压电式玻璃破碎报警器
一.选题的意义
在很多安全场合，比如文物防盗、博物馆防盗和重要机密或重要文件保存，都需要设置玻璃破碎报警器来保证其安全。目前采用最多的就是压电式玻璃破碎报警器，它具有使用频带宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等许多优点。
压电陶瓷片具有正压电效应：压电陶瓷片在外力作用下产生扭曲、变形时将会在其表面产生电荷，且产生的电荷量Q与作用力成正比，Q=d33F, d33为陶瓷的压电系数，F为极
化方向作用力。压电传感器还具有一个重要特点：只能用于测量动态变化的信号，高频响应较好。
玻璃破碎时会产生10k~15k的高频声音信号，该信号可使压电传感器的压电元件产生正压电效应。因而压电陶瓷片可对玻璃破碎信号进行有效检测，并对10kHz以下的声音有较
强的抑制作用，从而检测玻璃是否发生破碎。玻璃破碎声发射频率的高低、强度的大小同玻璃的厚度、材料有关。使用石英玻璃在25C、湿度25%时的破碎频率为12kHz。
三.方案论证
在玻璃附近安装压电传感器，当压电元件表面因玻璃破碎产生的高频声音信号而受振动时，压电传感器就会产生一定的电压脉冲。该电压经放大后送入带通滤波器，以提高灵敏度
和减少误报。压电传感器产生的是交流信号，需经过交直流变换变成直流信号后才能送入比
较器。比较器产生标准的下降电压引起单片机中断执行显示、报警操作。
系统总体框图如下：
单
片
机
图1系统总体框图
四.硬件设计
4.1压电传感器
选用压电陶瓷作为压电传感器，压电传感器可等效为一个电压源，如图所示:
图2压电传感器等效电路
Ra为传感器漏电阻，Cc为电缆电容，Ri是后级电路的输
R=Ra//Ri。
f = Fmsin w t的作用时，经计算前置放大器输入电压U i的幅值为:
dF m R
2R2(C a C c C i)
令w 0=1/ :R (Ca + Cc + Ci)],当w/w 0>3时，可认为Uim与w无关。利用压电传感器可检
测玻璃破碎产生信号的强弱。
4.2前置放大电路
压电传感器输出电压信号很微弱，通常只有几十毫伏，而且压电传感器输出阻抗很高。
为达到阻抗匹配和信号放大的作用，选用低噪声、高输入阻抗的仪表放大器AD620作为前
置放大器对信号进行放大。AD620放大增益可通过电位器RG调节，增益
“49.4k ’
A 1
RG
放大电路如图3所示
Ca为压电传感器等效电
容、入阻抗，Ci是其输入电
容，
U im
4.3带通滤波器
由于玻璃破碎产生的声音信号频率一般为10k~15k，为减少误报，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而带外衰减要尽量大。采用二阶压控电压源带通滤波电路，如图4所示。可由设计手册根据中心频率和带宽选取电阻电容
值。
令滤波器中心频率f=12.5KHz，带宽BW=5KHz，取C=0.01uF
由公式R=1/2 n fC 可求得R=1.27k Q, R2=R=1.27k Q, R3=2.54k Q
再由Q=1/(3-Av) , BW=f/Q，求得A=2.6 , Q=2.5
又由于Rf//R4=R3=2.54k Q, A=1+Rf1/R4，求得Rf=6.6k Q, R4=4.13k Q
图4带通滤波器
4.4直流变换与比较输出电路
信号经输入调理电路后是一串被放大了的脉冲波，但是进入比较器的信号必须是直流电
压。采用AD736进行交直流变换，有比较成熟的电路。其输入信号是有效值，最大为200mV。比较输出是单片机能否正常显示、报警的关键，电路中采用LM393进行电压比较。其工作
原理如下：输入信号与参考电压Ref进行比较，当输入信号小于Ref时，比较器输出标准的
+5V电压；当输入信号大于Ref时，比较器输出低电平。从AD736出来的直流电压是随传
感器的信号变化的，每当有声音振动信号时，从比较器出来的电压会形成一个标准的下降沿电压，触发单片机中断。电路如图5所示：
图5交直流变换与比较输岀电路
4.5灵敏度调节电路
为了实现对玻璃破碎振动级别的识别，设计了报警灵敏度调节电路，可以通过调节它的
不同级别来起到对不同强度的振动有滤过作用。采用调节比较器的比较电压来实现灵敏度的
调节。因为AD736的最大输出电压为200mV，所以Ref也应小于200mV。故需要分压电路，采用电位器Rp对5V电源进行分压，由4选1模拟开关构成4档比较电压，通过单片机P1.0 和P1.1 口进行控制。电路如图6所示。
图6灵敏度调节电路
4.6显示及报警电路
利用PNP 三极管的输出特性，将基极通过R1接在P1.2脚，发射极通过二极管接蜂鸣器。 当
P1.2输出高电平时，三极管发射结截止，蜂鸣器不响。当
P1.2输出低电平时，三极管工 作在放大状态，蜂鸣器会发出响声，
同时发光二极管发出红光，实现报警。
在实际应用中可 采用单片机控制继电器的关断，从而接通声光报警器。如图 7所示： 五. 软件设计
现阶段单片机的主要任务是完成灵敏度调节和实现声光报警，
下阶段可利用多个传感器
构成分布式系统，则单片机需要显示报警点位置并实现语音报警。
图7报警电路
六．测试方案及预期结果
由于玻璃破碎时产生的高频声音信号主要与玻璃厚度、材料有关，而压电传感器接收的信号强弱与传感器和玻璃之间的距离有关。另外，带通滤波器的中心频率和通带范围、灵敏
度也应根据实际情况进行调整。故可设计如下测试方案：
1. 保持传感器和玻璃之间距离不变，改变玻璃的厚度、材料，测试系统在各种灵敏度下能否报警；
2. 保持璃的厚度、材料不变，改变传感器和玻璃之间距离，测试系统在各种灵敏度下能否报警；
3. 测试系统在其他信号，例如：说话声、脚步声、音乐声下能否报警。对带通滤波器中心频率和通带范围的设置可利用其他仪器测出玻璃破碎时信号的频率，再选择相应的电阻、电容值予以实现。
六．感受
该玻璃破碎报警器虽然设计比较简单，但是对所学的知识应用的很多，对锻炼我们的实际能力有很大帮助。在查找资料和设计的过程中，我们对压电传感器原理、基本的测控输入通道、基本的信号调理电路有了比较深刻的认识。由于时间仓促，目前只能实验其工作原理，不能构建实际的分布式报警系统。
小组成员：李政刘兴兵张辉