敲击防盗报警装置

敲击防盗报警装置 ※※※※※※※※※ ※※ 2009级 ※※ 测试技术课程设计 ※※ ※※※※※※※※※ 敲击防盗报警装置 姓 名 学 号 院、系、部 电气系 专 业 自动化 石家庄铁道大学四方学院 摘要 题目设计一个敲击式防盗报警系统，整个系统将由压电传感器、信号处理、555构成的单稳态触发器、驱动LED这几个模块系统组成。压电式传感器的应用:压电传感器结构简单、体积小、质量小、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。555定时器是一种中规模的集成定时器，应用非常广泛。通常只需外接几个阻容元件，就可以构成各种不同用途的脉冲电路，如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。555定时器有TTL集成定时器和CMOS集成定时器，它们的逻辑功能与外引线排列都完全相同。TTL型号最后数码为555，CMOS型号最后数码为7555。这次课程设计让我学到了很多，也为我们今后的学习作了很好指导。 关键字 压电传感器 555集成电路 第1章 课程设计任务书 题 目 敲击防盗报警装置 学生姓名 学号 班级 专业 自动化 指导教师是否制作承担指导任务单位 电气工程系 秦华 是 姓名 实物 一、主要内容 由压电式传感器、单稳态触发电路及驱动电路组成可实现敲击报警的装置: 二、基本要求 1(实现基本功能，画出设计电路图; 2(完成3000字设计; 3(提示: (1)传感器粘贴在门窗玻璃上，当有人敲击玻璃或击碎玻璃时，传感器将输出一串脉冲信号，该信号送入555集成电路，使引脚3输出高电平，继电器工作，相应报警电路接通LED亮。 (2)并且要求有延时体现，延时长短取决于什么,。 三、主要技术指标(或研究方法) 工作电压 ?5~18V 应用555定时器 也可考虑用三极管加定时器件 教研室主任签字 时 间 年 月 日 注:可根据内容加页。 第2章 设计任务概述 2.1 系统组成 题目要求设计一个敲击式防盗报警系统，整个系统将由压电传感器、信号处 几个模块系统组成。系统硬件原理框理、555构成的单稳态触发器、驱动LED这 图如图1-1: 2.2 压电传感器的原理及特性 2.2 压电传感器 2.2.1压电传感器简介: 压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变(包括弯曲和伸缩形变)时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电材料 它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。 2.2.2 特点简介 压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。 压电式传感器的应用:压电传感器结构简单、体积小、质量小、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。 2.2.3 压电传感器只能应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。 压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量(一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降)。 2.3 压电传感器的测量电路分析 按照压电式传感器的工作原理及等效电路，传感器可看成电压发生器，也可看成电荷发生器，与电压发生器相比，电荷放大器价格要高的多，电路也比较复杂，调整比较困难，故本论文采用电压发生器。 电压式传感器接电压放大器的等效电路图如图 (a)所示。图 (b)所 Ui示是简化后的等效电路图，其中，为放大器输入电压。 图2-3 压电式传感器接放大器的等效电路 等效电阻R为 RRai R,R，Rai 等效电容为 C,C，CCi qU,a 得 Ca 输出电压 ,,ωjR ,dU33Fi1，ω(，)jRCCa 前置放大器的输出电压 U,,AUscim 2.4 压电式传感器选型及介绍 压电材料可分为三大类:压电晶体，压电陶瓷;新型压电材料，包括压电半导体和高分子压电材料。 选择合适的压电材料是压电传感器的关键一般应从以下几个主要特性进行选择转换性能。要求具有较大的压电常数。 机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高，刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，已减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，以获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 2.5 压电式传感器的性能分析 晶片切割或极化方向有偏差;压电晶片表面粗糙度或两个表面不平行;基座平面与主轴方向互不垂直;质量块或压紧螺母加工精度不够;传感器装配、安装不精确等。这些偏差使传感器灵敏度最大的方向与传感器几何主轴方向不一致，从而引起传感器的输出，另外，环境温度、湿度的变化会引起压电元件的压电系数、介电常数、电阻率以及绝缘电阻等的变化，从而使传感器的灵敏度也随着发生变化;周围存在的磁场和声场也会使传感器产生误差输出，因此在使用中应根据传感器具体的工作环境及对测量误差提出的要求选择传感器类型以及采取相应的隔离、屏蔽、密封等保护措施。 在实际使用中产生误差的其他因素还包括电缆噪声和接地回路噪声等。普通的同轴电缆在受到突然的弯曲、振动、缠绕和大幅度的晃动时，会由于其屏蔽层、绝缘保护套(通常为聚乙烯或聚四氟乙烯材料)与电缆芯线间的相互摩擦而产生静电，此静电将直接与压电晶片的输出互相迭加，形成电缆噪声。为此，传感器的输出电缆应使用特制的低噪声电缆(电缆的芯线与绝缘套间以及绝缘套与屏蔽层间加入石墨层以减小相互摩擦)。 2.6 信号处理模块分析 当外界有人敲击玻璃或击碎玻璃时，贴在门窗玻璃上的传感器将发出高电平，经过放大器后将输出一个高电平送给由555构成的单稳态触发器。 第3章 555定时器构成的单稳态触发器 555定时器是一种中规模的集成定时器，应用非常广泛。通常只需外接几个阻容元件，就可以构成各种不同用途的脉冲电路，如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。555定时器有TTL集成定时器和CMOS集成定时器，它们 的逻辑功能与外引线排列都完全相同。TTL型号最后数码为555，CMOS型号最后数码为7555。 3.1 555的结构组成和工作原理 555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的器件，下图为其内部组成和引脚图。 内部电路原理图 3.2 工作原理: 当?脚电位高于2/3VCC，?脚高于1/3VCC时，上比较器输出为高电平，下比较器输出为低电平，因而,-,触发器中的,,,,截止，BG14和BG16导通，Q‘高电平，?脚输出为低电平。放电晶体管BG23导通，即使?脚电位变低，此状态也一直保持不变，直到?脚输入触发信号。 当?脚电位低于2/3VCC，?脚低于1/3VCC时，A1输出为低电平，A2输出为高电平。因而Q‘为低电平，?脚输出为高电平，,,,,截止。 当?脚电位低于2/3VCC，?脚高于1/3VCC时，上比较器,,输出为低电平，下比较器输出为高电平，此时,‘状态保持不变，?脚输出及,,,,状态也不变。当当?脚电位高于2/3VCC，?脚低于1/3VCC时，上比较器,,输出为高电平，下比较器输出也为高电平，此时?脚输出低电平，,,,,导通。 表3-1 555定时器的逻辑功能 R S’ Q ?端 1 1 0 接地 0 0 1 开路 0 1 Q 保持 1 0 不定 不定 图3-1 由555构成的单稳态触发器 如图3-1所示R、C是定时元件;Vi是输入触发信号，下降沿有效，加在555的引脚2上;Vo是输出信号。 VCC:电源电压 第4章 压电传感器敲击报警系统 电路图及电路原理 压电传感 器 上图为设计原理图，由555定时器构成的单稳态电路没有信号时单稳态是稳定的，当压电元件受到挤压时产生一个高电平，经过反相器后变为低电平输入到2管脚，单稳态电路被破坏555定时器转入暂稳态，此时管脚3输出一个高电平驱动,,,灯发光，暂稳态不是稳定状态，电压给电容,充电达到电压的,,,时又从暂稳态转到单稳态报警结束。延时时间的长短可以由电阻R和电容C的乘积决定。 第5章 与展望 学完了传感器这门课后，知道许多关于传感器的理论知识，正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行。”学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在学习这门课之际，进行一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。这样不仅能加深我们对电子电工课程学习的兴趣，而且还及时、真正的做到了学以致用。 通过这段时间不懈的努力与切实追求，我们小组终于做完了课程设计。我和一个同学先择了这一课题，通过这次课程设计，我更好的了解了怎样把学到的知识应用到实际当中来，并且通过查阅各方面的，使得知识面得到了提高，也 了解了很多电子产品在社会生活和生产上应用，因此使我对这门课的兴趣又有了很大提高。 其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，在完成整个设计之后，心中的喜悦之情是难以表达的。因此，也确实让我们体会到了自己动手的无限乐趣～ 然，在设计过程中，我们也遇到了不少的问题。比如:有些知识我们并不当 了解，在相关资料上查阅的时候弄不懂为什么是这样，所以，我们必须找我们的指导老师来对我们进行讲解，所以，在此我也必须感谢在设计当中为我们进行指导的老师。 这次课程设计让我学到了很多，也为我们今后的学习作了很好指导。 参考文献 [1] 刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术.人民邮电出版社.2010年 [2] 余孟尝.数字电子技术基础简明教程.高等教育出版社. [3] 赵家贵主编,电子电路设计.中国计量出版社，. [4] 何希才，传感器及其应用实例，机械工业出版社，2003.8