多路无线防盗报警系统设计

多路防盗报警系统设计与仿真陈小小（吉林大学物理科学与信息工程学院，辽林 长春 ）摘 要本设计的目的在于设计出一个具有实用价值的、性能较高的无线防盗报警器。该报警器具有误报率较低、安装和配置容易、成本低、使用非常方便的特点。实现的原理是热释电红外传感器感应到入侵者的红外热辐射(人体体温)，将其转换成超低频信号，经电路放大、输出。具体方法是用无线通信技术实现三机（检测器、主机、控制器）分离。检测器是利用红外人体检测探头检测预先设定好的范围内的情况，一旦有危险便向主机发出信号。而主机功能是通过无线接受信号，再经单片机处理，然后数码管显示出信号发出的具体范围并同时音频功放控制喇叭发出警告声音。控制器是设定报警器的开与关。关键词：电压比较器 ；无线；AT89C2051；报警系统； 目 录 第一章 绪论11.1 红外防盗报警器的发展状况11.1.1 无线防盗报警器的分类及其介绍11.1.2 无线防盗报警器工作的原理21.2 设计的主要内容和意义21.2.1 设计无线防盗报警器的内容21.2.2 设计无线防盗报警器的意义2第二章系统的总体设计32.1 多路无线防盗报警器的组成3 2.2 各芯片引脚图与功能32.2.1芯片AT89C2051的20个引脚图与功能32.2.2 编码芯片LX2262引脚图与功能42.2.3 解码芯片LX2272引脚图与功能5第三章 硬件电路的设计73.1系统硬件结构图73.2电源设计8 3.3编码与发射电路设计9 3.4数据解码与接收电路设计9 3.5报警电路设计10 3.6显示单元设计103.7遥控电路的设计11第四章 软件的设计124.1程序流程图12 4.2程序原代码13第五章 总结16致谢17参考文献1819 第一章 绪 论1.1无线防盗报警器的发展状况红外防盗报警器的发展主要是基于传感器之上, 所以有必要先谈谈红外传感器的发展状况.而传感器技术是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新科技之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点。从而基于传感器技术的防盗报警系统也得到了高速发展。1.1.1 无线防盗报警器的分类及其介绍 1.被动式红外传感技术是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号,并进行放大,处理,它能可靠的将运动着的生物体(人)和飘落的物体加以区别。同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器，由光学系统，红外传感器和信息处理三部分组成。目前与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式。其中反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达2560 m;透射式的灵敏度最低，探测距离为210 m;折射式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点。反射式系统的红外传感器要置于镜前，体积大，不好密封，在防尘、防水、抗击、隐蔽性等方面较差，尤其在防盗报警方面不宜采用。而透射式系统的体积小，密封容易，稳定性好，其价格相对较低，因此目前国外多采用透射式系统。其工作原理为:由多元组合菲涅尔透镜构成一定视场和距离的警戒区，监视警戒区内红外辐射量的变化。当警戒区内无盗贼出现时，红外辐射场处于稳定状态，红外传感器无信号输出。当盗贼出现在警戒区时，红外辐射场发生变化，这种变化立即被经过巧妙设计的多视场组合菲涅尔透镜会聚，敏感的红外传感器接收后迅速将这种变化转为电信号，这种信号经信息处理部分放大、处理后立即输出报警信号，然后通过传输送达监控器，于是发出报警，示出事发地区1。2.主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。因此主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。其特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。主动式红外探测器有单光束、双光束、四光束之分。以发射机与接收机设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式按装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物（如石灰墙、门板表面光滑的油漆层）反射回的红外光束。当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻挡而使接收机无法接收到红外反射光束时发出报警信号。1.1.2 无线防盗报警器工作的原理无论是基于那种方式的无线防盗报警器，它的工作原理都是将探测到的信号，通过编码，经电路放大，输出并将报警信号通过天线发射出，再用接收电路接收信号,解码并通过控制电路判断是否属于异常信号，再决定是否发送报警信号给报警电路,从而达到防盗的效果。1.2 设计的主要内容和意义1.2.1 设计无线防盗报警器的内容首先是为系统总体设计方案划分功能模块.第一部分是红外探测发射器(可以是多个探测发射器分别安装在需要防护的地方);第二部分是主机(含接收器,处理器,报警器等);第三部分是遥控手柄(对防盗器实行布防和撤防).其次是确定硬件电路的设计，包含芯片的选择，具体电路的设计如探测电路、编码与发射电路、接收与解码电路、遥控器电路等等。最后就是软件的设计，软件的设计主要是以熟悉硬件电路的工作原理为前提来设计的。1.2.2 设计无线防盗报警器的意义 如今市场上成熟的无线防盗报警产品有被动式的、主动式的和多技术复合式的。但前两者都有致命的缺点就是误报率很高，而多技术复合式的防盗报警器误报率很低，也是未来发展的主要方向。即使如此，我依旧设计的是被动式防盗报警器，因为我以目前的水准很难对已成熟的产品有所突破而设计出一流的产品。个人认为设计无线防盗报警器的意义在于设计的过程，在设计的过程中我们才会把这几年在学校里学到的融合，同时也让自己明白我们的学习道路还很遥远。 第二章 系统总体设计2.1多路无线防盗报警器的组成多路无线防盗报警器主要是由无线人体探测器(红外探测信号发射电路)、无线接收电路、数据解码电路、中央控制单元、数字显示单元、遥控电路、报警电路和电源电路等部分组成。其框图如图2.1.现在基本的模块是清晰明了,但最为重要的是每一模块的设计.先从无线人体探测器开始,我们需要一个热释电红外处理芯片来处理所探测的信号.通过查阅资料我选用典型的芯片BISS0001,其详细的引脚功能下面会有叙述.再就是主机中的中央处理器采用AT89C2051，集成电路LX2272-L4 作为数据解码，无线接收采用现成的SH9902模块，编码为LX2262-R4.以下会对每一芯片有详叙。遥控手柄无线探头1 无线探头2数字显示单元电源电路无线接收无线探头3无线探头4报警电路中央处理单元数据解码 图2.1多路无线防盗报警器的组成框图 2.2各芯片引脚图与功能2.2.1芯片AT89C2051的20个引脚图与功能当接收到信号后要有处理芯片来判断是否为异常信号，若是则发报警信号给报警电路。这里的硬件电路要求很简单，有20个引脚的AT89C2051芯片完全能够满足要求，并且价格便宜。图2.2.1为AT89C2051芯片的引脚图，具体功能如下 2 2.2.1 AT89C2051引脚1. Vcc：电源电压。 2. GND：地。 3. P1口：1口是一8位双向I/O口。口引脚P1.2P1.7提供内部上拉电阻。 P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比 较器的同相输入(AIN0)和反相输入（AIN1)。P1口输出缓冲器可吸收20 mA电流并能直接驱动LED显示。当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流(TTL)。P1口还在闪速编程和程序校验期 间接收代码数据。 4. P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。P3口缓冲器可吸收20 mA电流。当P3口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。5. RST：复位输入。RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。6. XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。 7. XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。 2.2.2 编码芯片LX2262引脚图与功能1.由于无线信号容易受外界环境的影响，因此从系统的的可靠性考虑，发射的控制信号采用编码的方式进行传送，而且在同一区域内要同时使用多个系统而相互间又不影响，所以无线信号的编码由LX2262集成电路完成。具体的引脚如图2.2.2所示。图2.2.2 LX2262引脚2.表2.2.2为LX2262的引脚功能的详述。从功能上看，我需要用到的是数据输入端，用来设定这个探测器发现警情所要发射的固定的编码，当然发射是通过DOUT来输出。表2.2.2 LX2262引脚功能管脚名称I/O说明A0AxI地址管脚，用于进行地址编码，可置“0”，“1”，“f”（悬），三种状态D0DxI数据输入端，有一个“1“，即有编码发出，内置下拉VDDI电源（+）端VSSI电源（-）端TE-I编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效OSC1I双端电阻振荡器输入端OSC2O双端电阻振荡器输出端DOUTO编码输出端NC-空脚2.2.3 解码芯片LX2272引脚图与功能1.LX2272 是一款与LX2260/LX2262 配对使用的无线、红外线遥控解码专用集成电路。采用CMOS 工艺制造，它最大拥有12 位的三态地址码管脚，可支持多达（或312）个地址的编码，因此很有效地降低了重码率。2272 的所有型号均能封装成DIP18 和SOP20 两种形式，只是SOP20多了10 和11 两个管脚，图2.2.3 为LX2272引脚图，先了解的是每个引脚的功能，再确定具体的电路设计。 图2.2.3 为LX2272引脚图2.在我的设计中用到的是DIN（数据输入端），用来接收数据编码，这时候VT（有效传输确认）会变为高电平，单片机通过它的电平变化就确认有编码从D0D3（数据输出端）输出。 表2.2.3 LX2262引脚功能管脚号管脚名称I/O说明16A0A5IA0A5码地址管脚,LX2272通过检测这六条三状态的管脚来确定bit0bit5的编码波形.每个管脚可分别置”0”,”1”,”f”(悬)781013A6/D5A11/D0I/OA6A11码地址管脚或D5D0数据输出管脚.当作为码地址管时,每个管脚可分别置”0”,”1”,”f”(悬).当作为数据输出管脚时且满足以下两个要求(1)所接收的地址编码波形与码地址输入端的设置匹配;(2)相应位接收到的数据输出置为”1”,输出为”1”否则为”0”14DINI数据输入管脚,接收到的编码信号由此管脚串行输入15OSC1I振荡器第一外点此二端外接一个电阻,以确定LX2272的基本振荡频率16OSC2O振荡器第二外点17VTO有效传输确认,高电平有效.当LX2272收到有效信号时,VT变高电平18VCC-电源正端9VSS-电源负端 第三章 硬件电路的设计3.1系统硬件结构图3.1.1系统硬件结构图主要分三个部分：图3.1.1 遥控器硬件结构图；图3.1.2 红外探测信号发射电路硬件结构图；图3.1.3 主机电路硬件结构图。具体的电路如附录一、附录二所示。发射电路编码芯片中央处理芯片AT89C2051接收芯片解码电路报警电路二极管显示电路发射电路编码芯片传感信号处理芯片红外传感器图3.1.1 遥控器硬件结构图图3.1.2 红外探测信号发射电路硬件结构图 图3.1.3 主机电路硬件结构图3.1.2在这先简单的说一下各结构图的工作方式：1.遥控器的基本组成就是编码模块与要把编码发射出去的发射模块。它的功能就是对报警器进行布防或撤防，此功能的实现实际上就是发射两组编码，一组是布防的编码，另一组是撤防的编码。2.红外探测信号发射电路的基本组成是红外探测器、信号处理器、编码模块、发射模块。工作方式是通过红外探测器把探测信号传给信号处理芯片，信号处理芯片再判断是否有异常，若无则不用编码不用发送，若有则通过发射电路把代表有异常的编码发送出去。3.主机电路是由接收模块、解码模块、处理模块、显示模块、报警模块组成。工作方式是通过接收模块接收到信号，再由解码电路解码并把已解码信号通过处理器处理，处理器再判断接收的是否为遥控器的信号还是探测器的异常信号，再分别处理，若是异常信号则开启报警电路与显示电路，若是遥控器的信号就是实现撤防或布防的功能。3.2电源设计1.电源电路设计原理:考虑采用典型的变压器降压，全波整流，电容滤波及集成电路稳压的思路进行设计。由于单片机及后续的无线接收电路等都用5 V作为工作电源，所以在经整流和滤波电路后再用三端集成稳压电路进行稳压，为后续电路提供稳定可靠的5 V直流电源，三端稳压集成电路采用LM7805。具体电路图如图3.2.1。图3.2.1 电源电路图 2.电源通过变压会使输入、输出电压不同，从而达到升压或降压的目的。在我的设计中是要求降压，如图3.2.2中U1到U2的振幅的变化就是通过降压来实现的；其中U2到U3的波形图的变化就是通过整流电路实现的；再就是通过滤波电路得到的波信图如UI所示；最后为满足电路所要求的稳定的直流电压，再通过稳压芯片就可得到如UO所示。 u1 u2u3 uIU0 0 t 0 t0 t 0 t 0 t 图3.2.2 电源电路的波形图3.3 编码与发射电路设计 3.3.1 编码发射电路介绍由于无线信号容易受外界环境影响，因此从系统的可靠性考虑，发射的控制信号采用编码的方式进行传送，而且在同一区域内要同时使用多个系统而相互间又不影响，所以无线信号的编码由LX2262集成电路完成，该电路具有8位地址信号和4位数据信号，不同的地址与数据的组合，可以编制上万种编码，完全可以满足同一区域内互不影响地工作；数据对高频载波的调制方式采用ASK方式，即当发送数据信号为1时，接通高频振荡器电源，发送高频无线信号，当发送数据为0时，断开其电源，停止工作，这种设计在静态时工作电流几乎为零2.其原理图如图3.3。图3.3 编码与发射电路图3.3.2工作方式LX2262的电源VCC端是由可控开关控制且受制于探测处理芯片，一旦发现异常就会开启LX2262芯片的电源，一但LX2262芯片工作则会把已经固定的编码信号通过发射电路发送出去。具体的编码是由D3、D2、D1、D0的接法决定，上图中都接地，那么所固定的编码为1000。3.4 数据解码与接收电路设计3.4.1无线接收电路 1.接收电路的无线接收与解调部分采用的是现成的高频接收模块，可以简化设计工作，而且可靠性较好,接收模块采用的是超再生接收，具体的解调过程为：当发射器发送1时，相应的发射高频电路工作，接收部分就会相应地收到一个315 M的高频信号，使模块输出为1，当发射部分发送的是0时，发射高频部分停止工作，接收部分就输出为0，这样就实现了无线信号的传输3。 2.经高频接收且解调出来的信号是编码集成电路LX2262编码后的串行信号，必须经相应的解码电路解码才能还原出控制信号数据。LX2272就担任了这个解码任务。2262和2272是一对专用的编、解码集成电路，当接收部分2272的8位地址数据与发射部分的8位地址数据相同时，就会在2272的17脚输出一个高电平，表示解码成功，同时在4位数据位上输出相应的数据信号，后续的输出控制电路就根据解码输出的数据位，控制开关的开与关3。电路图如3.4。图3.4 数据解码与接收电路3.5 显示单元设计显示单元主要由四位发光二极管来完成显示任务，当接收到不同地址的报警信号后由2051单片机处理后来决定具体哪只发光管点亮。具体电路如附录一所示3.6 报警电路设计为使设计简便同时发出的音效逼真，音频信号发生器采用集成的语音电路，另为了使报警的音量足够大，在音频信号发生器后面再增加一级功率放大器。经查找相关的功放电路，LM386是款不错的音频功放电路，其工作电压为518 V，功率为1.25 W,频率响应的上限为300 kHz,增益可达50 dB，而且外围电路简单，易于设计4，其典型应用电路图如图3.6。 图3.6 报警电路3.7遥控电路的设计遥控电路的设计与编码发射电路的设计原理一样，在LX2262芯片的电源接通后就会把编码（D3D2D1D0的值）通过发射电路发出。在这只是加上开关使它能够有选择的发送编码且两个编码分别为1100、0100，其中一个作为布防的编码信号，另一个则为撤防的编码信号，具体电路如图3.7。图3.7 遥控电路图 第四章 软件的设计4.1程序流程图软件的设计是基于硬件电路而设计的，简单来说就是处理器怎么样处理外部电路所发送过来的信号，并发送相应的命令，从而保证相应功能的实现。布防程序延时到否？ 延时按下撤防键？启动报警电路显示地址报警地址查询撤防信号？布防程序有布防信号？无初始化开始有无信号?是否是否 是否否是4.2程序原代码：；在启动报警后能够遥控撤防；遥控信号采用数字判断，1100为撤防编码，0100为布防编码信号；报警信号即探测器所发现异常后，通过编码、发射电路所发出的信号；1号探测异常信号：1000，2号探测异常信号：0001；3号探测异常信号：0011，4号探测异常信号：0010ORG 0000H ; CLR P1.6 ; CLR P1.2 ; ACALL DYS ; SETB P1.6 ACALL YS ; SETB P1.2 ; CLR P1.3 ; CLR P1.6 ; ACALL DYS ; SETB P1.6 ; ACALL YS ; SETB P1.3 ; CLR P1.4 ; CLR P1.6 ; ACALL DYS ; SETB P1.6 ; ACALL YS ; SETB P1.4 ; CLR P1.5 ; CLR P1.6 ; ACALL DYS ; SETB P1.6 ; ACALL YS ; ; MOV P1, #0FFH ; MOV P3, #0FFH ; AGARN:MOV R6, #34H ; JNB P3.0, AGARN ;是否有有效无线信号输入 ACALL DYS ; JNB P3.0, AGARN ; MOV A, P3 ;读入无线信号值 ANL A, #3CH ;0011,1100 CJNE A,#30H, XH ;30H=00(11,00)00 B ;撤防程序 CLR P3.1 ; CLR P1.6 ;撤防成功响应 CLR P1.4 ;指示灯 CLR P1.5 ; SETB P3.7 ; ACALL YS ; SETB P1.6 ; AJMP AGARN ; XH: CJNE A,#10H, ONE ;判断是否为布防信号 00（001，00）00BSETB P3.1 ; CLR P1.6 ;布防成功响应 SETB P1.4 ;指示灯 SETB P1.5 ; SETB P3.7 ; ACALL YS ; SETB P1.6 ; AJMP AGARN ; ONE: JNB P3.0, AGARN ; CJNE A,#20H, TWO ;0H=00(00,00)00B MOV P1, #0FBH ; AJMP BJ ; TWO: CJNE A,#1H, THREE ;1H= 00(00,01)00B MOV P1, #0F7H ; AJMP BJ ; THREE: CJNE A,#0CH, FOUR ;0CH=00(00,11)00B MOV P1, #0EFH ; AJMP BJ ; FOUR:CJNE A,#8H, FIVE ;00(00,10)00B MOV P1, #0DFH ; AJMP BJ ; FIVE: NOP ; NOP ; NOP ; AJ