流速儀自動化過河纜道防盜報(bào)警系統(tǒng)研制

孫佳秀 董學(xué)陽 龐 進(jìn) 朱德龍

（黃河水利委員會山東水文水資源局，山東 濟(jì)南 250100）

0 概述

在水文測驗(yàn)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(jī)房和變頻絞車機(jī)房內(nèi)安有計(jì)算機(jī)、控制柜、電動絞車、電力及通信電纜等重要水文測驗(yàn)設(shè)施設(shè)備，但在原設(shè)計(jì)中無防盜報(bào)警系統(tǒng)，同時(shí)，機(jī)房與水文站院相距較遠(yuǎn)，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(cái)產(chǎn)不受損失，研制有效的防盜報(bào)警系統(tǒng)是十分必要的。

1 基本要求

紅外線防盜報(bào)警器是當(dāng)前使用比較普遍的報(bào)警器之一，它以其靈敏度高、價(jià)格實(shí)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(bào)漏報(bào)現(xiàn)象嚴(yán)重等。為了能夠提高紅外報(bào)警裝置的工作可靠性，滿足實(shí)際生產(chǎn)、生活的需要，設(shè)計(jì)基于熱釋電紅外檢測方式設(shè)計(jì)一個(gè)紅外防盜報(bào)警系統(tǒng)，要求實(shí)現(xiàn)的功能有：（1）開機(jī)后延時(shí)1 分鐘開啟報(bào)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(jìn)入紅外探頭的掃描范圍時(shí)，警示燈亮起，發(fā)聲電路發(fā)出報(bào)警聲；（4）當(dāng)人離開時(shí)，一段時(shí)間后自動停止報(bào)警；（5）當(dāng)工作人員需要進(jìn)入機(jī)房時(shí)可以使用配備的遙控器使防盜器進(jìn)入開機(jī)延時(shí)狀態(tài)，可以在這段時(shí)間內(nèi)進(jìn)入房間關(guān)閉防盜報(bào)警器電源。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

紅外報(bào)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(qiáng)度的變化，將紅外線強(qiáng)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(dá)到報(bào)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(jìn)入報(bào)警系統(tǒng)的檢測范圍內(nèi)前關(guān)閉報(bào)警聲音電路。

2.2 紅外檢測單元設(shè)計(jì)

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(shí)，芯片的第11 腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，輸出保持高電平的時(shí)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(qiáng)的時(shí)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(jì)

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(shí)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(jī)驅(qū)動單元設(shè)計(jì)

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(shí)，電機(jī)帶動紅外探頭能夠在一定的角度范圍內(nèi)做往返運(yùn)動，也就需要一個(gè)可以控制直流電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)的電路。圖1 所示的是一個(gè)H 橋電路，電路中Q1、Q4 的基極的分別是兩個(gè)控制信號輸入端，當(dāng)兩個(gè)輸入端的輸入信號都為低電平時(shí)，所有三極管都截止，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動；當(dāng)Q1 基極為高電平，Q4 輸入端為低電平時(shí)，Q1、Q3、Q6 導(dǎo)通，Q2、Q4、Q5 截止，電流從電機(jī)的A 端流向B 端，此時(shí)電機(jī)向某一個(gè)方向轉(zhuǎn)動；當(dāng)Q1 基極為低電平，Q4 為高電平時(shí)，Q1、Q3、Q6 截止、Q2、Q4、Q5 導(dǎo)通，電流從電機(jī)的B 端流向A 端，電機(jī)向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動。由H 橋的特點(diǎn)可知，為了能夠使電機(jī)自動地周期性轉(zhuǎn)換方向，需要有一個(gè)裝置能夠向H 橋的兩個(gè)輸入端提供驅(qū)動信號。因此本設(shè)計(jì)中運(yùn)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(gè)555 時(shí)基電路，本電路中其中一個(gè)時(shí)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(jì)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(jī)在順時(shí)針和逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動的時(shí)間長短。另一個(gè)時(shí)基電路用于構(gòu)成一個(gè)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(shí)間長短和間隔時(shí)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(shí)間的驅(qū)動信號，輸出波形信號的時(shí)序圖如圖3 所示。

2.5 遙控單元設(shè)計(jì)

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(shí)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(bào)警裝置的安全級別，本設(shè)計(jì)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(bào)警系統(tǒng)。

2.6 延時(shí)電路設(shè)計(jì)

采用555 時(shí)基電路構(gòu)成開機(jī)延時(shí)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(shí)555 復(fù)位，芯片的第三腳輸出低電平，此時(shí)Q3 截止，Q5 導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā)光。同時(shí)C1 開始充電，當(dāng)充到三分之一電源電壓的時(shí)候，555 被置位，第3 腳輸出高電平，Q3 導(dǎo)通，Q5 截止，LED 熄滅。報(bào)警發(fā)聲電路處于待機(jī)狀態(tài)，開機(jī)延遲時(shí)間T=1.1R3C1。遙控電路通過Q1 控制延時(shí)電路電源的通斷，如圖4 所示。

2.7 電源單元設(shè)計(jì)

為了使電機(jī)的運(yùn)行不影響其它單元的正常工作，本設(shè)計(jì)給電機(jī)驅(qū)動單元單獨(dú)供電，為了適應(yīng)不同功率的電機(jī)，電機(jī)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(bào)警發(fā)聲電路設(shè)計(jì)

選用性價(jià)相對較高的報(bào)警音樂集成芯片，當(dāng)給芯片的電壓輸入端通電時(shí)其輸出端就會輸出報(bào)警聲音信號，驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)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(jìn)行調(diào)試。

3.2 硬件調(diào)試

首先，對硬件電路進(jìn)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(gè)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(gè)芯片的電壓輸入引腳的電壓值，是否在芯片要求達(dá)到的電壓范圍之內(nèi)。然后觀察電機(jī)的運(yùn)動情況，調(diào)節(jié)振蕩電路的振蕩頻率和占空比，使電機(jī)的順時(shí)針和逆時(shí)針方向的轉(zhuǎn)動角度與轉(zhuǎn)動間隔時(shí)間符合用戶的要求。

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

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

系統(tǒng)實(shí)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(shí)指示燈亮起，系統(tǒng)處于開機(jī)延時(shí)狀態(tài)，此時(shí)報(bào)警發(fā)聲電路被屏蔽。電機(jī)每隔一個(gè)時(shí)間段就會帶動紅外探頭來回掃描一段時(shí)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(jī)1 分鐘后延時(shí)指示燈熄滅，當(dāng)有人進(jìn)入監(jiān)控范圍時(shí)，繼電器吸合、報(bào)警聲響起。當(dāng)在按下遙控器時(shí)，系統(tǒng)的遙控接收端接收到控制信號，開始進(jìn)入開機(jī)延時(shí)狀態(tài)，延時(shí)指示燈亮起，報(bào)警發(fā)聲電路被屏蔽。延時(shí)的目的是方便用戶走出房間或者進(jìn)入房間關(guān)閉報(bào)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(bào)警的準(zhǔn)確度，本報(bào)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(jī)等。在安裝時(shí)應(yīng)將本裝置安裝于適當(dāng)?shù)母叨龋苊庖蛴行游锝?jīng)過而產(chǎn)生誤報(bào)現(xiàn)象。

5 系統(tǒng)使用情況

本防盜報(bào)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(jī)房和變頻電動絞車機(jī)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(shí)，本防盜報(bào)警系統(tǒng)投產(chǎn)使用后，大大的減輕了安全人員的勞動強(qiáng)度，使得水文重要設(shè)施設(shè)備有了更加安全的保障。