Středoškolská odborná činnost 2007 / 2008 Obor 10 elektrotechnika, elektronika a telekomunikace Poplašné zařízení Autor: Martin Borýsek Gymnázium JAK Komenského 169 688 31, Uherský Brod Sexta Uherský Brod, 2008 Zlínský kraj - 1 -
Prohlašuji tímto, že jsem soutěžní práci vypracoval samostatně a uvedl jsem v seznamu literatury veškerou použitou literaturu a další informační zdroje včetne Internetu. V Uherském Brodě dne vlastnoruční podpis autora - 2 -
Obsah 1. Úvod...4 2. Problematika poplašných zařízení...4 3. Vlastní stavba...5 3.1.Blokové schéma...5 3.2.Napájecí zdroj...6 3.3.Čidlo laseru...7 3.4.Blokování spuštění alarmu...8 3.5.Zpoždění startu...9 3.6.Vyhodnocování vstupů a spínání polachu...10 4. Fotodokumentace...11 5. Závěr...13 6. Použitá literatura...13 7. Poděkování...13-3 -
1. Úvod Již nějakou dobu se zajímám o elektroniku, a proto mě napadla myšlenka přihlásit se do SOČ s touto prací. Někdy se hlavně v amerických filmech objevují bezpečnostní systémy řešené pomocí laseru a to mi vnuklo myšlenku sestrojit zařízení, které by fungovalo podobně. Toto polašné zařízení lze využít kdekoliv, kde je potřeba chránit nějaký majetek proti odcizení, například někde na chatě, v domácnosti, ale i v nějakém podniku. Díky laseru ho můžeme využít i na volném prostranství (například na různých pozemcích). Zařízení však nemá nepovolané osobě zamezit přístupu, pouze ho má akusticky vystrašit a tím také upozornit okolí. Poplašných zařízení je v součastnosti velké množství, avšak žádné nevyužívá laser, proto jsem se rozhodl ke konstrukci. 2. Problematika poplašných zařízení Při stavbě jsem musel myslet na několik důležitých věcí, bez kterých by toto zařízení nemělo žádný praktický význam, to jsou tyto: Při aktivaci poplašného zařízení a odchodu z místnosti člověk přeruší vlastním tělem laserový paprsek. Normálně by se spustil alarm, proto musí zařízení ignorovat odchod osoby z místnosti. To je zde řešeno blokovacím obvodem. Jednoduše pokud víme, že při odchodu paprsek přerušíme, aktivujeme blokovací obvod pomocí tlačítka na čelní straně zařízení. Čas blokování je zde nastaven zhruba na 20 sekund. Mám vyzkoušeno, že během 20 sekund stihnu bez problémů odejít z místnosti a zavřít za sebou dveře. Blokování signalizuje LED dioda umístěná na přední straně poplašného zařízení. Při příchodu se alarm nesmí spustit okamžitě, musí ještě několik sekund počkat, aby jej měl člověk možnost vypnout. Pokud tak neučiní, alarm se automaticky spustí. To jsem zde vyřešil zpožďovacím obvodem. Jak je popsáno výše, člověk přijde do místnosti a má ještě několik sekund na to, aby mohl zařízení vypnout. Doba zpoždění je nastavená zhruba na 15 sekund. V praxi jsem si vyzkoušel, že 15 sekund postačí na to, abych otevřel dveře, přešel místnost a alarm vypnul. Alarm se nesmí volně spustit. Laserový paprsek totiž může přerušit nějaký hmyz, který zde náhodou proletí. Toto je zde řešeno typem zvoleného čidla. Fototranzistor je pro tento účel velmi rychlý, proto jsem raději zvolil fotoodpor. Pokud by i nějaký hmyz přerušil na zlomek sekundy laserový paprsek, fotoodpor to nezaznamená. Kladl jsem také důraz na co možná nejjednodušší ovládání. V praxi to vypadá tak, že všechny události indikují LED diody. Dále je zde už jenom hlavní vypínač a tlačítko na blokování při odchodu z místnosti. Poplach se musí po nějaké době sám vypnout. Představme si situaci, že bychom nechali zařízení zapnuté někde na chatě, kam jezdíme jen jednou za čas. Pokud by někdo nepovolaný paprsek přerušil, zařízení by spustilo velmi hlasitý alarm a takto by obtěžovalo okolí i několik dní. - 4 -
3. Vlastní stavba 3.1. Blokové schéma Celé zapojení se skládá z několika částí, které jsou mezi sebou navzájem propojeny. NZ - Napájecí zdroj ČL - Čidlo laseru VV - Vyhodnocování vstupů a výstupů BS - Blokování spuštění ZO - Zpožďovací obvod PS - Piezosiréna Všechno je pro přehlednost nakresleno na obrázku 1: Obrázek 1: Blokové schéma poplašného zařízení Napájecí zdroj NZ transformuje síťové napětí a dodává 12V / 1A do všech obvodů. Nejdůležitější obvod je zaznačen zkratkou VV, což znamená vyhodnocování vstupů a výstupů. K němu jsou připojeny další tři obvody, mimo jiné i čidlo laseru ČL. To snímá laserový paprsek a pokud je přerušen, vyšle impuls do VV. Ten vyhodnotí signál a pak spustí alarm pomocí zpožďovacího obvodu ZO. Zpožďovací obvod je zde zařazen proto, abychom stihli při příchodu do místnosti vypnout alarm. Poslední součást je blokování spoštění BS. BS má opačnou funkci jako ZO, tudíž zabraňuje spuštění alarmu, pokud jej aktivujeme a odcházíme z hlídaného objektu. V dalších kapitolách jsou podrobně popsány jednotlivé obvody. - 5 -
3.2. Napájecí zdroj Napájecí zdroj jsem mohl vyřešit několika způsoby, nakonec jsem zvolil asi nejjednodušší a nejspolehlivější způsob. V zapojení využívám stabilizátoru napětí L7812CV v poudře TO-220. Díky němu můžu ze zdroje odebírat napětí 12 voltů při proudu do 1A. Skutečný maximální proud je však zhruba něco přes 200mA, tudíž zbývá ještě poměrně velká rezerva. Transformátor jsem zvolil podobně, 12V / 1A. Po usměrnění napětí pomocí Graetzova můstku se čtyřmi diodami (1N4007) a vyfiltrování kondenzátory je na vstupu stabilizátoru zhruba 16,3V při zatížení. Na výstupu je již zmiňovaných 12V opět filtrovaných dvěma kondenzátory. Elektrolyty bych mohl zvolit při takovémto proudu i mnohem menší, avšak vyšší kapacitou nejde nic zkazit, možná právě naopak. Celé zapojení je pro ilustraci nakresleno na obrázku 2. Všechny kontakty, které docházejí do styku se síťovým napětím, jsem řádně zaizoloval. Není to zcela nutné, protože celé zařízení je v plastové krabici. Může se ale stát, že zapomenu zařízení v síti a budu potřebovat něco opravit. Zaizolované vodiče takto snižují riziko úrazu elektrickým proudem. Obrázek 2: Schéma napájecího zdroje - 6 -
3.3. Čidlo laseru Již ze schématu je patrné, jak čidlo laseru funguje. Představme si 2 situace. První možností je, že laser svítí na fotoodpor. V tom případě fotoodpor zmenší svůj odpor na minimum, čímž se dostane do báze tranzistoru kladné napětí. Tranzistor T1, v našem případě vodivosti NPN (použil jsem BC337), se takto otevře. Aby jím neprotékal příliš velký proud, zvolil jsem do jeho emitoru odpor 560 ohmů. Otevřením T1 se dostává do báze tranzistoru T2 (BC307 vodivosti PNP) kladné napětí, čímž se tranzistor uzavře. Nyní je jasné, že LED dioda nebude svítit na výstupu OUT A bude logická hodnota L. Druhou možností je, že laser přestane svítit na fotoodpor. T1 se uzavře, na bázi T2 se objeví záporné napětí, T2 se otevře. Nyní se rozsvítí LED dioda, která signalizuje přerušení paprsku a na výstupu OUT A se můžeme naměřit logickou hodnotu H. Na první pohled však nemusí být patrný význam odporu R5. Jelikož se tranzistor T2 nedokáže uzavřít úplně, přece jenom jím prochází několik ma. To způsobovalo mírný svit LED diody i při stavu, kdy dopadá na fotoodpor laserový paprsek. R5 tento proud svede k zápornému pólu. Fotoodpor jsem záměrně volil se zvýšenou citlivostí na červené světlo (laser je červený). I přesto jej lze velmi snadno ovlivnit i okolním světlem. Proto jsem fotoodpor umístil do tenké plastové trubičky. Fotoodpor tak zaregistruje pouze světlo přicházející přímo zepředu laser. Obrázek 3: Schéma čidla laseru - 7 -
3.4. Blokování spuštění alarmu Jak je již popsáno v kapitole Problematika polašných zařízení, je nutné, aby bylo možné nějakým způsobem blokovat start poplachu po aktivaci a odchodu z místnosti. Jak bylo již zmíněno, zařízení musí několik sekund po aktivaci ignorovat přerušení laseru. Tento problém řeším blokovacím obvodem. Jeho hlavní součástí je univerzální obvod 555, v mém případě NE555N v pouzdře DIL8. Z hlediska odběru proudu jsem mohl použít verzi CMOS, ta bohužel umožňuje odebírat z výstupu puze 100mA, proto jsem zvolil raději toto řešení. 555-ku zde zapojuji jako monostabilní klopný obvod, viz [1]. Rezistor R1 a kondenzátor C1 určují, jak dlouho bude obvod blokovat start. Odpor R1 jsem zvolil 330k a kondenzátor C1, elektrolyt s kapacitou 47μ. S těmito hodnotami je blokování rovno zhruba 19 sekundám. K pinu 5 jsem připojil kondenzátor C2 s kapacitou 100n, jak bývá zvykem u většiny zapojení s 555. Úkolem tohoto kondenzátoru je zabránit vstupu rušivých signálů v podobě cizích krátkodobých impulsů. Start blokování jsem vyřešil jednoduše pomocí tlačítka, které je umístěno na přední straně zařízení. Jak je názorné ze schématu, pin 2 reaguje na záporné impulsy. Občas se mi stávalo, že se obvod sám aktivoval, například když jsem kolem projel zapnutou páječkou. Zkoušel jsem různé možnosti, jak tomu zabránit, a nakonec jsem přišel na velmi jednoduché řešení. Mezi spouštěcí tlačítko a kladný pól zdroje jsem připojil odpor R4, zvolil jsem velikost 1k. Nyní něco k výstupu. U 555 je to pin 3. K němu je zapojena zelená LED dioda jako signalizace obvodu v činnosti. Dále je zde tranzistor T1 (zvolil jsem opět BC337), který spojí výstup OUT B se záporným pólem. Do báze tohoto tranzistoru jsem připojil ještě R2 s odporem 20k jako regulaci proudu tekoucího tranzistorem. Obrázek 4: Schéma blokovacího obvodu - 8 -
3.5. Zpoždění startu Zpoždění stratu je řešeno opět pomocí samostatného obvodu. Jak již název této kapitly napovídá, jedná se obvod, který zajišťuje spuštění alarmu až po nějaké době, s těmito hodnotami součástek za 15 sekund po přerušení laseru. Pokud je na vstupu IN C napětí, obvod čeká a pak sepne relé, na kterém je připojena piezosiréna. Vstup IN C zde předtavuje kladný pól. Kondenzátor C1 slouží k vyhlazování napětí. Důležitou součástí tohoto zapojení je odpor R1 a kondenzátor C2. Kondenzátor C2 se začne nabíjet přes R1. Tranzistor T1 (NPN, opět BC337) potřebuje ke svému otevření kladné napětí na bázi. Pokud se kondenzátor C2 nabíjí, je báze uzemněna. Jakmile se ale kondenzátor nabije, stane se nevodivým a na bázi tranzistoru se díky R1 objeví kladné napětí. Nyní se otevře T1. Odpor R2 v emitoru T1 redukuje proud procházející T1. Tranzistor T2 potřebuje ke svému sepnutí také kladné napětí v bázi. To se tam dostane přes R3, který je zapojen do emitoru T1. Jakmile sepne T1, sepne i T2 a s ním i relé zapopojené v jeho kolektoru. Paralelně k relé jsem kvůli napěťovým špičkám připojil i diodu v závěrném směru. Relé nyní může sepnout. Sepnutím relé se spustí i piezosiréna, která se takto připojí ke kladnému pólu. Obrázek 5: Zpožďovací obvod - 9 -
3.6. Vyhodnocování vstupů a spínání polachu Nejdůležitější obvod jsem nechal na konec. Ten vyhodnocuje impulsy z výstupu čidla laseru a blokovacího obvodu, podle toho taky spíná zpožďovací obvod a s ním vlastně i piezosirénu. Neméně důležitou součástí tohoto obvodu je i automatické vypnutí poplachu po nějaké době. To je blíže popsáno v kapitole Problematika poplašných zařízení. Základem celého zapojení je univerzální integrovaný obvod 555, v mém případě opět NE555N. Použil jsem jej zase v zapojení jako monostabilní klopný obvod, viz [1]. Pokud se uzemní pin 2, obvod sepne a takto vydrží dobu, kterou určuje odpor R1 a kondenzátor C1. V tomto zapojení využívám vstupu IN A, na kterém je připojeno čidlo laseru. Pokud je na vstupu logická hodnota H, přes odpor 5 se přivede do báze tranzistoru T1 (BC337) kladné napětí a ten sepne. Tím vlastně uvede i 555 do činnosti. Odpor R4 je zde pouze k uzemnění rušivých impulsů, které by se sem cestou k tranzistoru mohly dostat. Opačnou funkci k pinu 2 má pin 4. Pokud jej uzemníme, 555 nesepne, ani kdyby byla na IN A logická hodnota H. Proto do IN B přivádím výstup z obvodu na blokování startu. Na pinu 5 je připojený kondenzátor C2 s kapacitou 100n k odstranění rušivých impulsů. Piny 1 a 8 jsou samozřejmě připojeny k napájení. Obrázek 6: Obvod na vyhodnocování vstupů a spínání alarmu - 10 -
4. Fotodokumentace Obrázek 7: Krabička s čidlem laseru, pohled shora - 11 -
Obrázek 8: Pohled na celé zařízení - 12 -
5. Závěr V této práci jsem postavil zařízení, které se jinde nevyskytuje. Snažil jsem o co nejjednodušší zapojení, protože jsem zastáncem hesla V jednoduchosti je krása. Podobně i ovládání pochopí každý na předním panelu je pouze tlačítko blokování a zespodu je vypínač ON/OFF. Všechny činnosti signalizují LED diody umístěné opět vpředu. Všechna schémata jsem kreslil v programu ProfiCad, ty jsem potom upravil pomocí obyčejného rastrového editoru. Desky plošných spojů jsem si sám navrhnul na papír, protože mi přišlo zbytečné něco tak jednoduchého překreslovat do Eaglu. Každý obvod je zvlášť na desce a jsou vyleptány v mírně zahřátém roztoku chloridu železitého. Na tomto polašném zřízení by toho šlo ještě mnoho vylepšovat. Například kromě laseru připojit ještě jiná čidla, a to na zvuk, otřesy nebo třeba na dotyk jiných předmětů. Základní deska je k tomu už přizpůsobená. S těmito čidly jsem také počítal, bohužel mi nezbyl čas je postavit v tomto kole SOČ. Dále by čidla mohla data přenášet bezdrátově, tady je zase otázka s napájením při dlouhodobém použití. 6. Použitá literatura [1] Václav Malina, Poznáváme elektroniku III., dotisk prvního vydání, KOPP České Budějovice 2003, ISBN 80-85828-87-1, strana 164-179. 7. Poděkování Chtěl bych tímto poděkovat: paní profesorce Pomykalové za jazykové korektury Taťkovi za kontrolu zapojení Škole za poskytnutí finančních prostředků - 13 -