电子学：第014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？

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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？
9. 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。
10. 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。