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基于压电式无源蜂鸣器的振动入侵探测器设计

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 361次

李英莲  戴永峰

(东方通信股份有限公司,浙江杭州 )

摘要:通过压电式无源蜂鸣器的复用,设计了一款可实现振动信号的探测和声音报警的振动入侵探测器。整个系统采用纯硬件设计,使用了低成本、小功耗LM324运算放大器;并通过切换电路,使蜂鸣器即作传感器,又作报警器使用。相对市场上的振动入侵探测器具有低功耗、低成本、高可靠性、体积小等优点。现在主要用于ATM、通讯基站等设备的防范。

关键词: 压电;蜂鸣器;探测器

Design of vibration intrusion detector based on piezoelectric passive buzzer

Li Ying-lian  Dai Yong-feng

Eastern communications company limited, Hangzhou Zhejiang

Abstract:By piezoelectric passive buzzer reuse, designed a vibration intrusion detectors, to achieve the vibration signal detection and alarm sounds. The entire circuit is pure hardware design, the use of low cost, low power consumption of the LM324 op amp; through the switching circuit,the buzzer as a sensor, but also for alarm use,. Relatively vibration intrusion detectors on the market with low power consumption, low cost, high reliability and small size. Now mainly used to prevent ATM machine, communication base stations and other devices are compromised.

Key words: Piezoelectric; buzzer; detector


0 引言

市面上出现的各种振动入侵探测器,一般都使用专门的传感器,通过单片机进行控制,输出通过接扬声器进行报警,整个电路硬件设计成本高,且需要软件的配合,反映速度和可靠性存在一定的缺陷。针对这个问题,本文提出了一种通过压电式无源蜂鸣器的复用即可实现振动入侵信号探测又可报警的振动入侵探测器,节省了硬件和软件设计的成本,且更加可靠。

压电式无源蜂鸣器主要由压电蜂鸣片、共鸣箱及外壳等组成[1]。它是以压电陶瓷的压电效应[24],因压电材料受力后表面产生电荷。与压电传感器原理相同,且无射频噪声、低功耗等特点。考虑到蜂鸣器在做传感器使用时感应到的是mV级的电压,在做报警器使用时需要接一个5V左右的电压,因此我们选操作电压为1V30V的压电式无源蜂鸣器HYR-1407A

1硬件总体设计:

振动入侵探测器总体设计框图如图1所示,整个电路主要包括放大电路、信号累积、滤波电路、比较电路、报警延时电路、蜂鸣器报警控制电路、输入信号切换延时电路、蜂鸣器作用切换等电路。


电源上电稳定后,压电式无源蜂鸣器作振动传感器使用,当振动发生,蜂鸣器两端产生mV级交流电荷,交流电荷经过放大电路、信号累积、滤波电路变成V级的信号,当累积的信号达到比较器的阀值时,比较电路输出报警信号,此时LED报警灯亮,并通过报警延时电路输出切换控制信号,将蜂鸣器切换用作报警使用,同时,蜂鸣器报警控制电路利用556芯片(或两块555芯片)组成的报警延时和蜂鸣器振荡电路,使蜂鸣器发出报警声,为防止蜂鸣器下次切换时,因累积电路信号残留,出现误报警,增加了一个输入信号切换延时电路,将信号累积电路中累积的残余信号进行释放。报警结束后,蜂鸣器自动切换到传感器状态,等待下一次的振动。其中,放大电路中的选通开关,累积电路中的可调电阻,用来调整探测器对振动信号感应的灵敏度。

2主要电路设计

2.1压电式无源蜂鸣器切换电路

如图2所示,电源上电瞬间,Relay5V,蜂鸣器前端接蜂鸣器报警控制电路,后端接地,蜂鸣器作报警器使用。等电源稳定后,Relay恢复到0V,继电器开关进行功能切换,蜂鸣器前端接分压电路,分压电路为其提供一个0.92V的直流电压,蜂鸣器后端接放大电路,蜂鸣器作传感器使用,此时蜂鸣器可以感应频率在几Hz10KHz的低频振动信号。当振动发生时,蜂鸣器因压电效应其两端产生mV级的交流信号,并由Input端进入放大电路(如图2所示)。因压电无源蜂鸣器呈容性,故将R21并联在蜂鸣器两端,充当蜂鸣器的放电回路。

 图压电式无源蜂鸣器切换电路

2.2放大电路

Input输入的信号进入由LM358组成的放大电路(如图3所示)。该电路主要对信号进行带通滤波并放大。图中 C3是交流负反馈电路中的隔直通交电容, R14R22是交流负反馈电阻,阻值愈大,其交流负反馈量愈大,整个放大器的放大倍数愈小,反之则大,S1开关进行放大倍数调整,实现灵敏度粗调。由于负反馈电容C6R10并联,对于高频信号而言,C6容抗很小,使集成电路放大器的负反馈量很大,达到消除高频自激振荡的目的。对于直流信号来说,放大电路为电压跟随器,对直流电压无放大效果。

 图3   放大电路

所以,Input信号经电容C11低通滤波后进入LM358运算放大器。由图3得方程:

           (1)

式中R为R14与R22并联。

可以算出, S1闭合,带通频率860Hz-10KHz交流信号被放大(最大约930倍),探测器反映灵敏;S1断开,带通频率520Hz-3KHz交流信号被放大(最大约100倍),探测器灵敏度减小。

2.3信号累积滤波电路

信号经放大电路后到信号累积、滤波电路如图4所示,信号经D2整流二极管后,通过R7R0R5C2组成的RC充放电电路对交流信号进行信号累积。同时C2R3C10组成的  RC滤波电路,C2将大部分交流成分滤除,有少量的交流电流通过C10到达地线,由于电容的隔直作用,R3C10分压电路对直流电压不存在分压衰减作用,直流电压通过R3输出;因为C10的容量大,容抗就小,所以R3C10构成分压电路对交流成分的分压衰减量很大,达到滤波目的。

当传感器接收到一连串振动信号,并通过放大电路对交流信号放大1001000倍后,经D2整流,利用RC电路对C2进行快速充电,充电速度通过可调电阻R0进行微调。根据RC充放电时间常数[5]公式:

              (2)

可以计算出R7+R01K时,累积电路的充放电时间常数=4.7ms, R7+R03K时,累积电路的充放电时间常数=14.053ms,越小,充放电时间越快。并且C2上的电压会因一连串的上升电压而变高,实现信号累积的目的。交流信号经过 型RC滤波电路后,由频率响应[5]公式,可知电路仅能通过355mHz以下低频交流信号。

4 信号累积、滤波电路

2.4比较电路

为避免由于输入端的寄生反馈所造成的比较器输出振荡,设计中使用反相滞回比较电路来提高抗干扰性能,如图5所示。

5 比较电路

根据电路可得方程:

       (3)

Input2-Ur时,对应的阈值:

           (4)

Input2-<Ur,则输出Vout25V,由公式4得上阈值Vth1=2.92V,如Input2-逐渐上升,只要Input2-<Vth1,输出Vout25V将不变,当Input2- Vth1,则输出Vout2-5V, 由公式4得下阈值Vth2=0VInput2-继续上升,输出不变,之后Input2-逐渐减少,只要Input2->Vth2,输出Vout2-5V,直至Input2-Vth2,输出再次突变Vout25V。其传输特性如图所示。

6 比较器传输特性

因此,当信号累积、滤波电路输出超过2.92V时,比较电路Vout2输出由5V跳变到-5V,启动报警控制。

3测试

为了验证探测器的功能,进行了探测灵敏度及报警功能测试(符合GB/T 10408.2-2008振动入侵探测器的要求)。

灵敏度测试:将探测器安装在保险柜或电子柜上,关闭柜门,使用1.3kg钢制测力锤以100N~200N的力敲击ATM机任意位置,进行三次,试验中允许调整灵敏度[6]。测试结果如表1所示。

在灵敏度可调的情况下,探测器可以检测到80N以上的振动。

1探测器灵敏度测试

序号

S1

力度

LED报警

蜂鸣器

1

80N

报警

2

100N

不报警

3

150N

报警

4

150N

报警

报警功能测试:当使用普通机械工具、电 机械工具等,对装有振动入侵探测器的ATM机破坏性开启时引起的机械振动满足冲击脉冲宽度0.1ms~1ms,加速度≥800m/s^2时,探测器能响应且产生报警信号[6],测试结果如表2所示,报警功能满足设计要求。

2 报警功能测试

序号

冲击脉冲宽度(ms

加速度(m/s^2

LED报警

蜂鸣器

1

0.1

800

报警

2

1

800

报警

在整个测试过程中,报警信号持续时间为2.6S左右,并且在振动信号停止后,探测器3S内恢复到警戒状态。

4总结

基本压电式无源蜂鸣器的振动入侵探测器采用纯硬件设计,通过蜂鸣器的复用,解决了常用探测器成本高的问题。它适合低频信号的检测,主要用于ATM、通讯基站等设备的防范。该探测器已通过3C认证,并安装到ATM机上试用,其工作稳定,电路性能良好,满足设计要求。目前该探测器已获得发明专利。

参考文献:

[1]、huang chao压电蜂鸣器介绍[M/OL]http://wenku.baidu.com/view/f6eafc1d227916888486d73d.html?from=search

[2]阎瑾瑜,压电效应 其在材料方面的应用[J]。数字技术与应用,100104

[3]凌永发,王杰,压力器的选择与应用[J]。云南民族大学学报,2003123):192194

[4]张徽、高国旺、李汉兴、张维娜,新型压电式传感器前置放大电路的设计[J],电子测试,20106):1014

[5] 康华光。电子技术基础模拟部分(第四版)[M],北京:高等教育出版社,1998

[6]中国国家标准化管理委员会。GB/T 10408.2-2008振动入侵探测器[S],2008

 

作者简介:李英莲(1984-),中级工程师,硕士,硬件设计。E-mail:lylicquit@163.com

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