防盗自动警报的设计与优化

2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：图6-55防盗自动警报系统原理图各开关即为每扇门窗的监测传感器,R1至R4为每扇门窗设置的寻址电阻。图6-58防盗自动警报系统实际传感器电路图依据上表中的不同开关状态下的电压将电路所处状态分区,用以对警报系统做出判断并定位开关情况。

一、实验目的

●依据实际需求设计并实现电路。

●熟练运用Lab VIEW软件对实际电路状态进行显示。

二、实验设计要求

为家庭设计一个防盗自动警报系统,该系统具备三个入口传感器和一个窗户传感器。如果警报系统处于激活状态,则当某个传感器检测到门或者窗户被打开时,就立刻拉响警报,同时,前端面板上的信号显示哪一扇门或窗户被打开并拉响警报。

三、实验设计原理

该警报系统采用开关器件模拟门或窗户的传感器,通过分压原理对警报位置进行定位。假定整个报警系统需对4扇门或窗进行监控,系统原理如图6-55所示。

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图6-55　防盗自动警报系统原理图

各开关即为每扇门窗的监测传感器,R1至R4为每扇门窗设置的寻址电阻。当警报系统处于工作状态时,门窗打开则对应传感器开关闭合,将寻址电阻短路。R5为警报系统限流电阻,它在所有开关都闭合时限制电路中的电流。

该电路中供电电源为＋5 V,R1至R4阻值分别为1 kΩ,2 kΩ,4 kΩ,8 kΩ,R5电阻大小取所有寻址电阻值之和的一半,即7.5 kΩ。根据不同传感器开关状态下电路分压情况,计算出上图中电压表的理论读数,并填入表6-2,表中“1”代表对应门窗为打开状态,“0”代表对应门窗为关闭状态。

表6-2　警报系统各报警状态下测量端理论电压

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在打开任一扇门窗(闭合任一开关)时,将对应一个唯一的电压表读数,与上表的理论读数相对照,即可指示哪一扇门或者窗户被打开。

为了增强警报系统的实用性与可视化程度,可在利用NI ELVISⅡ＋平台搭建警报系统实际电路的基础上,结合Lab VIEW软件设计警报定位与显示,以更简洁的方式查看系统保护对象的警报情况。

四、实验设备和器材

●NI ELVISⅡ＋实验平台　1套

●计算机　1台

(安装有NI ELVISmx Instrument Launcher及NI ELVIS驱动软件)

●电阻　若干

●跳线器或按钮开关　若干

五、实验准备

1.在Multisim软件中绘制警报系统原理图

(1)＋5 V供电电源和接地：依次选择“Place”→“Component”→“Sources”→“POWER SOURCES”→“VCC”和“GROUND”,设置VCC为＋5 V。

(2)电阻：依次选择“Place”→“Component”→“Basic”→“RESISTOR”,电阻分别设为1 kΩ,2 kΩ,4 kΩ,7.5 kΩ,8 kΩ。右键单击元件,选择“Rotate 90°clockwise”,可实现元件旋转。

(3)万用表：在主窗口右边的虚拟仪器工具栏,单击万用表“Multimeter”的图标。

(4)开关：依次选择“Place”→“Component”→“Basic”→“3D_VIRTUAL”→“Switch1”。

(5)连线：按图6-56连线。

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图6-56　Multisim仿真电路原理图

2.仿真电路测试

完成上述电路搭建后,按照表6-2中各传感器开关状态对仿真电路进行测试。单击“Run”开始电路运行,用鼠标每次打开(“1”)并关闭(“0”)一个开关,观察电路的操作情况及万用表示数,填入表6-3中。

对比表6-2与表6-3的电压理论、仿真结果,验证电路原理的正确性。

表6-3　警报系统各报警状态下测量端仿真电压

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六、实验内容及步骤

在上述仿真、设计与分析的基础上,对实际传感器电路进行实际电路搭建,通过NI ELVISmx Instrument Launcher中虚拟仪器对测量端电压进行监测。

根据图6-57所示接线原理图在NI ELVIS原型板上搭建实际电路,其中R1＝1 kΩ,R2＝2 kΩ,R3＝4 kΩ,R4＝8 kΩ,R5＝7.5 kΩ。将端子1和2分别与原型板的＋5 V和GROUND端相连,由NI ELVIS的＋5 V电压源为实验电路供电；端子3和4分别与原型板的BANANA A和BANANA B端相连,用虚拟数字万用表来测量测试端的电压大小。搭建好的电路实物如图6-58所示,在实际操作过程中,可将导线接入对应电阻的两端,来模拟门窗开关时传感器的开断,将相应的电压测量数据记录在表6-4中。

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图6-57　防盗自动警报系统传感器电路接线图

表6-4　警报系统各报警状态下测量端实际电压

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图6-58　防盗自动警报系统实际传感器电路图

依据上表中的不同开关状态下的电压将电路所处状态分区,用以对警报系统做出判断并定位开关情况。

七、NI ELVIS实验操作

(1)NI ELVIS平台接口连线

在原型板上完成上述所有连线后,在NI ELVIS工作台和原型板之间完成以下接口连线：

●工作台DMM VΩ→原型板BANANA A

●工作台DMM COM→原型板BANANA B

(2)单击“开始”→“所有程序”→“National Instruments”→“NI ELVISmx for NI ELVIS＆NI myDAQ”→“NI ELVISmx Instrument Launcher”,启动虚拟仪器总体软面板后,单击其中的“Digital Multimeter”图标,打开如图6-59所示数字万用表软面板。

(3)根据图6-59所示设置数字万用表直流电压测量功能的相关参数：

Measument Settings(测量设置)：“”(直流电压)。

完成选择后,单击下方绿色箭头“Run”按钮,保持当前状态为测量状态。测量完成后,单击“Stop”停止按钮。

八、基于LabVIEW的软件设计

警报系统显示程序如图6-60所示,其主要设计思路如下：

采用“DAQ助手”对实际电路测量点电压采集多个样本(程序中以1 000 S/s的速率连续读取100个电压值)。从数据簇(蓝/白线)中选择电压数组。Mean.vi将计算这组读数的平均值,可减小电路抖动带来的影响,并将其传送至电压触发阶梯中。一旦电压落入两个限制值之间(橘色方框),相应的状态就将显示在前端面板上。限制值选为两个相邻触发电平的中间值。当任一扇门或窗户被打开时,4输入的OR函数将触发警报。

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图6-59　数字万用表软面板——直流电压测量

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图6-60　防盗自动警报系统LabVIEW程序框图

设计程序框图同时对程序前面板进行设计,如图6-61所示。

单击“Run”,运行该程序。如果NI ELVISⅡ连接好了并处于“ON”状态,而且原型板具有电源供电,则原型板上的动作将会显示在Lab VIEW的前端面板上。每一个开关都映射到一个特定的窗户或门上。如果某个窗户或门为打开状态,则入口端口将显示为黑色。任何打开的门或窗户都将通过屋檐(eave)槽触发红色警报。要终止程序,单击“Alarm Off”前端面板的滑动开关即可。

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