鄧青

（江西省井岡山應(yīng)用科技學(xué)校，江西吉安 343009）

關(guān)鍵字：靈敏度；報(bào)警器；設(shè)計(jì)；NE555；CD4069；AD轉(zhuǎn)換；

2016年～2020年是我國(guó)全面建成小康社會(huì)決勝階段，和人民生活息息相關(guān)的消防和安防工作面臨著諸多復(fù)雜矛盾疊加、各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)隱患增多等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。消防綜合性的多功能報(bào)警器是時(shí)代發(fā)展的必然要求。

火災(zāi)也是我們生活中最常見(jiàn)的災(zāi)害之一，對(duì)我們的人身安全、財(cái)產(chǎn)安全、社會(huì)公共安全造成了嚴(yán)重的威脅。目前市場(chǎng)上多數(shù)火災(zāi)報(bào)警器多為單一的、封閉的、局限性的報(bào)警器，嚴(yán)重制約了消防安全未來(lái)的發(fā)展。此外，大家的安全防范意識(shí)還有待提高，應(yīng)急處理的手段也需要學(xué)習(xí)和加強(qiáng)。有關(guān)調(diào)查顯示，截至2020年，我國(guó)一共有3 299個(gè)城市縣城以及各大新建的小區(qū)大多安裝了報(bào)警器，且大部分家庭也安裝了。這意味著，隨著國(guó)家的高速發(fā)展，人民對(duì)生活、工作周邊的環(huán)境安全性需求日益增加，尤其對(duì)于防火防盜的檢測(cè)、報(bào)警的方式要求日益提升。但不容樂(lè)觀的是，很多老舊城區(qū)有95%以上的家庭未安裝報(bào)警器，甚至還有一些娛樂(lè)場(chǎng)所、商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)、學(xué)校（幼兒園）面臨監(jiān)視器老化等問(wèn)題[1]。高靈敏度多功能綜合報(bào)警的設(shè)計(jì)是適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展需求，有效防止火災(zāi)、偷盜、搶劫等案件的發(fā)生，并提供給居家、工作場(chǎng)地、各類(lèi)學(xué)校、公共場(chǎng)所等安全保障，通過(guò)簡(jiǎn)單的硬件電路組裝、焊接與調(diào)試，解決多種類(lèi)型的報(bào)警器多頭安裝的問(wèn)題，特設(shè)計(jì)了本文中的“高靈敏度多功能綜合報(bào)警器”。

一、電路設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試

隨著集成電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的快速發(fā)展，電路系統(tǒng)的功能越來(lái)越強(qiáng)大，組成也越來(lái)越簡(jiǎn)單輕薄，軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)非常顯著。但硬件電路設(shè)計(jì)的重要性也不容忽視。硬件電路是電路系統(tǒng)的重要組成部分，硬件電路設(shè)計(jì)是否合理直接影響了電路的整體性能。硬件電路的設(shè)計(jì)一般分為設(shè)計(jì)需求分析、原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、工藝處理四步。本實(shí)驗(yàn)主要側(cè)重設(shè)計(jì)需求分析和原理圖設(shè)計(jì)。對(duì)于電子技術(shù)應(yīng)用專(zhuān)業(yè)的初學(xué)者或者電子愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，硬件電路的設(shè)計(jì)是最直接、最容易上手、成本最低的方式。

要通過(guò)簡(jiǎn)單的電路組裝而不是程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)綜合報(bào)警，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，不是一件難事?？梢韵葟淖罨镜穆曇魣?bào)警電路、紅外線(xiàn)報(bào)警電路著手。首先掌握了基本的檢測(cè)方式、AD轉(zhuǎn)換的電路原理、CD4069芯片的功能使用，再尋找其他檢測(cè)手段，仿照實(shí)施。然后再組合在同一個(gè)大電路中實(shí)現(xiàn)綜合報(bào)警的功能。這時(shí)候的模擬調(diào)試、做好防干擾處理等就很重要了，這是提高報(bào)警器靈敏度的關(guān)鍵一步。

因?yàn)槲覀円O(shè)計(jì)的報(bào)警器除了報(bào)警的聲音之外，還要有用于觸發(fā)的電路。常見(jiàn)的觸發(fā)電路是按下開(kāi)關(guān)時(shí)立即觸發(fā)，放開(kāi)后就會(huì)停止。這時(shí)如果有突發(fā)情況報(bào)警器響了后，只要離開(kāi)監(jiān)控區(qū)域就不會(huì)報(bào)警了。所以對(duì)于報(bào)警器的觸發(fā)需要設(shè)計(jì)永久性的觸發(fā)電路，即觸發(fā)和停止不是同一個(gè)開(kāi)關(guān)，一個(gè)啟動(dòng)警報(bào)，另一個(gè)用于主人發(fā)現(xiàn)后關(guān)閉警報(bào)。這可以通過(guò)NE555芯片和CD4069芯片實(shí)現(xiàn)，而芯片的好壞直接影響了報(bào)警是否正常，所以這里我們以CD4069芯片的檢測(cè)為例。CD4069芯片的檢測(cè)主要有輸出高低電平測(cè)試法和構(gòu)成振蕩電路測(cè)試法兩種。

（一）輸出高低電平測(cè)試法

如圖1所示，測(cè)試時(shí)，先將指針萬(wàn)用表調(diào)至直流50V電壓檔，電源可使用四節(jié)1號(hào)干電池（即6V），也可用直流穩(wěn)壓電源。再將萬(wàn)用表的黑表筆接地，紅表筆接到待檢測(cè)門(mén)的輸出端，然后分別用A端和C端去觸碰被測(cè)門(mén)的輸入端。當(dāng)A端接到輸入端時(shí)，由于輸入端為高電平，那么，經(jīng)反向后其輸出端應(yīng)為低電平，這時(shí)萬(wàn)用表的讀數(shù)應(yīng)為0V；當(dāng)用C端去接到輸入端時(shí)，由于輸入端為低電平，那么，經(jīng)反向后輸出應(yīng)為高電平，這時(shí)萬(wàn)用表的讀數(shù)應(yīng)為5.5V左右。如符合上述條件就說(shuō)明被檢測(cè)的門(mén)是好的。以此類(lèi)推，將CD4069的六個(gè)非門(mén)逐個(gè)進(jìn)行測(cè)試，即可判斷芯片的好壞。

圖1 用輸出高低電平測(cè)試法檢測(cè)CD4069芯片的示意圖

（二）構(gòu)成振蕩電路測(cè)試法

根據(jù)如圖2所示的電路，利用搭起一個(gè)振蕩器來(lái)判斷CD4069芯片的好壞既簡(jiǎn)單又可靠。非門(mén)1、非門(mén)兩組成了脈沖振蕩器，振蕩頻率應(yīng)為幾Hz，經(jīng)非門(mén)3到非門(mén)6后就會(huì)驅(qū)動(dòng)LED閃爍發(fā)光，如果6個(gè)非門(mén)中有1個(gè)或幾個(gè)是壞的，則觀察到的LED就不會(huì)閃爍發(fā)光而是一直滅或一直亮。通過(guò)上述方法，可以直觀地判斷CD4069芯片的好壞。

圖2 用構(gòu)成振蕩電路測(cè)試法檢測(cè)CD4069芯片的示意圖

高靈敏度多功能綜合報(bào)警器的總電路我們?cè)O(shè)計(jì)了六個(gè)模塊，有電源模塊、聲音檢測(cè)模塊、音樂(lè)報(bào)警模塊、紅外檢測(cè)模塊、觸摸檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊，即四種檢測(cè)手段實(shí)現(xiàn)兩種類(lèi)型的報(bào)警。高靈敏度多功能綜合報(bào)警器的功能實(shí)現(xiàn)為：當(dāng)報(bào)警器安裝完成后，電源正常接通，在監(jiān)控范圍內(nèi)，出現(xiàn)以下四種情況均會(huì)帶動(dòng)報(bào)警電路點(diǎn)亮報(bào)警指示燈并發(fā)出報(bào)警音樂(lè)：1.在聲音檢測(cè)模塊的監(jiān)控范圍內(nèi)出現(xiàn)有異響；2.在紅外檢測(cè)模塊的監(jiān)控范圍有物體或者人經(jīng)過(guò)；3.在觸摸檢測(cè)模塊的監(jiān)控范圍到有物體接觸；4.在煙霧檢測(cè)模塊監(jiān)控范圍內(nèi)有煙霧達(dá)到一定濃度。

1.電源模塊

電源模塊是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，具有專(zhuān)用集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列及其他數(shù)字或模擬的負(fù)載提供供電的特點(diǎn)。常常用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通信、微波通信等領(lǐng)域。

電路模塊的組裝方法為：按照?qǐng)D3電源模塊電路圖所示，電源連接5V電源，LED6電源指示燈亮表示電源供電正常。

圖3 電源模塊電路圖

2.聲音檢測(cè)模塊

聲音檢測(cè)電路是高靈敏度多功能綜合報(bào)警器的基礎(chǔ)電路模塊，設(shè)計(jì)前需要先熟悉電路中的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換電信號(hào)、信號(hào)多級(jí)放大、整形濾波、LED燈亮等工作原理，再對(duì)電路進(jìn)行組裝、調(diào)試、維修。首先需要了解CD4069六反相器、引腳功能、常用電路、檢測(cè)方法等基本知識(shí)，根據(jù)聲音檢測(cè)電路原理圖組裝硬件電路，包括對(duì)照清單挑選元器件、元器件質(zhì)量檢測(cè)、組裝、焊接等；還可以通過(guò)Multisim軟件繪制的聲音檢測(cè)電路圖，借助虛擬萬(wàn)用表測(cè)量CD4069芯片U1c引腳和U1d引腳之間的電壓，測(cè)量U1d、D1、U1e、U1f、U2f兩兩之間的電壓，直觀地分析CD4069在電路中的作用。

連接好5V電源，調(diào)節(jié)RP3，使得聲音檢測(cè)靈敏度適中，有較大聲音時(shí)TP5為高電平，無(wú)聲音或較小聲音時(shí)為低電平。話(huà)筒獲得聲音信號(hào)經(jīng)耦合放大整形濾波后，OUT3輸出低電平信號(hào)。本項(xiàng)目音樂(lè)報(bào)警電路模塊中OUT1-OUT4任一路輸出低電平后VT2都導(dǎo)通。音樂(lè)芯片得電后發(fā)出報(bào)警音樂(lè)。無(wú)聲音或聲音較小時(shí)，TP5為低。當(dāng)有較大聲音或振動(dòng)時(shí)，TP5為高，LED2點(diǎn)亮。適當(dāng)調(diào)節(jié)Rp3，使其靈敏度適中。報(bào)警音樂(lè)不能使聲音電路感應(yīng)，否則，聲音反饋回來(lái)會(huì)使得一直報(bào)警。

圖4 聲音檢測(cè)硬件電路原理圖

圖5 通過(guò)Multisim軟件繪制聲音檢測(cè)電路圖進(jìn)行軟件調(diào)試

3.音樂(lè)報(bào)警模塊

音樂(lè)報(bào)警模塊在生活中，常出現(xiàn)在警車(chē)、火警等領(lǐng)域，它采用了專(zhuān)門(mén)的音樂(lè)報(bào)警的芯片驅(qū)動(dòng)外圍蜂鳴器，就能產(chǎn)生各種音調(diào)的警報(bào)信號(hào)。成本低，符合各類(lèi)應(yīng)用需求。

音樂(lè)報(bào)警模塊的組裝可以按照?qǐng)D6的電路圖，挑選元器件、測(cè)試元器件的好壞，按照焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)完成即可。此模塊的組裝建議放在多功能綜合報(bào)警器電路的最后安裝，因?yàn)樗膫€(gè)模塊中任何一個(gè)檢測(cè)到有報(bào)警信號(hào)，報(bào)警電路都會(huì)發(fā)出報(bào)警音樂(lè)，容易互相干擾。

圖6 音樂(lè)報(bào)警電路圖

音樂(lè)報(bào)警模塊的調(diào)試可以采用硬件調(diào)試的方法：如報(bào)警電路都會(huì)發(fā)出報(bào)警音樂(lè)且LED5報(bào)警燈亮。調(diào)節(jié)Rp4，可使報(bào)警音樂(lè)速度正常。如電源電路工作正常，正確連接5V電源，LED6電源指示燈亮表示電源供電正常。如無(wú)聲音或聲音較小時(shí)，TP5為低，當(dāng)有較大聲音或振動(dòng)時(shí)，TP5為高，LED2點(diǎn)亮，適當(dāng)調(diào)節(jié)Rp3，使其靈敏度適中。

4.紅外檢測(cè)模塊

紅外線(xiàn)報(bào)警已成為學(xué)校、辦公樓、居民家庭、賓館等場(chǎng)所普遍采用，在實(shí)際生活中有時(shí)出現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理等問(wèn)題，致使系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)、報(bào)警系統(tǒng)不動(dòng)作等。此模塊中需要重點(diǎn)注意貼片元件焊接要求及工藝標(biāo)準(zhǔn)，包括元件檢測(cè)、三極管焊接、IC焊接、靜電環(huán)使用。

圖7 紅外檢測(cè)電路圖

硬件調(diào)試分為靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試，前者是調(diào)節(jié)RP5電位器使VT6基極電壓為0.6V，后者是有信號(hào)時(shí)調(diào)節(jié)RP5電位器，使TP7為4V。

軟件調(diào)試則利用Multisim仿真軟件檢測(cè)紅外線(xiàn)報(bào)警器電路正確性。首先對(duì)電路進(jìn)行仿真測(cè)試TP7點(diǎn)電壓，然后測(cè)量VT6基極電壓，最后測(cè)量IC6各腳電壓進(jìn)行綜合分析。

如需要電路有故障需要維修，可以通過(guò)萬(wàn)用表檢測(cè)維修和示波器測(cè)試維修兩種方法。萬(wàn)用表檢測(cè)維修首先對(duì)電路板測(cè)量VT6基極電壓，再對(duì)電路板測(cè)量IC6各腳電壓進(jìn)行綜合分析，最后測(cè)量VT5基極電壓。用示波器測(cè)試法可以測(cè)量TP5電壓波形，再測(cè)得TP6產(chǎn)生方波，表示紅外脈沖信號(hào)發(fā)射電路正常。對(duì)管前無(wú)物體擋住時(shí)，TP7為低電平，LED3不亮。用物體放在紅外對(duì)管前時(shí)，TP7為高電平，LED3點(diǎn)亮。調(diào)節(jié)Rp5，使得感應(yīng)的距離最遠(yuǎn)。

5.觸摸檢測(cè)模塊

觸摸式報(bào)警器在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，觸摸檢測(cè)線(xiàn)路主要通過(guò)觸摸傳感器接收信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)NE555芯片構(gòu)成的單穩(wěn)觸發(fā)電路實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。觸摸報(bào)警器已成為學(xué)校、辦公樓、居民家庭、賓館等場(chǎng)所統(tǒng)一采用的消防應(yīng)急設(shè)施，產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中如出現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理等問(wèn)題，將致使系統(tǒng)出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)、報(bào)警系統(tǒng)不動(dòng)作等，后果嚴(yán)重[2]。

設(shè)計(jì)組裝觸摸檢測(cè)電路需要掌握555定時(shí)器工作原理、555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路原理。熟悉觸發(fā)電路的檢測(cè)方法。

組裝后的調(diào)試分為軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。軟件調(diào)試可以利用Multisim仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行檢測(cè)調(diào)試和測(cè)量C5電容的電壓波形、集成555輸出3腳的波形、改變RP測(cè)TP4點(diǎn)的電壓。硬件調(diào)試可以用萬(wàn)用表對(duì)電路進(jìn)行電壓、電阻的檢測(cè)，再用示波器對(duì)電路進(jìn)行波形檢測(cè)。

圖8 觸摸檢測(cè)電路原理圖

如出現(xiàn)故障，可以觀察PCB板元件安裝是否正確及焊點(diǎn)是否合格；用萬(wàn)用表對(duì)電路故障進(jìn)行排查。最后，用手指觸摸TOUCH，LED4點(diǎn)亮。調(diào)節(jié)Rp2，使得觸摸一次手離開(kāi)后LED4點(diǎn)亮保持的時(shí)間為2-3S。說(shuō)明此模塊運(yùn)行正常。

6.煙霧檢測(cè)模塊

煙霧檢測(cè)電路一般由煙霧傳感器和煙霧探測(cè)芯片構(gòu)成，探測(cè)芯片接收傳感器信號(hào)并進(jìn)行處理，發(fā)出警示音，從而判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。煙霧報(bào)警器已成為學(xué)校、辦公樓、居民家庭、賓館等場(chǎng)所統(tǒng)一采用的消防應(yīng)急設(shè)施，產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中如出現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理等問(wèn)題，將致使系統(tǒng)出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)、報(bào)警系統(tǒng)不動(dòng)作等，后果嚴(yán)重。

無(wú)煙霧或者煙霧濃度較低的情況下，TP1電壓較低，當(dāng)煙霧濃度較高時(shí)TP1電壓升高，表示傳感器工作正常。調(diào)節(jié)Rp1，使無(wú)煙霧或者煙霧濃度較低的情況下TP2輸出為低電平，LED1不亮。煙霧濃度較高時(shí)，TP2輸出為高電平，LED1點(diǎn)亮。

圖9 煙霧檢測(cè)電路原理圖

當(dāng)所有模塊全部組裝檢測(cè)完后，如有靈敏度不佳或干擾等問(wèn)題，可以嘗試以下方法調(diào)試：

（1）當(dāng)手指觸摸TOUCH后LED4點(diǎn)亮，此時(shí)測(cè)得TP4的電平為高。

（2）當(dāng)煙霧傳感器周?chē)鸁熿F濃度增大時(shí)，其A-B間阻值減小，則要使煙霧濃度更大時(shí)才報(bào)警，Rp1應(yīng)下調(diào)。

（3）要使聲音檢測(cè)電路檢測(cè)聲音信號(hào)更靈敏，Rp3接入的電阻應(yīng)調(diào)大。

（4）正常工作時(shí)，當(dāng)有物體擋在紅外發(fā)射、紅外接收管前時(shí)，LED3亮，當(dāng)物體移開(kāi)后，LED3亮2-3秒熄滅。如果有個(gè)線(xiàn)路板焊接好后，發(fā)現(xiàn)紅外感應(yīng)觸發(fā)后將物體移開(kāi)，LED3亮的時(shí)間為二十幾秒，則可能是R23元件焊錯(cuò)了。

表1 測(cè)試點(diǎn)TP6的波形參數(shù)情況表

圖10 項(xiàng)目制作成果展示

（5）電路在正常工作時(shí)，測(cè)量測(cè)試點(diǎn)TP6的波形及參數(shù)如上。

三、綜合調(diào)試

前面六個(gè)模塊在電路組裝調(diào)試成功后，由于工作過(guò)程中任何一個(gè)電路報(bào)警都將影響其他電路的檢測(cè)，所以本任務(wù)要解決除電源模塊外的五個(gè)模塊電路工作中的相互干擾問(wèn)題。

首先，利用Multisim仿真軟件檢測(cè)高靈敏度多功能綜合報(bào)警器電路正確性；其次，分析EN555、CD4069在實(shí)際電路應(yīng)用并電路仿真；最后，電路硬件調(diào)試：靜態(tài)調(diào)試測(cè)量VT6三極管基電壓為應(yīng)0.6V，VT4三極管基電壓為0.58V；動(dòng)態(tài)測(cè)試調(diào)節(jié)RP2、RP5、RP1、RP5電位器，測(cè)量TP7、TP6、TP5、TP4電壓。如有故障，可以通過(guò)測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)電壓判斷TP5、TP2、TP4電壓，分析故障部位，正常電壓為4V?；蛲ㄟ^(guò)Lab view虛擬檢修平臺(tái)排NIMYDAQ數(shù)據(jù)采集與萬(wàn)用表電壓測(cè)試。

四、結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，以多功能綜合報(bào)警器為代表的家用安防設(shè)備市場(chǎng)前景廣闊，我國(guó)主要以鼓勵(lì)性政策的方式推廣，并引導(dǎo)居民強(qiáng)化安防意識(shí)。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)于綜合報(bào)警器的購(gòu)買(mǎi)主要以政府、企事業(yè)單位為主。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，各種現(xiàn)代化的家用電器不斷增加，對(duì)于安防這塊的需求更加強(qiáng)烈，后續(xù)在本綜合報(bào)警器的基礎(chǔ)上還將加入軟件設(shè)計(jì)的部分提升安防的水平和質(zhì)量。如利用AT89C52單片機(jī)控制，利用電子傳感器將電壓信號(hào)量輸送出去，之后過(guò)濾信號(hào)，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性化，發(fā)揮模塊化的優(yōu)勢(shì)，再利用C語(yǔ)言作為主要編程工具，設(shè)計(jì)相應(yīng)功能的程序下載其中，實(shí)現(xiàn)電路的靈活性、延展性、實(shí)用性。