高靈敏度多功能綜合報警器的設計

鄧青

（江西省井岡山應用科技學校，江西吉安 343009）

關鍵字：靈敏度；報警器；設計；NE555；CD4069；AD轉換；

2016年～2020年是我國全面建成小康社會決勝階段，和人民生活息息相關的消防和安防工作面臨著諸多復雜矛盾疊加、各類風險隱患增多等嚴峻挑戰。消防綜合性的多功能報警器是時代發展的必然要求。

火災也是我們生活中最常見的災害之一，對我們的人身安全、財產安全、社會公共安全造成了嚴重的威脅。目前市場上多數火災報警器多為單一的、封閉的、局限性的報警器，嚴重制約了消防安全未來的發展。此外，大家的安全防范意識還有待提高，應急處理的手段也需要學習和加強。有關調查顯示，截至2020年，我國一共有3 299個城市縣城以及各大新建的小區大多安裝了報警器，且大部分家庭也安裝了。這意味著，隨著國家的高速發展，人民對生活、工作周邊的環境安全性需求日益增加，尤其對于防火防盜的檢測、報警的方式要求日益提升。但不容樂觀的是，很多老舊城區有95%以上的家庭未安裝報警器，甚至還有一些娛樂場所、商業網點、學校（幼兒園）面臨監視器老化等問題[1]。高靈敏度多功能綜合報警的設計是適應新時代的發展需求，有效防止火災、偷盜、搶劫等案件的發生，并提供給居家、工作場地、各類學校、公共場所等安全保障，通過簡單的硬件電路組裝、焊接與調試，解決多種類型的報警器多頭安裝的問題，特設計了本文中的“高靈敏度多功能綜合報警器”。

一、電路設計、組裝、調試

隨著集成電路設計與制造技術的快速發展，電路系統的功能越來越強大，組成也越來越簡單輕薄，軟件設計的優勢非常顯著。但硬件電路設計的重要性也不容忽視。硬件電路是電路系統的重要組成部分，硬件電路設計是否合理直接影響了電路的整體性能。硬件電路的設計一般分為設計需求分析、原理圖設計、PCB設計、工藝處理四步。本實驗主要側重設計需求分析和原理圖設計。對于電子技術應用專業的初學者或者電子愛好者來說，硬件電路的設計是最直接、最容易上手、成本最低的方式。

要通過簡單的電路組裝而不是程序設計來實現綜合報警，對于初學者來說，不是一件難事?？梢韵葟淖罨镜穆曇魣缶娐贰⒓t外線報警電路著手。首先掌握了基本的檢測方式、AD轉換的電路原理、CD4069芯片的功能使用，再尋找其他檢測手段，仿照實施。然后再組合在同一個大電路中實現綜合報警的功能。這時候的模擬調試、做好防干擾處理等就很重要了，這是提高報警器靈敏度的關鍵一步。

因為我們要設計的報警器除了報警的聲音之外，還要有用于觸發的電路。常見的觸發電路是按下開關時立即觸發，放開后就會停止。這時如果有突發情況報警器響了后，只要離開監控區域就不會報警了。所以對于報警器的觸發需要設計永久性的觸發電路，即觸發和停止不是同一個開關，一個啟動警報，另一個用于主人發現后關閉警報。這可以通過NE555芯片和CD4069芯片實現，而芯片的好壞直接影響了報警是否正常，所以這里我們以CD4069芯片的檢測為例。CD4069芯片的檢測主要有輸出高低電平測試法和構成振蕩電路測試法兩種。

（一）輸出高低電平測試法

如圖1所示，測試時，先將指針萬用表調至直流50V電壓檔，電源可使用四節1號干電池（即6V），也可用直流穩壓電源。再將萬用表的黑表筆接地，紅表筆接到待檢測門的輸出端，然后分別用A端和C端去觸碰被測門的輸入端。當A端接到輸入端時，由于輸入端為高電平，那么，經反向后其輸出端應為低電平，這時萬用表的讀數應為0V；當用C端去接到輸入端時，由于輸入端為低電平，那么，經反向后輸出應為高電平，這時萬用表的讀數應為5.5V左右。如符合上述條件就說明被檢測的門是好的。以此類推，將CD4069的六個非門逐個進行測試，即可判斷芯片的好壞。

圖1 用輸出高低電平測試法檢測CD4069芯片的示意圖

（二）構成振蕩電路測試法

根據如圖2所示的電路，利用搭起一個振蕩器來判斷CD4069芯片的好壞既簡單又可靠。非門1、非門兩組成了脈沖振蕩器，振蕩頻率應為幾Hz，經非門3到非門6后就會驅動LED閃爍發光，如果6個非門中有1個或幾個是壞的，則觀察到的LED就不會閃爍發光而是一直滅或一直亮。通過上述方法，可以直觀地判斷CD4069芯片的好壞。

圖2 用構成振蕩電路測試法檢測CD4069芯片的示意圖

高靈敏度多功能綜合報警器的總電路我們設計了六個模塊，有電源模塊、聲音檢測模塊、音樂報警模塊、紅外檢測模塊、觸摸檢測模塊、煙霧檢測模塊，即四種檢測手段實現兩種類型的報警。高靈敏度多功能綜合報警器的功能實現為：當報警器安裝完成后，電源正常接通，在監控范圍內，出現以下四種情況均會帶動報警電路點亮報警指示燈并發出報警音樂：1.在聲音檢測模塊的監控范圍內出現有異響；2.在紅外檢測模塊的監控范圍有物體或者人經過；3.在觸摸檢測模塊的監控范圍到有物體接觸；4.在煙霧檢測模塊監控范圍內有煙霧達到一定濃度。

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器，具有專用集成電路、數字信號處理器、微處理器、存儲器、現場可編程邏輯門陣列及其他數字或模擬的負載提供供電的特點。常常用于交換設備、接入設備、移動通信、微波通信等領域。

電路模塊的組裝方法為：按照圖3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.聲音檢測模塊

聲音檢測電路是高靈敏度多功能綜合報警器的基礎電路模塊，設計前需要先熟悉電路中的聲音信號轉換電信號、信號多級放大、整形濾波、LED燈亮等工作原理，再對電路進行組裝、調試、維修。首先需要了解CD4069六反相器、引腳功能、常用電路、檢測方法等基本知識，根據聲音檢測電路原理圖組裝硬件電路，包括對照清單挑選元器件、元器件質量檢測、組裝、焊接等；還可以通過Multisim軟件繪制的聲音檢測電路圖，借助虛擬萬用表測量CD4069芯片U1c引腳和U1d引腳之間的電壓，測量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，調節RP3，使得聲音檢測靈敏度適中，有較大聲音時TP5為高電平，無聲音或較小聲音時為低電平。話筒獲得聲音信號經耦合放大整形濾波后，OUT3輸出低電平信號。本項目音樂報警電路模塊中OUT1-OUT4任一路輸出低電平后VT2都導通。音樂芯片得電后發出報警音樂。無聲音或聲音較小時，TP5為低。當有較大聲音或振動時，TP5為高，LED2點亮。適當調節Rp3，使其靈敏度適中。報警音樂不能使聲音電路感應，否則，聲音反饋回來會使得一直報警。

圖4 聲音檢測硬件電路原理圖

圖5 通過Multisim軟件繪制聲音檢測電路圖進行軟件調試

3.音樂報警模塊

音樂報警模塊在生活中，常出現在警車、火警等領域，它采用了專門的音樂報警的芯片驅動外圍蜂鳴器，就能產生各種音調的警報信號。成本低，符合各類應用需求。

音樂報警模塊的組裝可以按照圖6的電路圖，挑選元器件、測試元器件的好壞，按照焊接工藝標準完成即可。此模塊的組裝建議放在多功能綜合報警器電路的最后安裝，因為四個模塊中任何一個檢測到有報警信號，報警電路都會發出報警音樂，容易互相干擾。

圖6 音樂報警電路圖

音樂報警模塊的調試可以采用硬件調試的方法：如報警電路都會發出報警音樂且LED5報警燈亮。調節Rp4，可使報警音樂速度正常。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。如無聲音或聲音較小時，TP5為低，當有較大聲音或振動時，TP5為高，LED2點亮，適當調節Rp3，使其靈敏度適中。

4.紅外檢測模塊

紅外線報警已成為學校、辦公樓、居民家庭、賓館等場所普遍采用，在實際生活中有時出現信號檢測、信號處理等問題，致使系統誤報、漏報、報警系統不動作等。此模塊中需要重點注意貼片元件焊接要求及工藝標準，包括元件檢測、三極管焊接、IC焊接、靜電環使用。

圖7 紅外檢測電路圖

硬件調試分為靜態調試和動態調試，前者是調節RP5電位器使VT6基極電壓為0.6V，后者是有信號時調節RP5電位器，使TP7為4V。

軟件調試則利用Multisim仿真軟件檢測紅外線報警器電路正確性。首先對電路進行仿真測試TP7點電壓，然后測量VT6基極電壓，最后測量IC6各腳電壓進行綜合分析。

如需要電路有故障需要維修，可以通過萬用表檢測維修和示波器測試維修兩種方法。萬用表檢測維修首先對電路板測量VT6基極電壓，再對電路板測量IC6各腳電壓進行綜合分析，最后測量VT5基極電壓。用示波器測試法可以測量TP5電壓波形，再測得TP6產生方波，表示紅外脈沖信號發射電路正常。對管前無物體擋住時，TP7為低電平，LED3不亮。用物體放在紅外對管前時，TP7為高電平，LED3點亮。調節Rp5，使得感應的距離最遠。

5.觸摸檢測模塊

觸摸式報警器在生產生活中應用廣泛，觸摸檢測線路主要通過觸摸傳感器接收信號并轉換為電信號，經過NE555芯片構成的單穩觸發電路實現報警功能。觸摸報警器已成為學校、辦公樓、居民家庭、賓館等場所統一采用的消防應急設施，產品在生產過程中如出現信號檢測、信號處理等問題，將致使系統出現誤報、漏報、報警系統不動作等，后果嚴重[2]。

設計組裝觸摸檢測電路需要掌握555定時器工作原理、555構成的單穩態觸發電路原理。熟悉觸發電路的檢測方法。

組裝后的調試分為軟件調試和硬件調試。軟件調試可以利用Multisim仿真軟件對電路進行檢測調試和測量C5電容的電壓波形、集成555輸出3腳的波形、改變RP測TP4點的電壓。硬件調試可以用萬用表對電路進行電壓、電阻的檢測，再用示波器對電路進行波形檢測。

圖8 觸摸檢測電路原理圖

如出現故障，可以觀察PCB板元件安裝是否正確及焊點是否合格；用萬用表對電路故障進行排查。最后，用手指觸摸TOUCH，LED4點亮。調節Rp2，使得觸摸一次手離開后LED4點亮保持的時間為2-3S。說明此模塊運行正常。

6.煙霧檢測模塊

煙霧檢測電路一般由煙霧傳感器和煙霧探測芯片構成，探測芯片接收傳感器信號并進行處理，發出警示音，從而判斷是否有火災發生。煙霧報警器已成為學校、辦公樓、居民家庭、賓館等場所統一采用的消防應急設施，產品在生產過程中如出現信號檢測、信號處理等問題，將致使系統出現誤報、漏報、報警系統不動作等，后果嚴重。

無煙霧或者煙霧濃度較低的情況下，TP1電壓較低，當煙霧濃度較高時TP1電壓升高，表示傳感器工作正常。調節Rp1，使無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，TP2輸出為高電平，LED1點亮。

圖9 煙霧檢測電路原理圖

當所有模塊全部組裝檢測完后，如有靈敏度不佳或干擾等問題，可以嘗試以下方法調試：

（1）當手指觸摸TOUCH后LED4點亮，此時測得TP4的電平為高。

（2）當煙霧傳感器周圍煙霧濃度增大時，其A-B間阻值減小，則要使煙霧濃度更大時才報警，Rp1應下調。

（3）要使聲音檢測電路檢測聲音信號更靈敏，Rp3接入的電阻應調大。

（4）正常工作時，當有物體擋在紅外發射、紅外接收管前時，LED3亮，當物體移開后，LED3亮2-3秒熄滅。如果有個線路板焊接好后，發現紅外感應觸發后將物體移開，LED3亮的時間為二十幾秒，則可能是R23元件焊錯了。

表1 測試點TP6的波形參數情況表

圖10 項目制作成果展示

（5）電路在正常工作時，測量測試點TP6的波形及參數如上。

三、綜合調試

前面六個模塊在電路組裝調試成功后，由于工作過程中任何一個電路報警都將影響其他電路的檢測，所以本任務要解決除電源模塊外的五個模塊電路工作中的相互干擾問題。

首先，利用Multisim仿真軟件檢測高靈敏度多功能綜合報警器電路正確性；其次，分析EN555、CD4069在實際電路應用并電路仿真；最后，電路硬件調試：靜態調試測量VT6三極管基電壓為應0.6V，VT4三極管基電壓為0.58V；動態測試調節RP2、RP5、RP1、RP5電位器，測量TP7、TP6、TP5、TP4電壓。如有故障，可以通過測量關鍵點電壓判斷TP5、TP2、TP4電壓，分析故障部位，正常電壓為4V?；蛲ㄟ^Lab view虛擬檢修平臺排NIMYDAQ數據采集與萬用表電壓測試。

四、結束語

總的來說，以多功能綜合報警器為代表的家用安防設備市場前景廣闊，我國主要以鼓勵性政策的方式推廣，并引導居民強化安防意識。目前，國內市場對于綜合報警器的購買主要以政府、企事業單位為主。隨著我國經濟的迅猛發展和人民生活水平的不斷提高，各種現代化的家用電器不斷增加，對于安防這塊的需求更加強烈，后續在本綜合報警器的基礎上還將加入軟件設計的部分提升安防的水平和質量。如利用AT89C52單片機控制，利用電子傳感器將電壓信號量輸送出去，之后過濾信號，實現線性化，發揮模塊化的優勢，再利用C語言作為主要編程工具，設計相應功能的程序下載其中，實現電路的靈活性、延展性、實用性。