Разработка системы срабатывания сигнализации автомобиля на основе активного датчика инфракрасного сигнала

 

 

 

Рисунок 6.1 принципиальная схема устройства.

В схеме ИК-передатчика  используется две ИС интегрального таймера LM555C, U2 и U3 (рис.6.1). Таймер U2 генерирует сигнал частотой 40 кГц, а таймер U3 модулирует этот сигнал с частотой, примерно, 1600 Гц. Выбор этих частот некритичен. При необходимости могут быть использованы и другие частоты.

 

ИК-светодиод включен  через резистор между двумя выходами интегральных таймеров, благодаря этому  и происходит модуляция. Сигнал частотой 40кГц посылается «пачками» с частотой 1,6 кГц.

 

 Часть схемы, относящаяся  к приемнику запитывается напряжением  в 5 В. Прочие электронные компоненты  приемника обеспечивают требуемые  величины напряжений, токов и  частоты.

 

ИК-приемник (Receiver)

Модуль ИК приемника захватывает модулированный поток ИК излучения с частотой модуляции 1600 Гц, поступающий на вход Data. Далее, сигнал поступает на транзистор VT1, усиливается и ограничивается.

 

Резисторы R9 и R8 и конденсатор C11 фильтруют импульсы, чтобы сформировать сглаженный сигнал на базе транзистора VT2. Емкость конденсатора фильтра C11 0,0047 мкФ, она связана с частотой 1600 Гц.

 

При нормальной работе датчика  присутствия, принятый сигнал устанавливает  низкий уровень напряжения на коллекторе транзистора VT2. В момент прерывания луча, исчезновение сигнала приводит к установке на коллекторе VT2 высокого уровня напряжения. Таким образом, активный сигнал на выходе детектора имеет высокий уровень. Простейшая модификация данной схемы позволяет изменить значение для активного выходного уровня.

Правильное взаимное расположение передатчика и приемника не представляет собой сложной задачи, хотя может  потребовать небольшой подстройки таким образом, чтобы луч передатчика  точно попадал в центр приемника. На разумных расстояниях, начальную установку приемника и передатчика можно осуществить по измерительной ленте рулетки. Более точная настройка производится методом проб и ошибок. При правильной взаимной ориентации приемника и передатчика сигнал на выходе приемника изменит значение с высокого уровня на низкий.

 

Обработка сигнала  и управление сигнализацией

 

Полученное на выходе приемника  чередование с частотой модуляции  уровня сигнала попадает на вход с  таймером PB2 микроконтроллера ATtiny13 в PDIP/SOIC корпусе. Программа, записанная в контроллер циклически проверяет частоту поступающих «пачек» импульсов. Если все происходит в штатном режиме, то на ножке контроллера PB3 сохраняется низкий лог (0 В) напряжения (логический «0») и транзистор VT3 закрыт. Соответственно, напряжение 12 В не поступает на нормально замкнутое реле К1  и сигнализация находится в состоянии покоя. Как только происходит нарушение сигнала, контроллер это обнаруживает и выдает высокий лог (+5 В) напряжения на ножку PB3 (логическая «1»). В этом случае транзистор VT3 открывается, через него начинает течь ток, а вместе с этим активируется реле К1, которое размыкает контакты идущие к сигнализации. В самой сигнализации (на схеме не рассматривается) ток перестает течь на «массу» и срабатывает сирена, оповещающая о подозрительных явлениях в салоне автомобиля.

Параллельно с К1 включен  диод VD1, т.к. реле представляет собой  индуктивную нагрузку.

 

 

Перечень  электронных компонентов схемы:

 

Источники питания:

Bat1 – аккумуляторная батарея 12 В;

 

Вычислительные  устройства:

PDIP/SOIC – микроконтроллер Attiny13;

 

Интегральные  схемы:

U1 – преобразователь постоянного тока 12->5В LM2576;

U2, U3 – ИС интегральные таймеры LM555C;

U4 – ИК-приемник TSOP2240 Vishay 40 кГц;

 

Прочие элементы:

K1 – реле с нормально замкнутыми контактами FALCON LDN-12F;

F1 – плавкий предохранитель на 5 А;

 

Полупроводники:

D1 – стабилитрон 1N5822;

D2 – ИК-светодиод TSAL6100 Vishay;

VD1 – диод с максимальным током 1 А серии 1N4001;

VT1 – pnp транзистор 2N3905;

VT2, VT3 – npn транзисторы PN2222A;

 

Емкостные элементы:

C1, C2 – полярные конденсаторы на 100 мкФ;

C3 – керамический конденсатор 0,015 мкФ;

C4, С6, C7 – керамические конденсаторы 0,01 мкФ;

C5 – полярный конденсатор 470 мкФ;

C8 – полярный конденсатор 10 мкФ;

C9 – керамический конденсатор 0,001 мкФ;

C10 – керамический конденсатор 0,0047 мкФ;

C11 – керамический конденсатор 0,47 мкФ;

 

Индуктивности:

L1 – катушка индуктивности 100 мкГн;

 

Сопротивления:

R1 – резистор 1,2 кОм;

R2 – резистор 470 Ом;

R3 – резистор 330 Ом;

R4 – резистор 33 кОм;

R5 – резистор 8,2 кОм;

R6, R10 – резисторы 20 кОм;

R7 – резистор 100 кОм;

R8 – резистор 1 кОм;

R9 – резистор 47 кОм;

R11 – резистор 10 кОм4;

R12 – резистор 3,8 кОм;

 

 

7. Моделирование процессов

Процессы, происходящие в устройстве на основе составленной принципиальной электрической схемы, можно проверить при помощи модели этих процессов.

 

Для моделирования используется рабочая среда для проектирования электрических схем Proteus. На рисунке  7.1 показана схема для имитации поступающего на ИК светодиод выходного напряжения. Генераторы импульсов (слева) замещают интегральные таймеры lm555c. Логические элементы «И-НЕ» - U1:A и U1:С выполняют функцию модуляции сигнала. Причем элемент U1:А инвертирует сигнал, для повторного инвертирования используется U1:C. На осциллограф (справа) приходят сигналы с генератора импульсов, U1:A и U1:C.

Рисунок 7.1 Схема имитирующая работу таймеров.

 

На верхнем генераторе импульсов моделируется прямоугольный  сигнал частотой в 40 кГц амплитудой напряжения 3 В (рисунок 7.2), на нижнем – 1,3 кГц (рисунок 7.3). Результат, полученный осциллографом, можно увидеть на рисунке 7.4. Канал D  - сигнал генератора 1,6 кГц, канал С – не используется, канал B – инвертированный сигнал модуляции, канал A – промодулированнный сигнал 40 кГц сигналом 1,6 кГц поступающий на светодиод.

Рисунок 7.2 Задание параметров верхнего генератора частот.

 

Рисунок 7.3 Задание параметров нижнего генератора частот.

 

Рисунок 7.4 Окно осциллографа с результатами моделирования.

 

Моделирование принципиальной электрической схемы приемника  показано на рисунке 7.5.

 

Рисунок 7.5 Схема приемника ИК излучения.

 

Вместо фотоэлемента используется схема имитирующая работу таймеров, выходной сигнал с которой поступает  на вход приемника (резистор R1 на схеме). Выходной сигнал с приемника снимается  каналом B осциллографа с коллектора транзистора Q2 на схеме.

 

Полученные результаты отображены на рисунке 7.6 в окне показаний осциллографа. На изображении видно, что полученная выходная частота сигнала на канале B заметно ниже всех остальных частот. Амплитуда сигнала равна 5 вольтам. Это гарантирует не только большую стабильность в работе и толерантность к помехам, но и 99,99%-ную вероятность, что  микроконтроллер, считывающий этот сигнал, не выдаст ложных срабатываний из-за внутрисхемных помех и наводок.

 

Канал А (желтый) – сигнал поступающий на светодиод;

Канал В (синий) – сигнал снимаемый с выхода приемника;

Канал С (розовый) – сигнал на выходе таймера 1;

Канал D – модулирующий сигнал на выходе таймера 2.

 

Рисунок 7.6 Показания осциллографа с приемника и передатчика ИК сигнала.

 

8. Алгоритмы процессов

На рисунке 8.1 представлены 3 алгоритма функционирования датчика.

 

Рисунок 8.1 Алгоритмы функционирования датчика: а) общий алгоритм работы устройства, б) подпрограмма обработки сигнала и выдачи управляющих воздействий, в) подпрограмма приема сигнала фотоэлементом, очистки и усиления принятого сигнала.

Описание  работы алгоритмов

а) Вначале подается питание на бортовую сеть, затем происходит включение устройства (действия практически одновременные, разграничены лишь условно). Далее проверяется запущен ли датчик сигнализацией, если «нет», то датчик не включен, если же «да», то происходит выполнение подпрограммы запуска всех элементов устройства: передатчика, приемника и обработчика сигнала. Запуск устройства осуществляется при помощи реле, управляемого сигнализацией, которая в свою очередь отдает команду на включение, если автовладелец активировал саму сигнализацию на охрану. После запуска начинаются практически одновременные процессы. Вначале запускается подпрограмма генерирования сигнала таймерами и диод начинает излучать ИК сигнал. Затем выполняется подпрограмма приема посланных сигналов фотоэлементом, сигнал очищается от помех и усиливается. Конечной подпрограммой работы устройства является обработка сигнала и выдача управляющих воздействий. После чего заново идет проверка активности сигнализации.

 

б)  Подпрограмма обработки сигнала и выдачи управляющих воздействий начинается с приема сигнала на ножку МК PB2. Данная ножка является входом таймера, поэтому при заданной частоте таймера «F» МК высчитывается частота принятого сигнала. Далее идет проверка. Если частота принятого сигнала совпадает с заданной частотой, то сигнал на ножке PB3 микроконтроллера равен низкому уровню напряжения, и данная подпрограмма идет на выход. Если же частота принятого сигнала отклоняется от заданной слишком явно, тогда сигнал на ножке PB3 МК становится равным высокому уровню напряжения, после чего происходит переключение реле. Реле активирует сирену включенной предварительно сигнализации.

 

в) Подпрограмма приема сигнала фотоэлементом, очистки и усиления принятого сигнала начинает свою работу с проверки наличия сигнала на чувствительном элементе фотоприемника. В том случае, когда принятый сигнал имеет высокий лог «1», транзисторы VT1 и VT2 закрыты, на выходе устанавливается логический «0» и происходит выход из подпрограммы. Если же принятый сигнал равен логическому «0», то в этом случае транзисторы VT1 и VT2 открыты, и через них на выход протекает выходной сигнал с высоким уровнем напряжения. После этого так же происходит выход из подпрограммы. Сигналы с данной подпрограммы поступают в подпрограмму «б».

 

Если сигнализация выключена, то реле К2 обесточено и датчик присутствия  неактивен.

 

Таким образом обеспечивается работа датчика проникновения с  активным ИК детектором.

 

Заключение

В результате разработки данного  курсового проекта была спроектирована система срабатывания сигнализации автомобиля на основе активного датчика инфракрасного сигнала.

 

На этапах проектирования было сделано следующее:

• обзор способов обнаружения незаконного проникновения посторонних лиц в салон автомобиля, выбран наиболее надежный из них;
• составлено техническое задание;
• создана конструкция датчика и описание работы устройства;
• выбраны и рассчитаны все необходимые компоненты;
• составлена принципиальная элект<span class="Normal__Char" style=" font-family: 'Times New Roman', 'Arial'; font-size: 14pt;"