Лабораторная работа № 15

Активный инфракрасный охранный извещатель вектор 3а с макетированием в пакете electronic workbench

Цель работы

Изучение принципов работы активных инфракрасных извещателей, умение рассчитать основные устройства извещателя с последующим макетированием в пакете Workbench.

Программа работы

1. Изучить описание активного инфракрасного извещателя

1.1. Изучить принцип работы активных инфракрасных извещателей

1.2. Изучить описание структурной и принципиальной схемы извещателя Вектор 3А

2. Рассчитать основные устройства извещателя

2.1. Рассчитать период и длительность импульса передатчика

2.2. Рассчитать емкости мультивибратора и ждущего мультивибратора

2.3. Рассчитать усилитель тока передатчика

2.4. Рассчитать входное устройство приемника

2.5. Рассчитать усилитель приемника

2.6. Изучить принцип работы временного анализатора и определить необходимые для него сигналы

2.7. Рассчитать выходное устройство извещателя

3. Экспериментально исследовать виртуальный извещатель в пакете Workbench

3.1. Собрать модель передающего устройства; определить период сигнала, длительность импульса, амплитуду тока через диод; определить погрешности этих параметров

3.2. Собрать модель входного устройства; определить значение полезного сигнала и выигрыш в коэффициенте преобразования импульсного сигнала по сравнению с постоянным

3.3. Собрать модель усилителя; снять его амплитудно–частотную характеристику и коэффициент преобразования при подаче импульсного сигнала

3.4. Собрать и оценить правильность срабатывания регистра сдвига и снять показания на выходе ячейки

3.5. Собрать и исследовать выходное устройство извещателя.

3.6. Собрать и проверить работоспособность имитатора приемника в сборе

4. Выводы

Методические указания

1. Описание работы активного инфракрасного извещателя «Вектор-3а»

1.1 Принцип работы активных инфракрасных извещателей

Назначение: обнаружение перемещения в контролируемой зоне с формированием сигнала «ТРЕВОГА» путем размыкания контактов реле на выходном устройстве и включением красного светодиода [1].

Конструктивно активные инфракрасные извещатели АИКИ делятся на двухблочные и одноблочные. В двухблочных извещателях передатчик и приемник разнесены. Они устанавливаются по разные стороны от защищаемого объекта (дверь, стена, окно, ценное изделие и т.д.).

В моноблочной конструкции передатчик и приемник совмещены в одном блоке. В этой конструкции луч от передатчика поступает на специализированный отражатель и, с последнего, на приемник. В обоих случаях в режиме НОРМА луч от передатчика поступает на приемник. При нарушении луч перекрывается и формируется сигнал «ТРЕВОГА». Чтобы луч был невидим ночью, используют инфракрасные лучи. В извещателях используют импульсную модуляцию луча. За счет увеличения скважности импульсов q, при прежней потребляемой мощности от источника питания Р_ср, значительно увеличивается мощность в импульсе Р_и (Р_и =q · Р_ср), а следовательно увеличивается расстояние блокировки.

АИКИ могут использоваться для защиты:

– внутренних помещений;

– внешних рубежей.

АИКИ для защиты внешних рубежей более сложны, так как необходимо осуществлять блокировку участков большой протяженности (сотни метров, единицы километров) в сложных метрологических условиях.

АИКИ бывают однолучевые и многолучевые; последние обеспечивают большую достоверность обнаружения.

Основные технические характеристики АИКИ (на примере некоторых извещателей):

1. Дальность действия L (Извещатель Вектор–3 L=20м; СПЭК 175 L=175м; Рубеж–3М L=600м)

2. Диапазон обнаруживаемых скоростей перемещения v (v≤3 м/с)

3. Помехозащищенность (см. дальше более подробно)

4. Дополнительные технические данные

– Период сигналов передатчика T (T=2мс - Вектор-2; T=40мс –

Вектор–3);

– Длительность импульса τ_и (τ_и=20мкс для Вектор–2 и Вектор–3).

5. Устойчивость к климатическим факторам:

– температурный диапазон - 45°С ÷ +50°С;

– влажность ≤95%;

– солнечная засветка ≤10 000 лк

6. Питание (U=12B; I≤60мА)

7. Габариты (на примере извещателя СПЭК 75) – 140×145×65 мм³

8. Сервисные функции

Рассмотрим несколько подробнее две важные проблемы, а именно: устойчивость к климатическим факторам и помехозащищенность извещателей

1. Устойчивость к климатическим факторам

а) Изменение прозрачности среды приводит к ослаблению луча и к ложному срабатыванию при неблагоприятных атмосферных условиях (дождь, снегопад, туман). Надежность в таких случаях обеспечивают за счет многократного превышения энергии луча над минимальным пороговым значением, необходимым для срабатывания датчика.

б) Зимой возможно обмерзание или налипание снега на оптические поверхности блоков, что приводит так же к ослаблению луча. Достаточно надежными методами борьбы с указанными явлениями служат специальные козырьки на оптических фильтрах и внутренние обогреватели оптико–электронных блоков.

Помехозащищенность извещателей

Помехозащищенность обеспечивается конструктивными и схемотехническими методами.

Конструктивные методы повышения помехозащищенности:

а) Для того чтобы луч от передатчика попадал в приемник необходимо, чтобы конструкции, на которых они установлены, не вибрировали, т.е. АИКИ должны быть установлены на прочные недеформируемые конструкции.

б) Источником помех может быть также прямая засветка приемника солнечными лучами. Чаще всего это случается на закате и рассвете, когда солнце стоит низко над горизонтом. Также засветка может происходить от осветительных приборов в ночное время (например, фары автомобиля, осветительные лампы). Засветка приводит к смещению рабочей точки фотоприемника. Вероятность ложного срабатывания и пропуск цели увеличивается, если смещение возрастает. Для устранения этих помех в оптические системы передатчика и приемника устанавливаются светофильтры, а также применяют схемотехнические методы.

в) Для того чтобы находящиеся вблизи предметы не создавали помеху (затемнение луча или дополнительное отражение) необходимо создать свободную от предметов зону на расстоянии не менее 0,5 метра от луча.

г) АИКИ, предназначенные для защиты внешних рубежей, могут срабатывать при попадании в луч птиц, листьев и т.д. Для повышения устойчивости и надежности ИК-лучевых систем их делают многолучевыми (обычно используют 2 или 4 независимых луча). Сигнал “Тревога” формируется, если перекрыты все лучи одновременно. Мелкие предметы не смогут перекрыть все лучи разом, что избавляет от ложных срабатываний. Недостаток – увеличение количества излучателей и приемников, что ведет к увеличению стоимости.

Схемотехнические методы повышения помехозащищенности.

а) Ограничение полосы пропускания усилителя приемника.

б) Анализ принимаемых сигналов только в момент излучения тактовых импульсов передатчика. Это позволяет устранить помехи приходящие не в такт с этими импульсами.

в) Фиксация факта нарушения не по одному сигналу (он может быть ложным), а по накоплению определенного количества сигналов.

г) Использование фотодиода в динамическом режиме, когда сопротивление фотодиода мало меняется от постоянной засветки и сильно меняется от импульсной засветки. Это позволяет уменьшить влияние постоянной засветки.

1.2. Описание структурной и принципиальной схемы извещателя Вектор–3А

В разработанной нами лабораторной работе исследуется модифицированный вариант серийного извещателя, а именно Вектор-3А. Изменить схему пришлось из-за того, что часть узлов Вектор–3 не работает в пакете Workbench, некоторые элементы отсутствуют в библиотеке и т.д.

Извещатель Вектор-3А выполнен по блочному принципу, т.е. в одном блоке совмещены излучатель и фотоприемник. В дежурном режиме инфракрасный поток (ИК – поток) от излучателя проходит через контролируемое пространство до светоотражателя и возвращается на фотоприемник, где преобразуется в электрический сигнал. Если приемник фиксирует определенное количество импульсов, то извещатель находится в режиме «ОХРАНА», при котором контакты исполнительного реле замкнуты, а индикатор не светится. При перекрытии луча или сильном ослаблении ИК – потока импульсы пропадают, и извещатель выдает тревожное извещение в виде размыкания контактов реле, загорается красный светодиод.

Структурная схема извещателя "ВЕКТОР-3А" представлена на рис.1, принципиальная – на рис. 2а, рис. 2б. Передатчик (рис. 1, рис. 2а) состоит из генератора прямоугольных импульсов, ждущего генератора, усилителя тока и ИК излучателя. Генератор прямоугольных импульсов (DD1.1, DD1.2, DD4.2) вырабатывает импульсную последовательность, которая задает период работы извещателя (использование в качестве инвертора свободной половины микросхемы DD4, примененной в приемнике, позволяет уменьшить общее количество корпусов). Ждущий генератор (DD2.1–DD2.2) формирует короткие импульсы, которые через усилитель тока (VT1 – VT2) запитывает ИК–излучатель VD1, а также служат для управления временным анализатором (DD3–DD4.1). Излучающий светодиод VD1 преобразует электрический сигнал в ИК–энергию. Модулированный ИК – луч, сфокусированный линзой, пройдя через «контролируемое пространство и отразившись от светоотражателя, попадает в приемник. Приемник состоит из фотодиода, эмиттерного повторителя, усилителя, временного анализатора и выходного устройства. ИК луч передатчика поступает на фокусирующую линзу приемника и далее на фотодиод VD2 (рис. 1, рис. 2б). Фотодиод преобразует импульсную ИК – энергию в электрический сигнал в виде импульсной последовательности.

Благодаря положительной обратной связи через конденсатор С5 нагрузка эмиттерного повторителя становится большой для импульсных засветок фотодиода и незначительной при постоянных подсветках (более подробно смотри п.2.4.2). Далее сигнал усиливается и ограничивается усилителем AD1 и подается на J–K′ вход временного анализатора. Временной анализатор, состоящий из регистра сдвига DD3 и ячейки DD4.1 (типа четыре ИЛИ–НЕ) служит для обнаружения прерывания ИК луча.

Рассмотрим режим НОРМА (ОХРАНА).

Импульсы ИК луча поступают на J–K' вход DD3; в момент прихода тактовых импульсов на счетный вход CLK, сигнал с J–K′ входа переписывается на выходы регистра сдвига. Помехозащищенность извещателя существенно повышена за счет того, что регистр сдвига обрабатывает только те входные импульсы (по входу J–K'), которые синхронны с тактовыми импульсами от передатчика. На всех четырех выходах DD3 будет «1». На выходе ячейки DD4.1 будет «Ø».

В связи с тем, что на e₊ схемы AD2.1 «Ø», а на e_- – положительное напряжение U_d2, то на выходе AD2.1 будет «Ø». Через реле течет ток, оно срабатывает, обеспечивая надежный прижим контактов реле. Контакты реле через резистор R_шс подключаются к выходному разъему извещателя (Ш1–3, Ш1–4) и далее к контрольной панели пульта охраны. При сопротивлении шлейфа равном R_шс на пульте охраны срабатывает сигнализация «НОРМА» (ОХРАНА).

Так как на выходе схемы AD2.1 ноль, то на выходе AD2.2 будет «1» и красный светодиод не горит.