Датчики безопасности ребёнка

Балтийский Государственный Технический Университет

«ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова

                        Кафедра Н2 «Инжиниринг и менеджмент качества»

Датчики безопасности ребёнка

Курсовая работа по дисциплине «Физические принципы первичных преобразователей»

Работу выполнил:

Студент  Осипова К.С.

Учебная группа Н291

Работу проверил:

Преподаватель  Юлиш В.И.

Дата :  «___»____________2012 г.

г. Санкт - Петербург

2012 г.

Содержание

Обозначения и сокращения              2

Введение              3

1. Датчик безопасности грудного ребёнка. Радионяня              4

1.1. Расстояние передачи сигнала              5

1.2. Способ оповещения              5

1.3. Функции              6

1.4. Принцип работы радионяни              7

1.4.1. Звуковые волны              8

1.4.2. Модуляция              9

1.4.3. Канал радиосвязи              11

2.1 Различие аналоговой и цифровой техники              14

1.6 Основные технические характеристики. Рекомендуемые правила пользования радионяней                            21

Заключение              23

Список использованной литературы              24

Обозначения и сокращения

АМ - амплитудная модуляция;

ЧМ – частотная модуляция;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;

МСЭ - Международный союз электросвязи;

Введение

Безопасность ребёнка – это одно из главных, если не самая главная, проблема, которая беспокоит многие семьи. Оставить без присмотра грудного ребёнка нельзя, но при этом бывают ситуации, когда родителям необходимо отлучиться, даже если ребёнок спит. Иногда из за навалившихся домашними дел родитель может не уследить за ребёнком, как хорошо было бы знать, когда ребёнок проснётся, закричит или попробует вылезти из кроватки.

В наше время можно найти разные выходы из этой ситуации. Это может быть няня или какое-либо техническое устройство, позволяющее следить за малышом. Наиболее распространены радио, видео и теленяни.

В данной курсовой работе рассматривается такой датчик безопасности ребёнка, как радионяня, принципы действия и правильное применение этого устройства. Радионяня является самым практичным, не дорогим и эффективным устройством, позволяющим следить за малышом при этом занимаясь делами по дому или работе.

1. Датчик безопасности грудного ребёнка.

Радионяня

Радионяня - это устройство, которое «подслушивает», находясь рядом с ребеночком, и немедленно отчитывается маме о том, в каком настроении он пребывает.

Радионяня настроена на определенную радиочастоту и состоит из передатчика и приемника звукового сигнала. Передающая часть радионяни, как правило, больше приемника по размеру, часто отличается более красочным, «детским» дизайном, потому что устанавливается рядом с малышом, но лучше, чтобы он был неброский, нейтрального цвета, так как тогда радионяня не будет интересовать малыша, и он не захочет с ней играть или забросить куда-нибудь.

Приемник же может находиться у родителей, в достаточном удалении от передающей части. При появлении шумов в детской комнате, будь то плач малыша, его кашель или посторонние звуки, приемник сигнализирует об этом родителям.

В зависимости от модели радионяни способы сигнализации на приемнике могут быть звуковые и световые: либо мама слышит голос ребенка и шум рядом с ним, либо на панели приемника загораются лампочки.

Большинство радио-нянь оснащено антеннами. Лучше, если антенны будут мягкими и неострыми, так как передающее устройство часто кладут в детскую кроватку, чтобы слышать малейшее беспокойство ребенка.

Многие модели радио-нянь работают от сети через прилагаемый адаптер и от батареек. Родительский блок может питаться от аккумуляторов. В модели некоторых фирм встроен световой датчик зарядки батареек, подсказывающий, когда их нужно сменить.

Чаще всего предлагается радиус - 3 метра. Это означает, что взрослый будет получать с приемника сигналы о шумах, возникающих в радиусе 3-х метров вокруг малыша. Для стандартной детской комнаты этого достаточно.

Радионяни в свою очередь подразделяются на цифровые и аналоговые. 

1.1. Расстояние передачи сигнала

Хорошим показателем для радионянь считается расстояние передачи сигнала 150-250 метров, очень хорошим - 300 метров. Если размеры дачного участка/частного дома отвечают этим цифрам, то подобная радио-няня действительно будет полезна. С такой радионяней во время сна малыша можно свободно передвигаться по территории, окружающей дом.

Если семья живет в городской квартире, то выбирать радионяню нужно с радиусом действия от тридцати до пятидесяти метров. Не имеет смысла переплачивать и пользоваться прибором большей мощности, если всё равно он используется в других условиях.

Для многоквартирных домов дальность передачи сигнала имеет обратное значение. Если у соседей радио-няня той же фирмы, то можно слышать плач их ребенка и чужие разговоры.

1.2 Способ оповещения

В зависимости от предпочтений, активности передвижений и объема шумов производители предлагают несколько систем оповещения о беспокойстве ребенка и возникновении посторонних звуков рядом с ним.

Голосовое оповещение

+ Оповещение звуком удобно тем, что взрослый может очень быстро отреагировать на призывы малыша, услышав хныканье, детский плач или другие тревожные звуки в детской. Психологически такой призыв воспринимается быстрее и четче абстрактных световых сигналов.

- В кухне, наполненной звуками посуды, льющейся в раковину воды и оргтехники, можно не услышать сразу, что малыш проснулся или нуждается в мамином внимании.

Световое оповещение

+ Исходя из недостатка голосового способа оповещения, плюсом светового является удобство при работе в кухне, в шумном помещении. В некоторых моделях количество горящих лампочек позволяет судить об интенсивности звуков в детской.

- Горящие лампочки безмолвны, поэтому на них нужно периодически поглядывать.

- Невозможно понять характер звуков.

Вибросигнализация на портативном нательном приемнике

+ Это удобно, если взрослый в свободное от занятий с ребенком время занимается «шумными» домашними делами. Впрочем, если по дому разносятся рев пылесоса и звон кастрюль, вряд ли ребенок не услышит их, даже за закрытой дверью детской.

- Этот «минус» нужно учесть, если хочется избегать воздействия электромагнитного излучения.

Комплексная система оповещения

Она представляет собой сочетание звукового и светового оповещения в одном приемнике. Необходимый сигнал можно настроить в зависимости от условий, в которых радионяня эксплуатируется.

+ Совмещает плюсы двух способов и компенсирует минусы каждого. При этом в радио-няне может быть такая функция как возможность отключения одного из индикаторов.

1.3 Функции

Среди функций радионяни можно выделить следующие:

• сенсорная функция: автоматическое включение звука и световой индикации на приемнике в ответ на голос ребенка, при возникновении шума в детской;

• регулировка уровня чувствительности для лучшего определения голоса ребенка в разных условиях шумности;

• функция постоянной проверки связи дает маме уверенность в том, что она ничего не пропустит; обеспечивает большую безопасность малышу. Индикатор заряда батареи или индикатор связи между блоками также очень важны, так как радионяня может сохранять спокойствие, при том, что малыш плачет, если устройство разрядилось или потеряло сигнал;

• функция интеркома или «обратная связь» с ребенком. Если чадо собирается разразиться криком, нежный мамин (папин/бабушкин/нянин и т.д.) голос, доносящийся из передатчика, может быстро успокоить ребенка, отвлечь его от раздражающих факторов. Двухсторонняя связь особенно пригодится, когда малыш подрастёт. Радионяне можно будет найти множество применений - от переговоров при играх в пределах квартиры до радиообщения на прогулках и туристических походах.

Неплохо если, радио-няня наделена такими приятными и полезными функциями как:

• развлекательный комплекс. Музыкальная кнопка на передающем устройстве позволяет убаюкать малыша приятной музыкой. Некоторые радио-няни могут даже развлекать и отвлекать ребеночка светомузыкой на потолке.

• электрочасы и будильник. Эта функция понадобится маме, которая кормит малыша по режиму, а не по требованию.

1.4 Принцип работы радионяни. Радиосвязь

Радионяня использует принцип радиосвязи.

Радиосвязь - беспроводная передача информации на расстояние (тип связи, в котором носителем сигнала являются радиоволны). Первые устройства радиосвязи построены русским физиком А.С.Поповым и, чуть позже, итальянским инженером Г.Маркони в самом начале ХХ в. Эти устройства, непрерывно совершенствуясь в течение целого столетия, полностью преобразили человеческую цивилизацию. 

В основе радиосвязи лежит несколько простых принципов:

1) использование электромагнитной волны высокой частоты в качестве несущей низкочастотную информацию (низкочастотные электромагнитные волны плохо излучаются, и следовательно, для передачи на большие расстояния необходима значительная мощность. Интенсивность электромагнитного излучения растёт пропорционально четвёртой степени частоты, поэтому для радиосвязи предпочтительнее высокочастотные колебания);

2) применение в передатчике и приёмнике колебательных контуров, настроенных на одну и ту же резонансную частоту, равную частоте несущей;

3) модуляция в передатчике высокочастотного колебания содержащим информацию низкочастотным и демодуляция выделенного в приёмнике высокочастотного модулированного колебания.

Чтобы осуществить проводную или беспроводную связь на большие расстояния, вначале нужно исходный сигнал преобразовать в электрический. Такое преобразование обычно осуществляется с помощью микрофона.

В данном случае исходным сигналом является речь человека (плач ребёнка и др.), которая относится к звуковым сигналам (волнам).

1.4.1. Звуковые волны

Звуковые волны – периодическое сжатие и расширение среды (твёрдых тел, жидкостей, газов), происходящие с определённой частотой. Компоненты среды совершают колебательные движения в направлении распространения волны, поэтому такие волны называются продольными механическими волнами.

Название звуковые связано с диапазоном восприятия человеческого слуха, который приблизительно составляет интервал 20…20000 Гц. Если классифицировать с точки зрения животных (собаки) диапазон звуковых волн был бы шире.

Шум как правило обладает очень широким спектром.

Можно привести в пример некоторые уровни звуков. Поскольку человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки разных частот, уровни звука обычно приводятся для интенсивности I, соответствующий частоте 1 кГц, где чувствительность слуха максимальна.

1.4.2 Модуляция

Общая схема радиосвязи довольно проста: в радиопередатчике специальным генератором формируются электрические колебания высокой частоты , которые затем смешиваются с полезным сигналом (модулируются) и при поступлении в антенну, преобразуются в электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. Достигнув антенны приемника, электромагнитные волны наводят в ней переменный ток, который усиливается, демодулируется и поступает на устройство воспроизведения.

Таким образом, модуляция - это процесс объединения информационного, в данном случае звукового сигнала, с частотой генератора.

Модуляция определенным образом изменяет форму ВЧ колебаний и бывает нескольких видов. В радиосвязи чаще всего используют амплитудную (АМ) и частотную модуляцию (ЧМ).

Модулирующий сигнал изменяет либо амплитуду несущей, либо ее частоту. И в том, и в другом случае несущая нагружается полезным сигналом.

Можно привести пример амплитудной модуляции:

Пусть сигнал высокой частоты ω описывается формулой

u = umcosωt.  (1)

Тем или иным способом воздействуем на амплитуду um этого сигнала сигналом низкой частоты Ω так, чтобы изменение амплитуды составило ΔumcosΩt. Тогда вместо формулы (1) получим:

u = (um + ΔumcosΩt)cosωt. (1’)

Такой сигнал высокой частоты, амплитуда которого меняется с низкой частотой, называется амплитудно-модулированным.

Последнюю формулу можно переписать в виде

u = um(1 + mcosΩt)cosωt. (2)

Коэффициент m = Δum/um принято называть глубиной модуляции.

Графики амплитудно-модулированного сигнала для глубины модуляции m1 = 0,5 и m2 = 1,0 изображены на рис. 1.:

 Рис.1 (а) - высокочастотный сигнал ;

Рис.1 (б) - модулирующий низкочастотный сигнал ;

Рис 1 (в, г) - амплитудно-модулированные сигналы с глубиной модуляции m1 = 0,5 и m2 =1,0 ;

Спектр амплитудно-модулированного сигнала

Зависимость амплитуды сигнала от его частоты называется спектром. В формуле (2) выражение

um(1 + mcosΩt)

можно считать медленно меняющейся амплитудой высокочастотного сигнала cosωt. Чтобы получить спектр амплитудно-модулированного сигнала, формулу (2) нужно переписать так, чтобы она состояла только из компонентов с постоянными амплитудами.

Таким образом, амплитудно-модулированное колебание можно считать не только ВЧ колебанием с медленно меняющейся амплитудой, но и суммой трёх высокочастотных колебаний разных частот с постоянными амплитудами.

Спектр рассматриваемого амплитудно-модулированного сигнала (рис.2):

Рис. 2.

Это линейчатый спектр, который состоит из трёх линий с частотами ω – Ω, Ω и ω + Ω. При этом ширина спектра равна удвоенному значению частоты ω модулирующего сигнала. Спектр же низкочастотного модулирующего сигнала состоит из одной линии частотой Ω.

1.4.3. Канал радиосвязи

Для передачи информации посредством электромагнитных волн канал радиосвязи должен включать в себя передатчик и приёмник, настроенный на частоту передатчика. Причём в передатчике должны быть генератор высокой частоты, модулятор и колебательный контур, а в приёмнике – перестраиваемый колебательный контур и демодулятор.

Рис. 3. Упрощённая  структурная схема радиопередатчика

В передатчике электромагнитное поле возникает при электрических колебаниях и в контуре, т. е. в замкнутой цепи, содержащей конденсатор и катушку индуктивности. При каждом изменении направления электрического тока в контуре, вокруг него возникает изменяющееся магнитное поле, а оно (согласно теории Максвелла), обязательно рождает и электрическое поле. Замкнутые силовые линии полей распростоняются в пространстве.

Во многих случаях для увеличения дальности радиосвязи с колебательными контурами передатчика и приёмника соединяют антенны и заземления.

Антенна – колебательная система и для достижения максимальной эффективности ее необходимо настроить в резонанс с принимаемой (как, впрочем, и в передатчике с передающей) частотой.

Обычно антенну рассматривают как катушку индуктивности, а емкостью будет она же, выступающая в роли одной из обкладок конденсатора, второй же обкладкой будет поверхность земли. Параметры антенны также влияют на способность приемника принимать определенную радиостанцию.

Индуктивность и емкость антенны, определяется ее геометрическими размерами, конструкцией, материалом и т.п. Рассчитать антенну гораздо сложнее, чем обычный колебательный контур, состоящий из катушки и конденсатора.

На рис. 4. изображён простейший канал радиосвязи:

Рис. 4.

13

1 – модулирующий сигнал (звук);

2 –ВЧ электромагнитная волна (несущая);

3 – амплитудно-модулированная электромагнитная волна;

1 – ВЧ сигнал, выделенный колебательным контуром;

2 – сигнал после выпрямления детектором;

3 – НЧ сигнал, поступающий в динамик;

14

На рис. 4. слева изображён генератор высокой частоты на транзисторе. Последовательно с источником питания включена вторичная обмотка трансформатора, с первичной обмоткой которого соединён микрофон. Когда в микрофон говорят, меняется напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Оно складывается с постоянным напряжением питания. В результате генератор питается пульсирующим напряжением, и амплитуда вырабатываемого им напряжения высокой частоты меняется в соответствии с низкочастотным сигналом. Амплитудно-модулированное напряжение приложено между антенной и заземлением. Поэтому антенна излучает амплитудно-модулированную электромагнитную волну.

Радиоприёмник (рис. 4., справа) состоит из подключённого к антенне и заземлению колебательного контура, детектора (диода), фильтра низкой частоты, усилителя и динамика.

В общем случае процесс приема сигнала выглядит следующим образом:

          Электромагнитные волны наводят в антенне токи высокой частоты;

          Эти токи поступают на входной контур;

          Контур выделяет из множества частот только узкую полосу, на которую он настроен;

          Из высокочастотного сигнала необходимо выделить скрытый в нем сигнал звуковой частоты (звуковую информацию);

          Электрический сигнал звуковой частоты надо преобразовать в акустический сигнал, который можно прослушать.

Колебательный контур можно перестраивать по частоте, например, конденсатором переменной ёмкости. В приёмной антенне возбуждается переменный ток одновременно от огромного количества работающих в данный момент радиостанций. Для получения нужной информации следует выделить одну радиостанцию. Эту функцию осуществляет колебательный контур.

При настройке контура на частоту радиостанции возникает резонанс, и напряжение на контуре значительно возрастает. Принятый амплитудно-модулированный сигнал детектируется полупроводниковым диодом.

Процесс выделения звука (или другой полезной информации) из высокочастотного сигнала называется демодуляцией (процесс обратный модуляции) или иначе – детектированием.

Рис. 5. Выпрямление электрического тока диодом.

Задача детектора состоит в том, чтобы «вырезать» положительную полуволну, которая также содержит полезную информацию в виде изменения амплитуды.

Но высокочастотный сигнал нельзя прослушать на наушники (колонки) – нужна звуковая частота. Для удаления высокочастотной составляющей в схему после диода включен конденсатор. Емкость конденсатора выбрана таким образом, чтобы он пропускал только высокочастотную составляющую сигнала. Теперь имеется сигнал эквивалентный переданному радиопередатчиком.

Колебательный контур приёмника, с одной стороны, должен иметь узкую полосу пропускания, чтобы ненужные станции не мешали. С другой стороны, эта полоса пропускания должна быть достаточно широкой, чтобы контур пропускал весь спектр принятого сигнала.

Детекторный приёмники не используются для серьезных задач, но на его примере можно проследить процессы, протекающие в более сложных радиоприемных устройствах.

К недостаткам детекторных приемников следует отнести: низкую чувствительность и избирательность (возможность принимать конкретную станцию без помех со стороны других станций с близкой частотой), слабый уровень воспроизводимого сигнала.

В детекторном радиоприемнике нет даже источника питания – он работает на энергии радиоволны. Уровень этой энергии очень мал и для громкоговорящего приема должен усиливаться. Сигнал детекторного приемника настолько слаб, что позволяет прослушивать сигналы только мощных близлежащих радиостанций и только на наушники. Для повышения уровня принимаемого сигнала используются различные виды усиления.

На данный момент используются схемы супергетеродинного приемника (предложенная в 1913 году американским изобретателем Эдвином Армстронгом) - один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной частоты с последующим её усилением.

1.5 Различие аналоговой и цифровой техники

Существуют цифровые и аналоговые устройства. Радионяня ,также относящаяся к радиотехнике, может быть аналоговой и цифровой.

Аналоговые электронные устройства - устройства усиления, преобразования, обработки электрических сигналов, выполненных на базе электронных приборов.

Аналоговые сигналы (U или I) – те сигналы, которые изменяются по такому же закону, что и физические процессы их порождающие.

Аналоговая система:

Характеристики аналогового сигнала:

-         аналоговый сигнал известен во все моменты времени;

-         описание - аналитическое, график или осциллограмма;

Виды аналоговых сигналов:

Аналоговый сигнал может быть непрерывным или дискретным:

-                     непрерывный;

Рис. 5.1.

-        дискретный по времени сигнал А1, А2, ….Аn  в  моменты времени t1, t2…tN ;

Рис. 5.3.

Рис. 5.4. Форма аналогового сигнала на разных этапах его передачи

Цифровой сигнал – если числовое значение аналогового сигнала выразить группами импульсов, обозначающими определенные числа, то можно получить цифровой сигнал.

Представляется в двоичной системе счисления, как самой простой для отображения импульсом.

Способ представления числа - способ кодирования. Кодовое число отражает величину сигнала.

Рис. 5.4 Кодирование параметра аi последовательностью видеоимпульсов.

{а} —► {к} (аналоговое значение—► кодовое слово) = Процесс оцифровки

Рис. 5.5. Схема передачи импульсных сигналов

Кодовое слово - есть определённой длины последовательность символов. Так можно выразить любой параметр сигнала.

Таким образом цифровой сигнал получается из аналогового сигнала путем преобразования его в цифровую форму, и это преобразование включает следующие три операции:

1. Дискретизацию во времени, т.е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала.

2. Квантование по уровню, заключающееся в округлении значения каждого отсчета до ближайшего уровня квантования. Фиксированные уровни, к которым привязываются отсчеты, называются уровнями квантования.

Дискретизированный и квантовый сигнал уже является цифровым.

3. Для увеличения помехозащищенности сигнала его лучше преобразовать в двоичную форму, при этом номер будет преобразован в кодовую комбинацию символов 0 или 1 (импульсно-кодовая модуляция). В результате кодирования (оцифровки) значение отсчета представляется в виде числа, соответствующего номеру полученного уровня квантования.

Все три операции выполняются в одном узле – аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый производится в устройстве, называемом цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

Можно привести пример дискретизации сигнала:

Рис. 5.6.

Если в цепь микрофона (рис. 5.6), где ток является непрерывной функцией времени, встроить электронный ключ и периодически на короткие мгновения замыкать его, то ток в цепи будет иметь вид узких импульсов с амплитудами, повторяющими форму непрерывного сигнала, и представлять собой нич­то иное, как дискретный сигнал (рис. 5.6).Интервал времени t(д)  через который отсчитываются значения непрерывного сигнала, называется интервалом дискретизации. Обратная величина 1/t(д) =f(д) называется частотой дискретизации.