Разработка системы срабатывания сигнализации автомобиля на основе активного датчика инфракрасного сигнала

 

Рисунок 3.5 Диапазон длин волн инфракрасного излучения.

 

На изображении 3.5 продемонстрирован ИК диапазон излучения. В оборудовании используются только проверенные излучатели ИК диапазона. А именно диод фирмы VISHAY TSAL 6100. Диод сертифицирован по Европейским стандартам безопасности ИК для глаз и входит в перечень списка безопасных.

 

Имеется также сертификат международного образца, который подтверждает безвредность данного излучателя для  глаз. Декларация соответствия заявленным стандартам, общее описание стандарта. Диоды Vishay и в частности TSAL6100 используется во всем мире многими производителями  бытовой электроники и охранными  системами, а также лазертаг оборудовании как самые безопасные и надежные.

 

Активные ИК детекторы могут быть реализованы двумя способами:

1. Сенсор "на просвет", предмет препятствует ИК лучам от источника к приёмнику (рисунок 3.6.а).
2. Сенсор "на отражение", детектируется отражение ИК лучей от предмета (рисунок 3.6.б).

Рисунок 3.6 Способы организации детектирования: а) на просвет б) на отражение.

 

В обоих случаях необходимо применять светонепроницаемые тубусы, которые будут ограничивать пучок ИК лучей в нежелательных направлениях. Инфракрасный спектр света, так же как и видимый свет, подчиняется законам оптики:

- излучение может отражаться от различных поверхностей

- интенсивность излучения  уменьшается с увеличением расстояния  от источника.

 Чтобы исключить ложные срабатывания необходимо излучать пачки импульсов, как и при передаче команд, пультом управления. Генерировать пачки импульсов можно с помощью обычных логических микросхем или с помощью микроконтроллера. Если в конструкции используются несколько сенсоров на основе TSOP-приёмников или несколько излучающих диодов, следует предусмотреть избирательный опрос "срабатывания" датчика. Такая избирательность достигается проверкой срабатывания TSOP-приёмника только в тот момент, когда передаётся только для него предназначенная пачка ИК импульсов, или сразу же после её передачи.

Важно учитывать параметры  передаваемого ИК луча. Мощность сигнала должна быть достаточной для того, чтобы приемник мог уловить излучаемый сигнал, но в тоже время сигнал не должен быть слишком мощным, чтобы исключить толерантную устойчивость к нарушениям целостности потока прямого распространения. Например, злоумышленник может «обойти» такое устройство, т.к. слишком большая мощность будет посылать сигнал и в обход препятствия, что заметно снизит чувствительность датчика. На рисунке 3.7 представлена диаграмма ослабления сигнала в зависимости от времени прохождения.

Рисунок 3.7 Диаграмма ослабления сигнала.

 

Однако, мощность не единственный параметр инфракрасного излучения, так же важна диаграмма направленности. Так как в данном курсовом проекте  использован вариант, при котором  приемник и источник детектирующего сигнала расположены строго друг напротив друга, то необходимо посылать луч таким образом, чтобы последний имел небольшой угол излучения. А лучше всего сделать так, чтобы поток волн был направлен в одну точку, для этой цели как нельзя лучше подходят так называемые линзы Френеля.

Принцип Френеля замечателен тем, что он фокусирует ИК луч в ячейки передатчика или приёмника в одну точку (рисунок 3.8).

 

Рисунок 3.8 Линза Френеля.

 

Этот принцип позволяет  получить более мощный и сфокусированный  сигнал в случае ухудшения видимости, уменьшает риск получения ложной тревоги и многое другое.

Активный инфракрасный луч  генерируется источником пульсирующего  инфракрасного света под углом  около ±2° при помощи линзы (ячейки передатчика).

Рисунок 3.9 Угол распространения инфракрасного луча.

 

Ячейка приёмника, находящаяся  в колонне, собирает пульсации инфракрасного  луча и преобразует их в электронные  сигналы (рисунок 3.9). Отсутствие электронного сигнала, после анализа проведённого колонной приёмника, включает сигнал тревоги.

Таким образом, активные инфракрасные барьеры обеспечивают надёжную охрану.

Датчик, проектируемый в  данной работе, состоит из 2-х основных частей – передатчика и приемника. Ниже, на рисунке 3.10 представлена его структурная схема.

Рисунок 3.10 Структурная схема разрабатываемого устройства.

 

Устройство электронной  модуляции генерирует электронные  колебания, которые приходят на источник излучения. Последний в свою очередь  создает промодулированное излучение  и посылает его на приемник через  оптическую систему, которая собирает и направляет сигнал в требуемом  направлении. Оптическая система приемника, в свою очередь, принимает ИК луч и фокусирует его на фотодатчике, которые выдает пропорционально-эквивалентный электрический сигнал на устройство усиления сигнала, чтобы привести этот сигнал к требуемому уровню. Далее подготовленный сигнал поступает в устройство обработки и выдачи сигнала, где проверяется штатная работа системы. Данное устройство непрерывно осуществляет проверку поступающего сигнала. Если всё в порядке, то оно никак внешне не реагирует, если же кто-то или что-то послужило причиной нарушения сигнала, то есть возникла нештатная ситуация, в этом случае  выдается управляющее воздействие на управляемый объект, в данном случае это сигнализация, которая должна отпугнуть вора или, по крайней мере, оповестить владельца о каких-либо нарушениях в своей работе. Все электронные блоки запитываются от бортового источника напряжения –АКБ.

 

Функциональная схема  спроектирована на основе всех вышеперечисленных  данных и наглядно отображает работу устройства (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 Функциональная схема разрабатываемой системы охраны.

 

Состоит такая система  из следующих элементов.

• Автомобильный аккумулятор на 12В, от которого все элементы системы получают питание.
• Блок питания, преобразующий напряжение аккумулятора в напряжение питания компонентов приемника и передатчика (из 12В в 5 В).
• Передатчик генерирует и излучает промодулированный и  сфокусированный луч электромагнитных волн, лежащих в инфракрасном спектре частот на приемник. В корпусе передатчика располагаются устройство модуляции, источник излучения (ИК-диод) и фокусирующий элемент (линза Френеля).
• Приемник захватывает направленный ИК-луч и обрабатывает его соответствующим образом, чтобы постоянно проверять его на целостность и повторяемость. В корпусе с приемником находятся также линза Френеля, собирающая излучение на чувствительную поверхность фотодатчика, усилитель – преобразующий выходное напряжение фотодатчика в напряжение полезного сигнала (5 В) и устройство (микроконтроллер) обработки и выдачи полезного сигнала (управление реле) на рабочий орган (сирену) сигнализации.

 

Установка и  размещение.

 Рабочие органы системы  – приемник и передатчик монтируются  точно друг напротив друга  в противоположных дверях автомобиля (например, водительской и передней  пассажирской), так чтобы луч попадал  из ИК диода в ИК-приемник только при плотно закрытых дверях. Посадочные места стоит выбирать таким образом, чтобы обеспечить максимальное перекрытие лучом самых ответственных частей салона. Кроме того для высокой надежности рекомендуется устанавливать такие пары детекторов на все двери, в багажное и подкапотное пространства автомобиля.

Приемник и передатчик подключаются к блоку питания, а  тот в свою очередь к аккумулятору. Провода управления из приемника  подключаются параллельно  в «разрыв» провода сирены тревоги.

 

Таким образом, мы наметили основы конструкции, основные элементы и принцип действия системы активной системы инфракрасной охраны автомобиля.

4. Выбор электронных компонентов

Для того чтобы составить  принципиальную схему устройства следует  выбрать основные компоненты создаваемого устройства:

 

1) Преобразователь напряжения  постоянного тока (1 шт.);

 

2) Автомобильное реле  с нормально замкнутыми контактами (1 шт.);

 

3) Интегральный таймер (2 шт.);

 

4) Микроконтроллер (1 шт.);

 

5) ИК светодиод (1 шт.);

 

6) ИК фотоприемник (1 шт.);

 

7) pnp и npn биполярные транзисторы  (3 шт.);

 

Кроме того, для работоспособности  схемы потребуются различные  сопротивления, индуктивность и  емкости, значения которых станут известны в результате дальнейших расчетов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.1. Преобразователь напряжения постоянного тока

Для питания устройства используется аккумуляторная батарея автомобиля, напряжение которого составляет +12В. Устройство же требует +5В постоянного тока для работы. Поэтому необходимо преобразовать уровни напряжения из 12 в 5 Вольт. Для этих целей превосходно подойдёт преобразователь DC/DC - LM2576 (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 Электрическая схема подключения преобразователя LM2576.

 

На рисунке 4.2 ниже показано внутреннее устройство преобразователя.

 

Рисунок 4.2 Блок-диаграмма LM2576.

Серия LM2576 преобразователей напряжения обеспечивает снижение напряжения, а так же токовую нагрузку на выходе до 3 А. Это устройство позволяет  получать стабильные параметры, требует минимального числа внешних компонентов и просто в эксплуатации.

Особенности:

• ток на выходе - 3 А;

• широкий диапазон входного напряжения от 7 В до 60 В;

• имеет генератор устойчивой частоты - 52 кГц;

• стандартная серия катушек индуктивности, оптимизированных для использования с LM2576 доступна от нескольких различных изготовителей;

• гарантируемые отклонения не более ±4% от номинального напряжения;

• гарантированные отклонения не более ±10% от частоты генератора;

• ограничение величины тока цикл за циклом;

• температурное отключение для полной защиты от неисправностей;

• требует только 4 внешних компонентов;

• температурный диапазон -  −40°C ≤ TA≤ 125°C;

• высокая производительность.

 

 

 

 

 

4.2. Реле

Для управления сиреной сигнализации используется автомобильное реле с нормально замкнутыми контактами FALCON LDN-12F (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 Реле FALCON LDN-12F.

 

FALCON LDN-12F предназначены для установки дополнительного оборудования и переключения нагрузок в автомобилях с напряжением бортовой сети 12 В.

 

Технические характеристики:

 

• Напряжение обмотки – 12 V;
• Максимальный ток коммутации контактов – DC 14 V, 40 A;
• Потребляемая обмоткой мощность – 1,8 W;
• Минимальная наработка на отказ механической части – 107 циклов;
• Минимальная наработка на отказ электрической части – 105 циклов;
• Вес – 32 г;
• Размеры без контактов (ДхШхВ) мм – 27 х23х25;
• Герметический корпус реле IP-66.

Реле имеют контакты обмотки, это 85 и 86 контакты (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 Общая схема подключения реле.

 

При подаче напряжения на контакты управления реле срабатывает и замыкает или размыкает электрическую  цепь силовыми контактами. Силовые  контакты маркируются всегда как 30, 87 и 87а. 30-й контакт всегда присутствует в реле. Он, без подачи напряжения на контакты обмотки, постоянно замкнут  на контакт 87а. Если на обмотку подан  сигнал, то 30 контакт отключается  от 87а и подключается к 87.

 

Схемы инверсии сигналов могут применяться при подключении к сигнализации или в других случаях (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 схема инверсии сигнала.

 

Реле изготовлены из высокопрочного пластика, имеют пыле- и влагозащитную  конструкцию. Минимальные габаритные размеры (27 х 23 х 25 мм) и вес (32 г) позволяют устанавливать реле в любой части автомобиля.

4.3. Интегральный таймер

Так как посылаемый ИК луч из диода в приемник должен быть не только определенной частоты (40 кГц), но и промодулирован (частотой 1,6 кГц) дабы иметь иммунитет к фоновой засветке и другим помехам, необходимо создавать такие колебания. Для этих целей подходят интегральные таймеры LM555C компании National, в данном устройстве их будет 2.

Её история началась в 1971 году, когда компания Signetics Corporation выпустила микросхему SE555/NE555 под  названием "Интегральный таймер" (The IC Time Machine). За прошедшие 35 лет практически каждый уважающий себя производитель полупроводников считал свои долгом выпустить свою версию этой микросхемы, в том числе и по более современным техпроцессам.