Разработка системы срабатывания сигнализации автомобиля на основе активного датчика инфракрасного сигнала

Сегодня практически не используются.

Рисунок 1.8 Пример ультразвукового датчика сигнализации.

 

Инфракрасные

Инфракрасные детекторы  бывают активные (используется передатчик и приемник) и пассивные (передатчик отсутствует,  есть только приемник ИК излучения человека).

Активные ИК охранные датчики  имеют передатчик, излучающий инфракрасный луч или несколько лучей и приемник для их улавливания. Эти  извещатели выдают сигнал с помощью выходного нормально замкнутого (НЗ) контакта реле, который включается в проводной шлейф охранной сигнализации, при пересечении ИК луча (лучей) человеком или другим объектом. Этот контакт, рассчитан на небольшой ток и напряжение в шлейфе сигнализации и размыкается при срабатывании датчика или при пропадании питания датчика. Схема организации активного ИК датчика изображена на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 Схема работы активной ИК сигнализации.

 

Принцип работы пассивных  инфракрасных охранных датчиков основан  на улавливании приемником инфракрасного  излучения человека и выдаче сигнала  на выходное реле, если человек двигается (рис. 1.11). По физической природе видимый свет и ИК излучение одинаковы. ИК излучение также можно сфокусировать линзой, как обычный свет. При попадании ИК излучения на фотоэлемент он меняет свои параметры. При комнатной температуре в видимом свете тела не светятся, а в ИК диапазоне - просто сияют (рис. 1.10).

  

Рисунок 1.10 Инфракрасный (температурный) свет от человека (слева) и собаки (справа), воспринимаемый пассивным ИК приемником.

 

Рисунок 1.11 Чувствительность пассивного ИК датчика.

ИК приёмники оснащены пироэлектрическим детектором, который преобразует тепловые колебания в электрические. Для фокусировки инфракрасного излучения на пироэлементе ИК датчика обычно применяются мультилинзы (рис. 1.12). Ими же определяется зона чувствительности (рис.1.13).

Рисунок 1.12 Устройство пассивного ИК приемника.

Рисунок 1.13 Зоны чувствительности датчика.

Так называемые линзы Френеля  (рис. 1.14) являются идеальным устройством для сегментирования и одновременного расширения зоны охвата инфракрасного детектора. Отдельные линзы располагаются в круговом сегменте. Чем больше таких линз, тем более мелкие движения может улавливать датчик.

Рисунок 1.14 Устройство и принцип действия линзы Френеля.

Яркость ИК света зависит  от температуры тела. Что горячее - светится ярче, что холоднее, светится слабее. Контраст между ИК свечением  человека и, например, ИК свечением  холодного окна значительный. Присутствие человека распознается сразу.

Почти все датчики присутствия (объёма) на сегодня - это датчики с круговыми или овальными диаграммами обнаружения. Датчики присутствия с квадратной зоной обнаружения на сегодня выпускаются только единственной немецкой компанией. Квадратная зона обнаружения значительно упрощает проектирование, да и самих датчиков требуется меньше: 4 «квадратных» вместо 7 с круговой диаграммой (рис. 1.15).

Рисунок 1.15 Различия между круговой и квадратной диаграммами обнаружения.

 

Достоинства инфракрасных датчиков:

• Большая дальность действия и угол охвата в диапазоне от 120° до 360° обеспечивают различные области применения.
• Функция защиты от подкрадывания для непрерывного контроля.
• Надежность функционирования даже при плохих погодных условиях.
• Простая и удобная установка и монтаж.
• Любое тело, температура которого превышает абсолютный нуль (-273,15° C), обладает электромагнитным излучением. Тепловое излучение человека находится в инфракрасном диапазоне.

 

Недостатки инфракрасных датчиков:

• На датчик не должен падать прямой свет ламп.
• В зоне обнаружения не должно быть перегородок, даже стеклянных, т.к. ИК свет сквозь стекло не проходит.
• Датчики движения и присутствия следует устанавливать подальше от отопительных приборов, кондиционеров или вентиляторов.
• Настройка чувствительности датчика может носить сезонный характер.

 

Лазерные (световые)

Суть работы датчика заключается  в том же принципе, что и у  активного инфракрасного датчика. Есть приёмник, принимающий луч, и  есть излучатель, посылающий этот самый  луч (рис. 1.17). При пересечении луча посторонним предметом, приёмник перестаёт получать сигнал и срабатывает сигнализация. Разница в том, лишь, что вместо ИК диапазона используется направленный луч видимого спектра. Однако такой датчик легче обнаружить, если он недостаточно замаскирован. На рисунке 1.16 изображены топологии организации лазерного периметра.

Рисунок 1.16 Варианты топологий лазерных систем обнаружения.

Рисунок 1.17 Наглядный пример лазерной «сетки».

В данном обзоре были рассмотрены  основные типы защиты  автомобиля от посягательства сторонних лиц и  других нежелательных для авто-владельца явлений. Как наиболее перспективные и доступные варианты подробно рассматривались виды датчиков, основанных на приёме-передаче сигнала, т.н. датчики объёма (проникновения). К ним относятся акустические, ультразвуковые, микроволновые, инфракрасные активные и пассивные, а так же  и лазерные. Как и любые устройства, они имеют свои достоинства и недостатки, например, акустические и УЗ датчики водители устанавливают всё реже. Лазерные достаточно дорогие, и позволить себе их может не каждый автовладелец. У СВЧ детекторов большая чувствительность и много ложных срабатываний от излишней активности рядом с автомобилем, т.к. их сигнал проникает за пределы кузова на прилегающую территорию. Пассивные ИК датчики ложно срабатывают на перемещения воздушных масс в салоне автомобиля, кроме того в тёплое время года, когда температурный фон в салоне достаточно высок, и температура человеческого тела сливается с  ним, злоумышленник просто не может быть обнаружен таким датчиком.

На основании проведённого анализа, как наиболее надёжное и  универсальное охранное устройство, обнаруживающее нежелательное проникновение  в салон человека, для разработки была выбрана система, основанная на применении активного ИК датчика сигнала, включающая в себя  приёмник и передатчик.

 

 

2. Техническое задание

Спроектировать сигнализирующее о проникновении в салон автомобильное устройство на основе датчика, работающего по принципу передачи-приёма луча в инфракрасном диапазоне частот (ИК сигнала). Разработать чувствительные элементы (ЧЭ), составить функциональную и принципиальную схемы, рассчитать и выбрать необходимые элементы.

 

Устройство  должно:

• излучать направленный луч ИК сигнала передатчиком;
• принимать только посланный ИК-сигнал;
• включать сигнализацию, если произошло нештатное изменение состояния принимаемого ИК сигнала;
• быть установлено таким образом, чтобы максимально обеспечить сохранность автомобиля и снизить риск проникновения в салон злоумышленника;
• обеспечивать стабильную работу и быть нечувствительным к посторонним сигналам и помехам;
• работать автономно от бортовой системы энергоснабжения (АКБ) в паре с установленной сигнализацией.

 

Технические требования:

• напряжение питания устройства: DС12 В;
• выходной сигнал: напряжение DC 12 В;
• минимальная длина распространения сигнала: 1,3 м;
• температурный диапазон устройства:   -20 .. +60  °С;
• атмосферное давление: 760±760 мм рт.ст.;
• влажность воздуха: < 90%;
• уровень радиационного фона: 0,6 мкЗв/ч.

 

3. Конструкция датчика и описание его работы

Разрабатываемое устройство работает по принципу активного датчика  ИК сигнала. Что означает наличие в данном устройстве передатчика (излучателя) ИК сигнала и приёмника (фотодетектора) ИК сигнала.

Излучателями ИК сигнала, как правило, являются светодиоды, работающие в инфракрасном диапазоне частот (рисунок 3.1). ИК излучатели выпускаются в корпусах трех вариантов: металлическом, пластиковом и керамическом. Излучатели в металлическом корпусе имеют стеклянную линзу, которая обеспечивает превосходные оптические свойства. Сам металлический корпус позволяет рассеивать большую мощность и обеспечивает широкий температурный диапазон. Пластиковые ИК излучатели предназначены для монтажа в отверстия печатной платы, а керамические - для поверхностного монтажа.

Рисунок 3.1 Внешний вид инфракрасных светодиодов.

 

ИК излучатели в пластмассовом корпусе широко применяются в решениях для индустрии. Могут так же, как и металлические, иметь линзовый купол или плоское окно. Пластмассовый или керамический корпус обеспечивает хорошую стойкость к коррозии, что позволяет использовать такие излучатели в агрессивных средах. Рабочий температурный диапазон излучателей в пластмассовом корпусе составляет - -40...85°C.

К ИК приемникам (рисунок 3.2), полупроводниковые кремниевые фотодиоды, фототранзисторы, дарлингтоновские составные транзисторы и интегрированные фотодетекторы различных типов с логическим выходом на базе триггера Шмидта.

Рисунок 3.2 Виды приемников ИК сигнала.

 

На рисунке 3.2 цифрами обозначены следующие приемники:

1) ИК-приёмник фирмы SHARP. Внутри жестяной оболочки находится  небольшая печатная плата с  ИК фотодиодом и микросхемой. Такой фотоприёмник можно встретить на платах старых телевизоров и видеомагнитофонов.

2) В этом корпусе ИК приёмники встречается наиболее часто. Сейчас выпускаются среди прочих фирмой Vishay и имеют обозначение TSOP1xxx.

3) ИК-приёмник в уменьшенном  корпусе. Маркируется как TSOP48xx, ILOP48xx, TK18xx.

4) Очень редко встречающийся  корпус ИК приёмника. Ранее выпускался фирмой Sanyo. Обозначается как SPS440-x.

5) ИК-фотоприёмник в SMD корпусе фирмы Vishayy. Обозначение: TSOP62xx.

( "x" в обозначениях  означает цифру или букву.)

 

Упрощённая блок-схема TSOP-приёмника  приведена на рисунке 3.3. В качестве выходного элемента внутри TSOP используется обычный N-P-N транзистор. В неактивном состоянии транзистор закрыт, и на ножке Vo присутствует слабый уровень высокого напряжения (лог. "1"). При появлении в чувствительной зоне TSOP инфракрасного излучения с "основной" частотой этот транзистор открывается, и выходная ножка Vo принимает низкий уровень сигнала (лог. "0").

Рисунок 3.3 Блок-схема TSOP-приемника.

 

"Основная" частота  - это частота импульсов инфракрасного  излучения (света), которую отфильтровывает  внутренний демодулятор TSOP. Эта  частота обычно равна 36, 38, 40 кГц,  но может быть и другой, об  этом необходимо справиться в  даташите на конкретный тип  TSOP-приёмника. Для повышения помехоустойчивости  ИК канала связи, применяется модулированная передача ИК света. Временные характеристики модуляции для помехозащитной передачи приведены в даташите на конкретный TSOP-приёмник. Но в большинстве случаев достаточно придерживаться простых правил:

1) минимальное количество  импульсов в пачке – 15;

2) максимальное количество  импульсов в пачке – 50;

3) минимальное время между  пачками - 15*T;

4) частота импульсов в  пачке должна соответствовать  основной частоте TSOP-приёмника;

5) светодиод должен быть с длиной волны = 950 nm;

"T" - период "основной" частоты TSOP-приёмника.

 

Рисунок 3.4. Принцип передачи импульсов.

 

Регулируя в некоторых  пределах длину пачки импульсов, можно передавать двоичные сигналы (рисунок 3.4). Длинный импульс на выходе TSOP-приёмника может означать "единицу", а короткий - "нуль". Таким образом, при соблюдении правил модуляции дальность передачи цифровых сигналов на прямой видимости между светодиодом и TSOP-приёмником может достигать 10-20 метров. Скорость передачи не большая, около 1200 бит в секунду, в зависимости от применённого TSOP-приёмника.

ИК излучение диодов абсолютно  безвредно. Люди каждый день сталкиваются с ИК диодами в бытовых приборах, пультах управления телевизором, например, при переключении каналов на ТВ. Внешне ИК диод выглядит так же, как обычный светодиод, только его свечение для человеческого глаза будет невидимо.