校園實(shí)訓(xùn)室玻璃地板破碎報(bào)警器電路設(shè)計(jì)

安 然

(運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西 運(yùn)城 044000)

0 引 言

目前校園內(nèi)實(shí)訓(xùn)室的裝修也像家居裝修一樣越來(lái)越新穎，以前的地板局限于瓷地板和木地板等，而現(xiàn)在很多實(shí)訓(xùn)室采用了玻璃地板，玻璃地板的原材料是鋼化玻璃，具有很強(qiáng)的穩(wěn)固性和抗沖擊性，不會(huì)像普通玻璃一樣易碎。運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室之所以選擇玻璃地板，是因?yàn)橄啾绕渌牧系牡匕澹ＡУ匕宀粌H是新穎美觀，更是服務(wù)于《網(wǎng)絡(luò)綜合布線(xiàn)》這門(mén)課程。網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室擁有千兆交換機(jī)、千兆路由器、千兆防火墻、入侵檢測(cè)、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，承擔(dān)著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、組網(wǎng)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)管理、服務(wù)器管理與維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)工程與綜合布線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等課程的實(shí)踐教學(xué)工作。能提供從核心層、骨干層、匯聚層到接入層等不同業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，可開(kāi)設(shè)交換實(shí)驗(yàn)、路由實(shí)驗(yàn)、安全實(shí)驗(yàn)、VOIP實(shí)驗(yàn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、認(rèn)證計(jì)費(fèi)實(shí)驗(yàn)、綜合網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)、邏輯網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)等。搭建玻璃地板可以直觀地看到地板下面各種電纜的鋪設(shè)方式，便于學(xué)生的學(xué)習(xí)。不過(guò)玻璃地板存在隱患，如果破碎，會(huì)出現(xiàn)人員的傷亡和漏電等重大事故，本文針對(duì)這一點(diǎn)設(shè)計(jì)一款實(shí)訓(xùn)室玻璃地板破碎報(bào)警器。

1 電路框圖

壓電式振動(dòng)傳感器是專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器，適用于一些特殊場(chǎng)合的報(bào)警。它主要是利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃地板的撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，輸出電壓經(jīng)過(guò)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 壓電式玻璃破碎報(bào)警器電路框圖

2 任務(wù)實(shí)現(xiàn)

2.1 壓電式玻璃破碎報(bào)警器的選用

隨著技術(shù)的發(fā)展，新型振動(dòng)傳感器性能越來(lái)越好，本設(shè)計(jì)選用Z02B集成高靈敏度的振動(dòng)傳感模塊，使用時(shí)將傳感器用膠貼在玻璃上，然后通過(guò)電纜和報(bào)警器相連。Z02工作電壓為DC 5 V(典型應(yīng)用為3 V，極限為12 V)。由于該模塊輸出幅度可達(dá)到模塊端電源電壓，滿(mǎn)足數(shù)字模塊的出發(fā)電壓，所以使用時(shí)通過(guò)與非門(mén)整形后和三極管9014相連，三極管9014集電極通過(guò)揚(yáng)聲器BL接電源。為了提高報(bào)警器的靈敏度，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波，要求它對(duì)選定的頻譜通帶內(nèi)衰減要小，而對(duì)外衰減落差大，如圖2所示。

圖2 BS—D2壓電式玻璃破碎傳感器

2.2 放大電路

傳感器的輸出信號(hào)一般比較微弱，需通過(guò)放大電路將其輸出的直流信號(hào)進(jìn)行放大處理，為檢測(cè)系統(tǒng)提供高精度的信號(hào)。由于壓電傳感器產(chǎn)生的電量非常小，就要求測(cè)量電路的輸入電阻盡量大，這樣才能減小測(cè)量誤差，因此在壓電式傳感器的輸出端總是接入高輸入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大電路。這里選擇電荷型放大電路，圖3(a)中Ra為壓電傳感器的絕緣電阻，Cc為連接電纜的傳輸電容，Ri為前置放大器的輸入電阻，Ci為前置放大器輸入電容；圖(b)中為等效綜合電容，C=Ci+Ca+Cc，R=RaRi/(Ra+Ri)即為等效綜合電阻，兩圖中Rf、Cf為反饋電阻和電容，分析計(jì)算可得輸出電壓ΔU=-Q/Cf,可見(jiàn) 可見(jiàn)輸出電壓值主要決定于Q和Cf，因此要得到必要的測(cè)量精度，反饋電容Cf的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性要好。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到不同的量程，Cf的容量一般做成可調(diào)式，范圍在100～10 000 pF之間。

圖3 壓電式傳感器電荷型放大電路

2.3 帶通濾波器

在傳感器獲取的測(cè)量信號(hào)中，往往混入了一些與被測(cè)量無(wú)關(guān)的干擾信號(hào)，使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，控制裝置誤動(dòng)作，所以需要采取相應(yīng)措施，提取有用信號(hào)，抑制噪聲等干擾信號(hào)。對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)噪聲，重要的是抑制噪聲源，選用質(zhì)量好的器件；對(duì)于系統(tǒng)間噪聲，要防止外來(lái)噪聲的侵入，在這里選用濾波的方式，如圖4所示。

濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)順利通過(guò)而同時(shí)抑制無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置，它的特性用幅頻響應(yīng)來(lái)表征。帶通濾波器有兩個(gè)阻帶，一個(gè)通帶，只允許某一頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)。而通帶下線(xiàn)頻率wL以下，上限頻率wH以上的信號(hào)均被濾除，如圖5所示。

圖4 帶通濾波器幅頻響應(yīng)圖 圖5 有源帶通濾波器電路

2.4 振動(dòng)報(bào)警電路

該傳感器的靈敏度極高，能檢測(cè)微弱的振動(dòng)波；抗沖擊強(qiáng)度高，能承受同類(lèi)傳感器不能承受的強(qiáng)烈振動(dòng)工作條件；防水性能好，能適應(yīng)濕度較大的工作環(huán)境。因此，Z02B非常適用于玻璃地板監(jiān)控的振動(dòng)信號(hào)采集，安裝在玻璃地板一些振動(dòng)敏感的地方。它也可作為玻璃破碎報(bào)警，安裝時(shí)需將模塊安裝面與玻璃表面緊貼。

為了避免玻璃輕微振動(dòng)產(chǎn)生誤報(bào)警，采用了分壓比較電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)整可調(diào)電阻，來(lái)獲得玻璃破碎所要達(dá)到的報(bào)警電壓，使得門(mén)電路剛好可以被驅(qū)動(dòng)，從而使三極管進(jìn)入飽和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器BL報(bào)警，起到防盜功效，如圖6所示。

圖6 振動(dòng)報(bào)警電路

3 總 結(jié)

通過(guò)以上壓電式玻璃破碎傳感器Z02B的電路設(shè)計(jì)，將外加的壓力轉(zhuǎn)換成電荷變化量，再通過(guò)電荷放大后，檢測(cè)其對(duì)應(yīng)的壓力。電容式傳感器將外加力轉(zhuǎn)變成傳感器電容量的變化，然后再通過(guò)一定的電路將此電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等信號(hào)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。