本文主要是介绍电子学:第015课——实验 15:防入侵报警器(第一部分),希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!
电子学:第015课——实验 15:防入侵报警器(第一部分)
实验 15:防入侵报警器(第一部分)
从零开始设计电路经常会遇见意料之外的问题和错误,如果假装这些问题不存在,就会产生误导。因此,在下面的各个实验步骤中,你将至少遇见一个挫折和逆转——直到我们最终做成可靠、能工作的系统为止。
需要的物品
- 面包板、连接线、剪线钳、剥线钳、万用表
- 9 V 电池和连接器,或 9 V 交流—直流适配器
- 通用 LED 1 个
- 2N2222 晶体管 1 个
- 双极双掷 9 V 直流继电器 1 个
- 1N4001 二极管 1 个
- 电阻器:470 Ω 1 个、1 kΩ 1 个、10 kΩ 1 个
愿望清单
这个实验很复杂,需要一个计划。但是在制定计划之前,我先要知道我需要什么,因此我必须写出一个“愿望清单”。在列清单的过程中,我还将设想前面实验用到的元件应当满足什么要求。
那么,防入侵报警器由哪几部分组成呢?
- 要有触发系统。 设备需要检测是否有人进入了房屋。使用激光束或超声波的系统很酷炫,但是难以实现。因为这是第一次尝试,所以我将使用容易买到的门窗磁传感器开关。
- 要发出声响。 报警器应该发出某种有特色、引人注意的振荡声波。
- 要有防干扰功能。不让别人通过剪断导线遏制报警器报警。实际上,干扰应当触发报警器报警。
- 要串联传感器。为了使系统防干扰,我可以让一股很小而恒定的电流流过多个串联的常闭型传感开关。任何一个开关断开,或者导线断裂,电流就会受到干扰,从而触发报警器。我认为大多数有线报警器都是基于此原理设计的。
- 要有开—关转换。如果我使用串联传感器,由开关断开或电路中断引发的“关”事件必须触发报警器。或许双掷继电器可以做到这一点。通过继电器线圈的电流使一对触点断开,电流一消失,触点就默认闭合。但是继电器保持触点断开状态将消耗巨大的电能,而我希望报警系统在“待机”模式下通过的电流很小,这样它就可以用电池供电了。报警系统一定不能完全依靠住宅交流电供电。
- 用晶体管可以吗?如果我不用继电器,电路断开时,晶体管也可以触发报警器。晶体管的基极可以一直保持在较低的电压,直到电路断开为止。然后电压升高,晶体管导通。
- 要装备报警器。我需要一盏小灯,当所有的门窗关闭时,灯会亮起,提醒我报警器可以使用了。然后我要按下一个按钮,开始一分钟倒计时,让我有足够的时间离开。一分钟后,报警器就装备好了。
- 要有自我维持能力。报警器启动后,我不想让它轻易停止。如果有人打开了窗户,即便他又把窗户关上,报警器也应该继续发出警报声。或许晶体管能触发继电器,而当继电器接通时,它能保持在通电状态吗?或者晶体管可以做到?
- 要有初始延迟。我不希望每次一走入受保护区域,报警器就立即开始报警。我想让它先等待一分钟,让我有时间走过去把它关掉。如果我在那段时间内没能关闭报警器,它就可以开始报警。
- 要用密码关闭报警器。用某种密码键盘控制关闭报警器将非常理想。
实现愿望清单
愿望清单听起来有些雄心勃勃,因为你到现在为止仅仅搭建过一个电路,只是用三个晶体管组成了一个小振荡器。但是事实上,大多数功能都能用较容易的方法实现。我将把一些较难实现的功能留在后面的内容中,那时我们已建立了更广阔的知识基础。最终,我将能够解决愿望清单上的每一个问题,所有元件将安装在一块面包板上(噪音发生电路除外,它是可选择的)。
磁传感器开关
让我们从触发报警器的元件开始。典型的传感器开关由两个模块组成:磁性模块和开关模块。它们并排在图 3-75 中展示。
磁性模块只包含一块永久磁铁,而开关模块包含一个簧片开关,它在磁铁的作用下形成或断开连接(类似继电器内部的触点)。
把磁性模块连接到门窗的活动部分,把开关模块连接到窗框或门框上。当门窗闭合时,磁性模块几乎触碰到开关模块,磁铁使开关保持闭合,直到门窗开启时,开关才会断开。图 3-76 展示了磁铁—开关组合的截面图。
开关由两片弹性磁化金属片组成,终端形成电接触。每片金属片与一颗外部螺钉连接,螺钉可以连接导线。
当磁铁接近开关时,它会磁化弹性金属片,使金属片互相吸引,直到触点闭合。
从我的描述中你可以发现,簧片开关通常处于断开状态(Normally Open,NO),却受磁场影响保持闭合。如果你决定购买报警传感器,就应该知道,有些传感器包含工作方式不同的簧片开关。
它们通常处于闭合状态(Normally Closed,NC),却受磁场影响而断开。它们不适合本实验。
“断路开启”晶体管电路
现在,我们如何开启报警器的噪音发生电路呢?记住,我们将设置多个串联的常闭型开关,当它们之中有任何一个断开时,报警器都必须触发。
回忆一下 NPN 型晶体管的工作原理。当基极电压较低时,晶体管阻碍集电极和射极之间的电流。当基极电压较高时,晶体管导通电流。
看一看图 3-77 中的电路图,它是用我们的老朋友——2N2222 NPN 型晶体管搭建而成的。出于测试需要,我用一个常闭型按钮开关代表了报警传感器。我知道你的备件中并没有常闭型按钮开关,但现在请你先运用想象力,直到我们准备好连接面包板电路为止。
只要按钮开关保持闭合,它就会通过 1 kΩ 的电阻器,把晶体管的基极和电源负极连接起来。
与此同时,晶体管基极也通过 10 kΩ 电阻器连接到电源正极。由于阻值的差异,晶体管基极电压更接近于 0 V 而非 9 V,使晶体管不能达到导通阈值。因此,晶体管只能通过很小的电流,LED 也没有足够的电压来点亮。
那么按钮开关断开后,又会发生什么呢?晶体管基极断开了与电源负极的连接,只与电源正极连接,它的电压显著升高,使晶体管内阻减小,通过更多的电流。现在,LED 点亮。因此,当按钮开关断开时,LED 就会点亮。
这个系统看起来切实可行。我们需要多个传感器,安在每扇门窗上,不过没问题——我们想串联多少都可以,如图 3-78 所示,每个按钮开关都可以用报警传感器代替。电路接线可以围绕整个房屋,因为导线的总阻值与 10 kΩ 电阻器相比较小。
当所有的传感器保持闭合时,晶体管通过的电流很小——大约为 1 mA。若用于开发和示范,你可以用 9 V 电池供电。若用于实际应用,你需要用使用自动充电系统的 12 V 报警器电池供电。
这就超出了本书的范围,但是请记住,如果你需要报警器电池和充电器,它们很容易买到。
现在,假设我们拿下 LED,换上了一个继电器,如图 3-79 所示。(我用了一个双极继电器,虽然我们目前还用不到第二个极。)只要所有的按钮开关保持闭合,晶体管的基极电压就较低,因而晶体管不向继电器线圈提供电能,继电器触点保持在图中的位置上。
当任何一个传感器断开时,晶体管基极上的高电压都会使晶体管导通进入继电器线圈的电流,从而启动报警器,如图 3-80 所示。(此模式下使用继电器是可以的,因为继电器不会“一直断开”。
它会保持常闭状态,只有在报警器被触发时才消耗能量。)注意,我从电路中除去了 470 Ω 的电阻器,因为继电器并不需要对电源进行防护。
你可以使用实验 7 中的同一个继电器自己搭建这个电路(请参考实验 7:研究继电器一节)。但是或许你应该等待我进一步的详细讲解。
你可能需要考虑以下几件事情。
- 继电器是否会使晶体管过载?你可以查阅这两种元件的数据表,找到答案。
- 记住,晶体管即使在导通时,两端也会有一个小压降。电压还足够激活一个 9 V 的继电器吗?继电器的数据表将告诉你,其线圈的最小工作电压是多少,你可以通过测试来证实。
自锁式继电器
目前搭建的电路可以在任何传感器开关断开时激活报警器。这一点很好,但是如果传感器开关回到了闭合状态,又会怎样呢?晶体管基极的电压重新变低,它关闭了报警器。这样可不好。
根据我愿望清单上的第 8 条,报警器应当能自我维持。即使有人打开门窗又迅速关上了,它也必须继续发出噪声。因此,继电器必须以某种方式形成自锁。
一种实现方法是使用自锁继电器,它保持一种状态(不是断开,就是闭合),只需提供电能就可转换到另一种状态。但是自锁继电器有两个线圈,当你想关闭警报器时,需要有另外的电路解锁存。
实际上,使用非自锁式继电器更容易,我也能想出使继电器在接受了少量电能后,无限期保持导通的方法。
图 3-81 揭露了这个秘密。此视图中,最右侧的按钮开关在断开之后再次闭合,因此晶体管阻断,但继电器仍然导通,因为现在有一根导线把继电器的触点与自己的线圈连接在了一起。当继电器激活报警器时,它也将自身激活。
图 3-82 通过展示电流可能采取的路径阐明了这一概念。只要继电器的触点闭合,它的线圈就会通过自己的触点通电。以这种方式,继电器能够保持导通状态。
阻断坏电压
这个设计看来很有希望,但也存在问题。图 3-81 中的电路图并不完全准确。看一看图3-83,图的上半部分是电路相关部分的另一幅特写。当报警器锁定在开启状态,而晶体管阻断时,电流就会从继电器线圈流回到晶体管射极。我本应把这段导线画成红色的,因为它的电压相对较高。
在晶体管两端施加反向电压是错误的做法,可能会损坏晶体管。应该怎样处理这个问题呢?或许我可以用某个器件阻断反向电流:
一个整流二极管。图 3-83 的下半部分画出了二极管。
图 3-84 展示了更新的完整电路图,包括了二极管。
但是二极管到底是什么?它和发光二极管(LED)一样吗?它们既相同,又不同。
基础知识:二极管
二极管是一种早期的半导体元件。它允许电流沿一个方向流动,但阻碍反方向的电流。二极管与它后来的表亲 LED 相似,会因为电压反转、功率过大而损坏,但是大多数二极管的耐受力普遍优于 LED。实际上,二极管是用来阻断反向电压的,所能承受的反向电压限度由生产商规定。
二极管阻止正向电压的一极通常带有标记,一般用圆形色带表示,如左图所示。带标记的一极叫做阴极,另一端是阳极,不带标记。二极管有时用于逻辑电路,也可以把交流转化为直流。
如果二极管无法承受你想让它阻碍的电流,那么就换一个更大的二极管。二极管有多种尺寸。建议使用额定功率大于电路实际功率的二极管。和任何半导体元件一样,如果二极管的使用不正确,也会发生过热、烧毁。
二极管的符号看起来像 LED 的中心部分,去掉了圆圈和箭头。图 3-85 展示了三种表示方法。
问题的连环产生
先前,我需要使继电器保持导通的问题。通过外加导线,我解决了这个问题,但是导线又造成了新的问题:电流会反向流入晶体管。我又添加了一个二极管来解决这个问题,但是依然产生了新的问题。
我们要为二极管提供的服务支付一定的报酬,正如我们要为晶体管的服务支付一定的报酬。实际上,因为这两种元件都是半导体,所以报酬也十分相似,都体现为电压的减少。
继电器断开后,电流必须通过晶体管和二极管使继电器导通。继电器导通后,它的状态就锁定了,这并不是什么问题。但是晶体管两端要有约 0.7 V 的压降,而二极管两端也要有约 0.7 V 的压降,一共 1.4 V。它们的压降是固定的,无论电源电压是多少。
我认为额定电压为 9 V 的继电器可以在 7.6 V 的电压下正常工作。我的 Omron 数据表写明,我推荐使用的 G5V—2 系列继电器只需额定电压的 75%(即 6.75 V)即可正常工作。这个误差幅度貌似比较合理。
但是如果用不同的继电器替换呢?有些继电器的性能要求更为严格。如果用电池给电路供电,它的电压下降到 9 V 以下又该怎么办?设计者应该预见意料之外的情况,而一般情况下,应当尽可能使元件接近它们的额定值。
在本书第 1 版刊出本实验的电路后,有几位读者来信询问了压降的问题。(我确实很注意读者反
馈。)当时,我规定使用 12 V 直流电源,感觉晶体管和二极管的 1.4 V 压降还可以接受。但是在第 2版中,我决定所有的实验采用 9 V 直流电源,这样如果你更喜欢电池,就不用买交流适配器了,用
电池就可以。遗憾的是,从 9 V 扣除 1.4 V 难以接受。
你现在明白了,决策是导致后果。由于我使用的是 9 V 直流电源,所以我要想出更好的方法让继电器形成自锁。
解决问题
解决问题的第一步是弄清楚发生了什么问题。
报警器的控制任务由两个元件承担:晶体管和继电器。晶体管开启报警器,之后就阻断电流,无事可做了,而继电器的任务就是保持自身锁定。该系统的弱点是,当一个任务由两个元件承担时,它们会互相干扰。更好的计划应该是让一个元件控制其他所有元件。我应该保持晶体管的控制作用,它应当保持自身导通,而只要它处于导通状态,继电器也将保持导通。
啊,现在我知道如何修改电路了。我只需用到继电器(即实验 7 中你使用过的继电器)的第二个极。我可以让第二个极的触点(通常为闭合状态)将串联传感器接地,如图 3-86 所示。
以下是电路的工作原理。
晶体管的基极现在通过所有的传感器、1 kΩ电阻器和继电器右侧的触点(通常闭合)连接到电源负极。只要这一系列连接不中断,晶体管的基极电压就足够低,能够阻止电流通过。
现在有人断开了一个传感器开关,于是晶体管基极不再接地,晶体管因而激活了继电器。继电器闭合左侧的触点,启动报警器,但是继电器也断开了右侧的触点。
现在如果有人再次闭合传感器开关就无关紧要了,因为继电器右侧的触点断开,并切断了与电源负极之间的连接。晶体管继续导通电流,而继电器保持激活,如图 3-87 所示。
这样问题就解决了。
保护二极管
在图 3-87 中,我删去了电路中的二极管。但是如果你看一看图 3-88(我保证它是最后一个版本,至少现在是),就会发现二极管又回来了,但是它现在的作用迥然不同。它现在与继电器线圈并联。它到底在干什么呢?
在本书后面的内容中,我将介绍关于线圈的知识。现在我可以告诉你,在接通电源后,线圈储存电能,而切断电源后,线圈释放电能。电能的释放会产生浪涌电流,可能会损害某些元件,尤其是半导体。
因此,标准流程是在继电器线圈两端并联一个保护二极管。二极管采取了图中的连接方向,以阻碍电流的正常流通,强迫其流入继电器线圈,而这正是我们想要的。但是当电流消失,线圈试图释放电能时,二极管却拦在中间,对继电器说:“我在那个方向上的阻值很小,为什么不把电流分流到我这里,而要让它去打扰其他元件呢?”
以上就是所发生的一切。
如果你使用的只是一个很小的继电器,它的线圈很小,不会产生太大的电流,你也可以不并联保护二极管。但是,使用保护二极管是良好的习惯,你应该努力养成这一习惯。
连接面包板
我必须阐明电路是如何从零开始设计的。现在,到了最后的阶段,你要搭建电路了——否则你又怎能知道电路能否正常工作呢?
图 3-89 展示了一种面包板布局。我没有使用报警器的噪音发生器,而是用 LED 代替,以作解释说明。我很快就将讨论噪音发生器的选择。
图 3-90 展示了面包板电路的透视视图。
为了模仿面包板上的报警传感器,我本应使用常闭型按钮开关的,但是我想尽可能地减少元件成本,而且如果你确实想使用这个报警器电路,你会用到磁传感器开关,而不是按钮开关。因此,作为替代,我使用了两根常闭型导线。它们对于测试已然足够,我要称它们为“传感器导线”。你将看到它们在继电器下方相互交叉。
要确保电源接通时导线互相接触。起初,什么都不会发生。
现在断开传感器导线。LED 点亮,如果你完成了本电路的第二个版本,噪音发生器会响起,表明报警器已经触发。
现在重新连接传感器导线,模仿这样一种情况:入侵者打开一扇窗户,听到警报声,又迅速关上了窗户。如果你的电路连接正确,LED 就会一直亮下去。
到目前为止一切顺利,我们得到了一个功能电路,报警器能够自我锁定。
但是这种情况下,你怎样才能让电路停止呢?
没问题,断开电源就好。继电器会回到默认位置,等你下一次接通电源时,它又在待命模式上了。在最终版的电路中,你将需要在键盘上输入密码才能关闭报警器。在实验 21 中,我将介绍一种搭建密码保护电路的方法,届时你将使用逻辑芯片,只是目前还没有涉及。
加入声音
报警声可以使用实验 11 中的振荡器电路和扬声器发生,但是确实还有更好的方法。一种叫作555 定时器的小型集成电路芯片更适合完成这项任务,而且它恰好是我要在下一个实验——实验 16中介绍的元件。
555 定时器也可以满足我愿望清单上的第 7 条和第 9 条,它们要求报警器在启动之前有一定的延迟。因此,我将暂时搁置报警器项目,我们会在实验 18 中完成它。
参考:
虽然报警器项目还没有结束,但是它提出了几个重要的问题。我将在此处作出总结,以供未来参考。
- 你可以使用晶体管为低输入提供高输出响应,反之亦然。
- 你可以对继电器进行接线,使它形成自锁导通模式,只需把电流反馈回继电器的线圈。
- 二极管可以阻碍电流,防止电流流向你不希望的地方。
- 正向电流通过二极管时,电压降低约 0.7 V。
- 晶体管也形成约 0.7 V 的压降。
- 无论电源电压是多少,半导体元件形成的压降都保持不变。因此,在电源电压较低时,压降的效果更加显著。
- 在电源切断时,继电器线圈会形成反电动势(一股反向电流)。
- 与继电器线圈并联的保护二极管可以抑制反电动势。二极管采取的连接方向应当使其阻碍正常流通的电流,却导通线圈产生的反向电流。
这篇关于电子学:第015课——实验 15:防入侵报警器(第一部分)的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!