Целью данного раздела является описание личного опыта в области разработки и технической реализации устройства охраны периметра.

Идеей создания системы охраны периметра послужила однажды попавшаяся моему вниманию интересная реализация средства обнаружения для охранной сигнализации.

1. Система охраны периметра

2. Средства обнаружения

     2.1 Источник ИК излучения

     2.2 Приемник ИК излучения

3. Реализация технического решения СО

4. Блок коммутации нагрузки

5. Блок звуковой сигнализации

6. Пульт управления

7. Устройство охраны периметра

8. Алгоритм работы УОП

9. Необходимое техническое решение

10. Краткое описание метода создания платы

Система охраны периметра

Система охраны периметра является наиболее ответственной частью охранной сигнализации, так как обеспечивает обнаружение проникновения на самом дальнем рубеже охраняемой зоны. Разработанная структура системы приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Структура разработанной охранной системы

Обозначения:

УОП — устройство охраны периметра;

СО — средство обнаружения;

ПРД — передатчик;

ПРМ — приемник;

БЗС — блок звукового сигнала;

БКН — блок коммутации нагрузки;

ПУ — пульт управления.

При построении данной системы я использовал радиальный (лучевой) безконцентраторный способ соеднинения СО и УОП, то есть все СО подключаются по отдельным цепям электропитания и контроля, это связано с тем, что  СО находятся на определенном расстоянии друг от друга. Недостатком такого способа соединения является большой объем и разветвленность кабельных линий.

Сформируем функции, выполняемые системой:

1. Контроль целостности периметра;
2. При нарушении периметра выполнить следующее:

— выдать световую сигнализацию на ПУ с указанием нарушенной части периметра;

— включить звуковую сирену;

— включить освещение на участке нарушенного периметра (если режим освещения активирован);

— продолжать непрерывный контроль целостности периметра.

Средства обнаружения

Самое интересное, то, без чего не сможет работать ни одна охранная система — датчики охраны или, точнее, средста обнаружения.

Средство обнаружения (СО) — конструктивно завершенное устройство, реализующее рецепторную функцию (функцию контроля состояния охраняемой зоны).

Периметр имеет некоторую протяженность, следовательно одно СО должно перекрывать большие участки. В настоящее время существует достаточно много различных методов охраны периметра, а точнее типов средств обнаружения :

— Проводно-натяжные системы;

— Вибрационно-чувствительный системы (ВЧС);

— Системы с волоконно-оптическими кабелями (СВОК);

— Радиоволновые системы (РВС);

— Радиолучевые системы (РЛС);

— Емкостные системы (ЕС);

— Сейсмомагнитометрические системы (CМC);

— Инфракрасные пассивные системы (ИКПС);

— Инфракрасные активные системы (ИКАС).

Наиболее технически просто и экономически выгоднее реализовать защиту при помощи активных инфракрасных барьеров.

Итак, немного истории: разработка отечественных активных ИКСО ведется с начала 60-х гг. В первых разработках в качестве источников излучения использовались лампы накаливания. Модуляция излучения в данных устройствах выполнялась с помощью механических модуляторов, поэтому такие ИКСО имели низкую эффективность, большие габаритные размеры и значительные токи потребления.

Использование видимого диапазона света в таких устройствах требует наличия дополнительной оптической системы, имеют большую вероятность внешней засветки а, следовательно, и низкую надежность, кроме того, видимый свет демаскирует их, что затрудняет их использование в охранных системах. В настоящее время используют устройства, работающие в невидимом инфракрасном диапазоне.

С появлением новой элементной базы стало более доступно создание  инфракрасных барьеров. При разработке средств обнаружения я использовал два технических решения:

Первое — это с использование в составе приемника и источника микроконтроллеров Attiny13 и несложной программы генерации импульсов определенной частоты. Для реализации этого были разработаны принципиальные схемы, но при этом потребовалось два микроконтроллера: один в источнике, а другой в приемнике инфракрасного излучения, конечно, можно было бы обойтись и одним, но тогда пришлось бы источник и приемник размещать рядом друг с другом. Поэтому ввиду необходимости наличия микроконтроллера в каждом передатчике и приемнике, а также цепи стабилизации питания для каждого и них стоимость данного устройства превышает второй вариант реализации.

Второе — более дешевое техническое решение разработано специалистами направления «МАСТЕР КИТ», на основе современной элементной базе.
Краткое описание устройства

Источник ИК излучения

Источник построен на базе сдвоенного интегрального таймера NE556. На одной его половине собран генератор с частотой 36 кГц, эта частота задается навесными элементами. На второй половине собран генератор огибающей, который управляет первым таймером. Наиболее тяжелой задачей оказался поиск нужных диодов инфракрасного излучения, которые должны обладать следующими основными параметрами:

— Мощность излучения, мВт (желаемая — 150 мВт);

— Длина волны: 940 нм;

— Угол рассеивания: минимальный.

Приемник ИК излучения

Приемник функционирует на базе интегрального фотоприемника TSAL 1736, но с приобретением такового возникли проблемы, поэтому я заменил его на микросхему TSAL 4836 (главное условие при выборе: частота воспринимаемого сигнала — 36 кГц) рис.2.

Рисунок 2 — Микросхема TSAL 4836

Принцип работы фотоприемника: при захвате оптического излучения сигнал с интегрированного высокочувствительного фотодиода поступает на усилитель, преобразующий ток в напряжение, и далее при помощи полосового фильтра выделяется полезный сигнал определенной частоты. Структураня схема приведена на рисунке 3. Данная микросхема ориентирована на прием пакета импульсов с рабочей частотой 36 кГц и длиной волны 940 нм рис.4. 

Рисунок 3 — Структураня схема микросхемы TSAL 4836

Рисунок 4 — Чувствительность микросхемы TSAL 4836

В пакете должно быть 10 или более импульсов, за пакетом от 10 до 70 импульсов должна следовать пауза длительностью не менее 14 импульсов (рис.5). Всем этим управляет схема управления. Благодаря этому микросхема стабильно работает даже при наличии помехи на рабочей частоте. Кроме того, фотоприемник защищен от возможных помех специальными экранами и фотофильтрами.

Рисунок 5 — Структура входного и выходного сигнала

Рисунок 6 — Работа инфракрасного барьера

(анимация: объем: 13,4 КБ; размер: 600х180; количество кадров — 39; задержка между кадрами — 300 мс; задержка между последними кадрами – 700 мс;

количество циклов повторения — 20)

Реализация технического решения СО

Собранные мной источник и приемник выглядят следующим образом:

Рисунок 7 — Источник и приемник инфракрасного излучения

После определенных размышлений я принял решение в качестве корпуса для источника и приемника излучения использовать распределительные коробки для наружной проводки, для этого требуется разработка специальных фиксаторов. Фиксаторы, укомплектованные модулями барьера показаны на рис. 8.

Рисунок 8 — Источник и приемник инфракрасного излучения с фиксаторами

Расположение СО в корпусе приведено на рисунке 9:

Рисунок 9 — Расположение средства обнаружения в корпусе распределительной коробки

Средство обнаружение крепится непосредственно к ограждению периметра или, если это нецелесообразно, то к специальной опоре. Такое крепление показано на рисунке 10.

а) с открытым корпусом

б) с закрытым корпусом

Рисунок 10 — Крепление средств обнаружения

Известно, что инфракрасный свет определенного диапазона виден через фотокамеру. Таким образом, имеется возможность показать источник инфракрасного излучения в работе (рис.11).

Рисунок 11 — Источник инфракрасного излучения

Блок коммутации нагрузки

Предназначен для коммутации нагрузки переменного тока. В данном случае его функцией является включение освещения на определенном участке периметра или части территории при положительном сигнале от УОП (например, срабатывание барьера).

В соответствии с рекомендуемыми принципиальными схемами  блок построен на базе симистора BT139. Гальваническая развязка цепей управления и силовых цепей обеспечивает  симисторный оптодрайвер MOC3041. Данное решение обладает хорошими динамическими характеристиками, низкими токами управления и малыми габаритными размерами, поэтому является наиболее целесообразным к использованию.

Два БКН можно разместить в распределительно коробке (показан в перевернутом виде) рис.12.

Рисунок 12 — Блок коммутации нагрузки

Блок звуковой сигнализации

Звуковой сигнал охраны представляет собой звук воздушной тревоги. В данном случае используется один динамик 3ГДШ–2–8 (для увеличения мощности может быть подключен дополнительный динамик). Результат технической реализации БЗС показан на рис. 13.

Рисунок 13 — Блок звуковой сигнализации

Пульт управления

Для управления охраной периметра разработан специальный пульт управления. Упрощенная структура ПУ изображена на рис. 14.

При нарушении какого-либо барьера автоматически включается индикация (красными светодиодами) нарушенного участка.

В левой верхней части расположен тумблер питания, подача напряжения индицируется зеленым светодиодом. Контур настройка служит для выбора охраняемых участков, а также для активации включения исвещения и сирены при нарушении периметра. После настройки периметр устанавлвается на охрану путем переключения тумблера охрана, при этом зажигается зеленый светодиод.

Рисунок 14 — Структура пульта управления

Устройство охраны периметра

Ядром системы охраны является устройство охраны периметра. Именно оно на основе информации, поступающей со средств обнаружения, принимает решение в соответствии с алгоритмом о выработке управляющего сигнала. Структурная схема устройства охраны периметра приведена на рисунке 15.

Рисунок 15 — Структурная схема устройства охраны периметра

Устройство построено на базе микроконтроллера фирмы Atmel — mega16. Прежде всего, необходимо обеспечить стабилизированное питание +5В. Для этой цели в блоке согласования напряжения (БСН) используются микросхемы стабилизации типа КР142ЕН5А. Для тактирования микроконтроллера установлен кварцевый резонатор частотой 4 МГц.  

Блок гальванической развязки (БГР) обнпечивает оптоэлектронную развязку сигнальных цепей модулей барьера с цепями управления. Эту функцию реализуют оптопары типа 4N35, но возможно использование и 4N33.

Блок коммутации (БК) используется главным образом для управления группами светодиодов, расположенных на пульте управления по линии барьера с определенным интервалом, а также для коммутации звукового сигнала. Диоды ярко-красного свечения зажигаются при нарушении определенного барьера. БК выполнен на биполярных транзисторах КТ3102, работающих в ключевом режиме. Собранное УОП приведено на рисунке 16.

Рисунок 16 — Устройство охраны периметра

Алгоритм работы УОП

Упрощенно алгоритм работы устройства охраны периметра можно показать следующим образом (рис.17):

Рисунок 17 — Алгоритм работы УОП

Необходимое техническое обеспечение

Так как устройство охраны периметра строится на базе микроконтроллера, то требуются специальные средства, позволяющие с ним работать.

Для записи программного кода в память микроконтроллера необходимо специальное устройство – программатор. Таким образом,  для данных целей была принята принципиальная схема и программное обеспечение AVR910-совместимого USB программатора (схема Prottoss'a). Собранный программатор изображен на рис.18.

Рисунок 18 — Программатор

Для отладки и иммитации работы программ был разработан и смонтирован специальный отладочный комплекс, состоящий из модуля микроконтроллера, контактный датчиков и модуля световой индикации. Все три модуля могут соединяться шинами или отдельными соединительными проводами, для которых предусмотрены специальные разъемы рис.19.

Рисунок 19 — Отладочный комплекс

Модуль микроконтроллера содержит разъемы для подключения к любому порту, схему стабилизации напряжения, цепь сброса, кварцевый резонатор 4 МГц и разъем для программирования.

Для быстрой сборки несложных схем и проверки их работы разработана специальная плата рис.

Рисунок 20 — Макетная плата

Краткое описание метода создания платы

Сегодня существует достаточно много методов изготовления печатных плат. При создании всех вышеуказанных устройств я использовал метод лазерного принтера и утюга.

Основные этапы примененного метода заключаются в следующем:

1. Прежде всего, необходимо создать рисунок печатной платы при помощи специализированных программ соответствующий конкретной принципиальной схеме;
2. Распечатка результатов проектирования лазерным принтером (необходим отпечаток на бумаге, сделанный тюнером) на глянцевой бумаге (из разных журналов);
3. Выбор необходимого куска текстолита и зачистка его (рис.21 );

 



Рисунок 21 — Подготовленный текстолит

 

4. С помощью утюга тюнер разогревается и переводится на текстолит;
5. Помещение текстолита с приклеившейся бумагой в воду;
6. После аккуратной очистки лишней бумаги плату необходимо протравить, то есть убрать лишнюю медь, для этого используется хлорное железо;

 



Рисунок 22 — Хлорное железо

 

7. После травления плата тщательно промывается и стирается весь тюнер;
8. Сверление отверстий для элементов, используется сверло диаметром 0,9 мм;
9. Лужение дорожек (покрытие тонким слоем припоя);
10. Монтажные работы.

P. S.

Данное техническое решение не является окончательным.

Рекомендуемые ссылки 

1. Prottoss Electronic Laboratory: принципиальная схема программатора микроконтроллеров совместимого с AVR91 [электронный ресурс] / Режим доступа к статье:http://prottoss.com/../AVR910.usb.prog

2. Николайчук О. Схемы управления нагрузкой на переменном токе: Схемотехника, 2003, №4, 25–26 [электронный ресурс] / Николайчук О. / — Режим доступа к статье: http://www.silabs.ru/pubs/Stat_064.pdf

3. Радиокот: схема воздушной тревоги [электронный ресурс] / Режим доступа к статье: http://radiokot.ru/..

4.РадиоКОТ: Печатаем плату [электронный ресурс] / Режим доступа к статье:http://radiokot.ru/..

5. Чулков В. Инфракрасный барьер на современной элементной базе. Схемотехника 2002, №04.

6. Магауенов Р. Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения: Учебное пособие. — М.: Горячая линия — Телеком, 2004. — 367 с.:ил.