guān)閉報警聲音電路。

2.2 紅外檢測單元設(shè)計

本系統(tǒng)采用RE200B 熱釋電紅外傳感器，用于采集紅外線信號。以集成電路CS9803GP 為核心，輔以少量的外圍元件構(gòu)成信息處理單元，當(dāng)探頭檢測到環(huán)境中有紅外信息變化時，芯片的第11 腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，輸出保持高電平的時間可通過與第8 腳所連的電位器調(diào)節(jié)。第9 腳可接光敏電阻，用于在光線強的時候屏蔽芯片第11腳的信號輸出。

2.3 開關(guān)控制單元設(shè)計

開關(guān)控制單元使用集電極電流較大的三極管8050 來放大CS9803GP 輸出的電流，用以驅(qū)動繼電器，實現(xiàn)開關(guān)作用。電路中使用二極管IN4001 作為續(xù)流二極管，避免三極管被擊穿。

2.4 電機驅(qū)動單元設(shè)計

由于流速儀自動化過河纜道所要求監(jiān)視的范圍較廣，要求系統(tǒng)在工作時，電機帶動紅外探頭能夠在一定的角度范圍內(nèi)做往返運動，也就需要一個可以控制直流電機進行正反轉(zhuǎn)的電路。圖1 所示的是一個H 橋電路，電路中Q1、Q4 的基極的分別是兩個控制信號輸入端，當(dāng)兩個輸入端的輸入信號都為低電平時，所有三極管都截止，電機停止轉(zhuǎn)動；當(dāng)Q1 基極為高電平，Q4 輸入端為低電平時，Q1、Q3、Q6 導(dǎo)通，Q2、Q4、Q5 截止，電流從電機的A 端流向B 端，此時電機向某一個方向轉(zhuǎn)動；當(dāng)Q1 基極為低電平，Q4 為高電平時，Q1、Q3、Q6 截止、Q2、Q4、Q5 導(dǎo)通，電流從電機的B 端流向A 端，電機向另一個方向轉(zhuǎn)動。由H 橋的特點可知，為了能夠使電機自動地周期性轉(zhuǎn)換方向，需要有一個裝置能夠向H 橋的兩個輸入端提供驅(qū)動信號。因此本設(shè)計中運用了NE556 構(gòu)成控制信號發(fā)生電路，如圖2所示。NE556 中集成了2 個555 時基電路，本電路中其中一個時基電路用于構(gòu)成頻率為0.5Hz 的方波振蕩器，改變C4 可以調(diào)節(jié)其振蕩頻率，改變R10、R12 可調(diào)節(jié)波形信號占空比，頻率和占空比的計算公式：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 腳輸出，用于控制電機在順時針和逆時針方向轉(zhuǎn)動的時間長短。另一個時基電路用于構(gòu)成一個頻率為0.01Hz 的無穩(wěn)態(tài)振蕩器，改變C1 可以調(diào)節(jié)振蕩頻率，改變R7、R8 可調(diào)節(jié)波形信號占空比，由第5 腳輸出，用于控制0.5Hz 方波的輸出時間長短和間隔時間長短，使驅(qū)動信號發(fā)生電路間歇性地向H 橋提供一段時間的驅(qū)動信號，輸出波形信號的時序圖如圖3 所示。

2.5 遙控單元設(shè)計

遙控單元分為發(fā)射電路與接收電路兩部分，發(fā)射電路采用NE555時基電路為核心構(gòu)成無穩(wěn)態(tài)振蕩電路，產(chǎn)生脈沖信號，驅(qū)動紅外發(fā)射二極管。紅外接收器采用集成紅外接收頭SFH506-38，因該接收頭能響應(yīng)較寬頻率范圍的紅外光，所以為了提高報警裝置的安全級別，本設(shè)計在紅外接收電路中采用鎖相環(huán)音頻譯碼電路LM567 構(gòu)成選頻電路，即接收電路只響應(yīng)某一頻率帶寬內(nèi)的紅外光。在使用中可以設(shè)置發(fā)射電路輸出的脈沖頻率等于接收端的內(nèi)部振蕩頻率，這樣只有使用此遙控器才可控制本報警系統(tǒng)。

2.6 延時電路設(shè)計

采用555 時基電路構(gòu)成開機延時電路，在接通電源瞬間，由于C1上的電壓不能突變，可視為短路，此時555 復(fù)位，芯片的第三腳輸出低電平，此時Q3 截止，Q5 導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光。同時C1 開始充電，當(dāng)充到三分之一電源電壓的時候，555 被置位，第3 腳輸出高電平，Q3 導(dǎo)通，Q5 截止，LED 熄滅。報警發(fā)聲電路處于待機狀態(tài)，開機延遲時間T=1.1R3C1。遙控電路通過Q1 控制延時電路電源的通斷，如圖4 所示。

2.7 電源單元設(shè)計

為了使電機的運行不影響其它單元的正常工作，本設(shè)計給電機驅(qū)動單元單獨供電，為了適應(yīng)不同功率的電機，電機電源采用可調(diào)穩(wěn)壓芯片LM317，以便調(diào)節(jié)輸出電壓值。

2.8 報警發(fā)聲電路設(shè)計

選用性價相對較高的報警音樂集成芯片，當(dāng)給芯片的電壓輸入端通電時其輸出端就會輸出報警聲音信號，驅(qū)動揚聲器發(fā)出報警聲。

3 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試內(nèi)容包括應(yīng)用ISIS 電路仿真軟件調(diào)試和硬件調(diào)試

3.1 應(yīng)用ISIS 軟件仿真

在ISIS 軟件中畫出各單元原理圖，設(shè)置好元件參數(shù)，便可以進行調(diào)試。

3.2 硬件調(diào)試

首先，對硬件電路進行電氣檢查，看連線是否與電路原理圖一致，有無短路、虛焊等現(xiàn)象，電子元件的型號、極性是否有誤。檢查完畢，用萬用電表測量兩個穩(wěn)壓芯片輸出端的電阻，排除電源短路的可能性。

其次,將熱釋電紅外探頭的接收窗口指向無人或動物的方向，接通電源，先用電壓表測量各個芯片的電壓輸入引腳的電壓值，是否在芯片要求達到的電壓范圍之內(nèi)。然后觀察電機的運動情況，調(diào)節(jié)振蕩電路的振蕩頻率和占空比，使電機的順時針和逆時針方向的轉(zhuǎn)動角度與轉(zhuǎn)動間隔時間符合用戶的要求。

最后，觀察延時電路指示燈，應(yīng)在開啟電源瞬間亮起，一段時間后自動熄滅。待延時指示燈熄滅以后，用手放到探頭檢測窗口的前方時，芯片CS9803GP 的第11 腳應(yīng)由低電平變?yōu)楦唠娖?，繼電器吸合，報警電路發(fā)出報警聲；調(diào)節(jié)紅外檢測單元的R9 可得到用戶所需要的報警聲保持時間。在CS9803GP 的第9 腳連接有一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)閉合時可在白天屏蔽該芯片輸出，晚上正常工作。硬件實物圖如圖5 所示。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是當(dāng)打開系統(tǒng)電源，電源工作指示燈亮起，延時指示燈亮起，系統(tǒng)處于開機延時狀態(tài)，此時報警發(fā)聲電路被屏蔽。電機每隔一個時間段就會帶動紅外探頭來回掃描一段時間，既起到對靜止人體的掃描作用、增大了探頭的掃描區(qū)域，也減少了電能消耗。開機1 分鐘后延時指示燈熄滅，當(dāng)有人進入監(jiān)控范圍時，繼電器吸合、報警聲響起。當(dāng)在按下遙控器時，系統(tǒng)的遙控接收端接收到控制信號，開始進入開機延時狀態(tài)，延時指示燈亮起，報警發(fā)聲電路被屏蔽。延時的目的是方便用戶走出房間或者進入房間關(guān)閉報警系統(tǒng)的電源。傳動裝置使用齒輪減速，使最終轉(zhuǎn)速在60 轉(zhuǎn)/Min 以下，用裝于其傳動軸上的軟輪摩擦帶動安裝有紅外探頭的輪子轉(zhuǎn)動，在輪子的兩旁安裝兩塊擋板，以限制檢測探頭的轉(zhuǎn)動范圍。為保證報警的準確度，本報警裝置限在室內(nèi)使用，并且在其監(jiān)控范圍內(nèi)盡量不要放置熱源，如電爐、取暖機等。在安裝時應(yīng)將本裝置安裝于適當(dāng)?shù)母叨?，避免因有小動物?jīng)過而產(chǎn)生誤報現(xiàn)象。

5 系統(tǒng)使用情況

本防盜報警系統(tǒng)已經(jīng)安裝在黃委濼口水文站流速儀自動過河纜道主控機房和變頻電動絞車機房，經(jīng)過調(diào)試，效果良好，可以推廣其他水文設(shè)施設(shè)備及水文站的安全防盜使用。同時，本防盜報警系統(tǒng)投產(chǎn)使用后，大大的減輕了安全人員的勞動強度，使得水文重要設(shè)施設(shè)備有了更加安全的保障。