基于单片机的压力传感防盗系统

1、安徽大学本科毕业论文（设计、创作）题目： 基于STC89C51单片机的防盗系统设计 学生姓名： 金天祥 学号： P01114045 院（系）： 电子信息工程学院 专业：电子信息工程专业 入学时间： 2011 年 9 月导师姓名： 王丽华 职称/学位： 讲师 导师所在单位： 电子信息工程学院 完成时间： 年月基于STC89C51单片机的防盗系统设计摘 要我们生活的这个时代，科技的创新可谓是日新月异。在先人的努力下，目前的防盗系统可以说是较为完善的，但“道高一尺，魔高一丈”。窃贼尤其是自行车小偷花样百出，使得车主防不胜防。本设计是为了解决自行车的防盗问题。设计的思路是，可以将自行车停于装有压力传感

2、器的停车位，当自行车被搬离原处，压力传感器输出电压信号，HX711AD模块对产生的电压信号进行采样，输出一个24bit AD转换的值送单片机，单片机引脚检测到信号后，控制蜂鸣器报警，同时控制GSM模块向车主发送一条“Warning,your car may be stolen.”的短信，从而实现防盗功能。本设计还有类似“解锁”的功能，车主通过无线收发模块，给单片机引脚一个信号，控制系统停止工作，从而安全取车。关键词：单片机；压力传感器；GSM模块；无线收发模块Design of anti theft system based on STC89C61 single chip microcompu

3、terAbstractThe times we live in,innovation and technology can be described with each passing day.In the ancestors efforts, the current anti-theft system can be said to be a little improvement,but”One foot, One upmanship”.The thief especially bicycle thief,which has a lot of tricks,making the owners

4、impossible to guard against.This is designed to solve the problem of bicycle theft.There are the ideas of the design.The bike parked in the parking space is provided with a pressure sensor.When the bike is moved away from the original place,the pressure sensor output voltage signal,the HX711AD modul

5、e completes sampling the voltage signal is generated,the output of a 24bit AD conversion value is sent to the SCM.When the signal is detected with a SCM pin,SCM controls the buzzer to work and controls the GSM module to send a message”Warning,your car may be stolen.” to the owner,in order to achieve

6、 the anti-theft function.We also design a "unlock" function,The owner can send a signal to the SCM pin through the wireless transceiver module,the control system isnt working and takes the car safety.Keywords:single chip microcomputer;pressure sensor;the GSM module;the wireless transceiver

7、 module目录1 引言52 系统结构和工作原理5-63 系统硬件设计6-113.1 主机控制模块6-73.2 数字压力传感器模块7-83.2.1 压力传感器7-83.2.2 A/D转换83.3 蜂鸣器报警模块8-93.4 GSM模块9-103.5 无线收发模块10-114 系统软件设计11-134.1 初始化子程序11-124.2 压力传感器子程序12-134.3 蜂鸣器报警子程序134.4 GSM发短信子程序13-144.5 报警系统停止程序14-155 结论15主要参考文献16致谢171 引言自行车作为一种方便快捷的交通工具深受大学生们的青睐，它不仅小巧轻便，而且绿色环保，兼之价格较低

8、，因而在全国各大高校均有一定的规模。由于自行车本身机动灵活难以控制，加之管理制度不完善，宿舍楼、食堂、教学楼前自行车排放横七竖八、混乱不堪的情况时有发生，此外停车设施的设计一般也比较简陋，管理人员缺乏，且不能时时监控导致自行车被盗事件频频发生。并且由于多数学生多一事不如少一事的想法，自行车丢失后，多数人并不进行报案，而且为了减少损失，大多数高校的学生倾向于购买二手车，这更加助长了盗贼偷窃自行车转手二手市场的做法1。自行车因其本身市场价格不高，所以目前自行车使用最广泛的就是锁具防盗器。市场上比较常见的锁具防盗器主要有链条锁、卡锁、车头锁、钢丝锁，以上车锁基本上都是通过锁定前轮或后轮来达到防盗目的

9、的。其优点是价格比较便宜，几十元至一两百元，并且使用起来简单方便，缺点是这类锁具都易撬开、锯开或被小偷用工具打开，其防盗价值并不是很高。通过查阅相关的文献资料，发现在西方的一些发达的国家有人通过使用先进的GPS定位的技术进行自行车防盗。这类高端网络式防盗器具有防盗，监控，远程控制，远程报警，反窃等多种功能，是维护社会治安、保护车主利益的新型防盗产品。但是由于自行车市场价格低，使用GPS定位的网络式防盗器价格却比较高，所以在自行车当中网络式防盗器目前尚不能普遍使用，市场前景也比较小。本设计正是针对以往自行车防盗在某些方面上存在的缺陷，通过所学知识来尽力弥补这些不足，同时使用成本较低的单片机来完成

10、系统控制，便于系统的大规模使用。采用无线或专用线的方式将压力传感器，报警控制器等设备连接构成集中报警信息探测、传输、控制和声、光响应的完整系统。它能及时发现警情，并将报警信息转送给车主，达到第一时间发现警情，第一时间传递，第一时间报警。组建一套合理、完善的报警系统，将起到了预防、制止和打击偷盗犯罪的重要作用，能使损失减小到最小。2 系统结构和工作原理系统结构框图如图1所示，主要由两个单片机控制模块、压力传感器模块、蜂鸣器报警模块、无线收发模块、GSM模块组成。2工作原理是当车主将自行车停在压力检测区域时，此时压力传感器经AD模块送给单片机一个24bit的数据.我们设定一个阈值，只要从传感器来的

11、转换的数值在阈值范围内，就不启动报警装置。一旦单片机引脚检测到一个很小的数值或是零值，说明此时自行车很可能不在原位了，也就是被盗了，就送蜂鸣器报警电路和GSM报警电路输入引脚一个信号，从而启动蜂鸣器报警和GSM报警。蜂鸣器报警就是一个扬声器，GSM模块采用SINCOM公司的SIM900A,GSM模块可以实现向车主发送短信或者打电话报警这两个功能。我们利用遥控模块将防盗报警系统关闭，遥控模块采用两个相同的无线传输模块，一个工作在发射模块，发射模块我们会加上一个按键，由车主携带，另一个工作在接受模块，与主单片机连接。无线收发模块采用NORDIC公司生产的nrf24l01芯片。单片机1GSM模块无线

12、接收模块无线发送模块单片机2按键控制蜂鸣器报警压力传感器模块图1：自行车防盗系统结构框图3 系统硬件设计3.1 主机控制模块主机控制模块就是一个51单片机的最小系统。为了完成本次设计，我们采用了STC89C51单片机学习板作为开发板，STC89C51单片机学习板是一款基于8位单片机处理芯片STC89C52RC的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。单片机最小系统电路图如图2。复位电路:由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道,当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且,这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定

13、.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.我们设计的最小系统复位电路部分，电容取得是10uF，电阻取得是10k。单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。单片机复位后psw和pc的初始值都是00H。晶振电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)或者是12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时

14、操作)，我们设计的晶振电路部分取得是11.0592MHz。单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用1533pF，我们取得是22pF,并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好。3图2：单片机最小系统3.2 数字压力传感器模块数字压力传感器模块主要包括压力传感器和AD转换模块。主要框图如图3.压力传感器HX711AD单片机1图3：数字压力传感器模块主要框图3.2.1压力传感器压力传感器部分借用了电子称的称重传感器，主要是用于实验的称重传感器具有一个托盘，利于放置重物。实验电子称一般选用双孔悬臂平行梁应变式称重传感器。它的特点是精度高、易加工、结构简单紧凑、抗偏载能力强、固有频率高。压力传感器中

15、必不可少的一组器件就是电阻应变片，电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。我们使用的压力传感器模块中是将应变片粘贴到受力的力敏型弹性元

16、件上，当弹性元件受力产生形变时，应变片产生相应的应变，转化成电阻变化。将应变片接成桥式电阻，力引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变化，通过测量输出电路的电压数值，最后通过换算即可得到被测物体的重量。43.2.2 A/D转换HX711AD采用了海芯科技集成电路专利技术，是一款专为高精度数字压力传感器设计的24bitA/D转换器芯片.与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快和抗干扰性能强等特点。一方面降低了整个模块的成本，另一方面提高了整机的性能和可靠性。海芯提供的这款A/D转换芯片的封装后的外接口只有4个，图4是H

17、X711AD接口图。一个VCC接单片机的VCC引脚，一个GND接单片机的GND引脚。剩下的两个接口PD_SCK和DOUT是用来组成芯片的串口通讯线，作用就是完成数据输出，选择输入通道和增益的。当数据输出管脚DOUT 为高电平时，表明A/D 转换器还未准备好输出数据，此时串口时钟输入信号PD_SCK 应为低电平。当DOUT 从高电平变低电平后，PD_SCK 应输入25 至27 个不等的时钟脉冲。其中第一个时钟脉冲的上升沿将读出输出24 位数据的最高位（MSB），直至第24 个时钟脉冲完成，24 位输出数据从最高位至最低位逐位输出完成。第25至27 个时钟脉冲用来选择下一次A/D 转换的输入通道和

18、增益。PD_SCK 的输入时钟脉冲数不应少于25 或多于27，否则会造成串口通讯错误。当A/D 转换器的输入通道或增益改变时，A/D 转换器需要4 个数据输出周期才能稳定。DOUT 在4 个数据输出周期后才会从高电平变低电平，输出有效数据。5HX711AD模块对压力传感器产生5mV电压进行采样。HX711芯片内部包括两个通道，一个通道是固定的32倍的增益，主要用于系统参数检测。对于信号检测则使用另一个通道，该通道带有128倍的增益，可以将5mV的电压放大128倍，然后采样输出24bitAD转换的值，单片机通过指定时序将24bit数据读出。图4：HX711AD接口图3.3 蜂鸣器报警模块蜂鸣器报

19、警模块的电路如图5所示，图5：蜂鸣器报警电路我们采用的5V有源电磁式蜂鸣器。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。有源是指蜂鸣器内部有一个震荡源，所以只要一通电就会叫。而无源内部不带震荡源，用直流电源是无法使其鸣叫，而本次设计是在直流供电的环境下进行的，所以我们采用有源的蜂鸣器。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。6蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分

20、：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。3.4 GSM模块我们采用的是一款新型无线模块SIM900A. 它属于四频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，同时采用了功能强大的ARM926EJ-S芯片处理器。SIM900A性能稳定，外观小巧，性价比高并且可以满足多种需求。另外SIM900A采用工业标准接口，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。SIM900A的尺寸大小为24x24x3mm，能适用于M2M应用中的各类设计需求，尤其适用于紧凑型产品设计。SIM900A模块是2G模块，可以支持所

21、有的2G卡，同时也适用于部分的3G和4G的卡。总体来说这个模块可以很好的实现我们的设计要求。SIM900A模块采用串口（UART）通信，我们在使用这个模块的时候，就必须将单片机链接到SIM900A模块的TTL接口。SIM900A模块提供了两组TTL接口，一组为2.85V的TTL接口，可以与3.3V的单片机直接连接；另一组为兼容各种电压的TTL接口，可以与5V、3.3V等单片机直接连接，通常也都是采用这组TTL接口。连接时需要将SIM900A的发送数据串口TXD与单片机的接受数据串口RXD相连接，SIM900A的RXD与单片机的TXD相连接，SIM900A的接地段GND与与单片机的GND相连接。

22、硬件连接完毕后，就可以发送AT指令来控制GSM模块了。通过使用GSM模块我们可以实现SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。图6是GSM的功能框图，包括的主要功能部分有GSM基带、存储器、GSM射频、天线接口以及其他接口。7存储器GSM基带射频GSM模块天线接口LCD接口串口音频接口SIM卡接口GPIO/键盘接口电源接口图6：GSM功能框图3.5 无线收发模块无线收发模块我们采用的是nRF24L01无线收发芯片，nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型模式控制

23、器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。8nRF24L01无线收发芯片主要的工作模式有收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF24L01芯片的工作模式如表1。表1：nRF24L01的工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111一发送模式101数据在TX FIFO寄存器中发送模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式101TX FIFO为空待机模式1一0无数据传输掉电模式0一一一主要控制输入口为单片机的P3.2口，遥控器是我们自己设计的一块单片机最小系统（带按键K2、K3）和一块无线收发模块小的集成电路。车主可通过远程按下遥控器上的K2键，报警器上

24、的无线收发模块得到数据并送给单片机，相当于给单片机引脚P3.2一个低电平。此功能设定为防盗系统的关闭。4 系统软件设计自行车的防盗系统总的软件工作流程图如图7所示。系统软件设计主要由主程序、初始化程序、压力传感器检测压力程序、防盗报警程序（包括蜂鸣器报警程序和GSM发短信报警程序）和防盗系统停止程序。通过该流程图我们可以清晰的知道系统的软件工作流程。当自行车防盗系统启动后，防盗系统便进入低耗的工作状态。只要压力传感器来的数据异常，如明显变小或直接变为零，此时防盗系统退出低耗的工作状态，启动蜂鸣器报警和GSM发送短信报警。图7 总的软件工作流程4.1 初始化程序在初始化程序中，首先是初始化串口，

25、包括设定好串口的工作方式和选择好串口的波特率。初始化单片机1和单片机2的各输入输出口，配置与单片机1相连的nRF24L01为接受模式，配置与单片机2相连的nRF24L01为发送模式。初试化GSM模块，使GSM模块处于待机状态，开总中断，开外部中断。初始化程序的流程图如图8所示。图8 初始化程序的流程图4.2 压力传感器程序压力传感器的工作流程图如图8所示。压力传感器是设计产品很重要的一个环节，理论上是压力传感器的量程越大越好，测量精度越高越好，但这样又会增加产品的成本。考虑到现实中自行车的市场成本，我们并不单纯的追求高精度、大量程。我们采用的是最大量程为5KG，测量精度为1g的压力传感器。压力

26、传感器自身的量程是一个需要考虑的参量，如果重物超过了量程最大值，对压力传感器本身会有损害，所以我们设定此时为超限报警，目的就是为了提醒我们不要超重。我们可以计算在4.3V的供电电压下5KG的传感器最大输出电压是4.3V*1mV/V = 4.3mV，然后经过128倍放大后，最大电压为4.3mV*128 = 550.4mV，最后经过AD 转换后输出的24bit 数字值最大为：550.4mV*224/4.3V 2147483。我们假设自行车模型为一个重为500g的砝码，设定的临界报警值为300g。我们同样可以将这个临界报警值换算成经过AD转换后的数值，只要压力传感器经A/D送单片机的24bit数值小

27、于临界报警值，单片机就会发出信号指令，从而执行防盗报警程序。图8 压力传感器的工作流程图4.3 蜂鸣器报警程序蜂鸣器报警部分的程序很简单，蜂鸣器连在单片机1的P2.3口，启动报警装置时，只要单片机1在P2.3口输出一个低电平，蜂鸣器就可以工作，加上延迟程序就可以达到我们预期的设计效果。低于设置最小值或者传感器本身量程最大值报警，子程序如下所示：if(Weight_Shiwu <= Min_Value | Weight_Shiwu >= AlarmValue)Buzzer = 1;elseBuzzer =0;4.4 GSM发短信报警程序GSM发短信程序如图9所示。先初始化定时器的工作

28、方式，然后根据晶振大小设置不同的数值初始化入口，我们的设计是在晶振选取11.0592MHz下进行的，所以我们的串口波特率设定为9600。打开串行口中断和总中断。如果压力传感器送单片机引脚低电平，程序即进入串行通讯中断，此时GSM模块和单片机进行串行通讯。因为SIM900A模块所能认识的指令只有AT指令，所以我们就是将AT指令通过串口发送给模块。首先可以发送查询指令，如AT+CSQ查询信号强度指令、AT+CPIN?查询模块是否检测到手机卡和AT+COPS?查询模块是否注册到网络。发送AT指令，模块回复OK，就说明握手成功（模块和单片机通讯正常）。然后才可以进行下一步，如控制模块发送一条英文短信。

29、使用GSM模块发短信时，最常见的问题就是当模块收到几条短信后，无论怎样发送短信给模块，模块都不会再有短信提示出来。但是当将次模块中的手机卡放到手机里面时，短信会一条一条的出现。原因是：SIM 卡能够存储的短信数量有限，当接收到了一定短信后，SIM 卡无法再存储更多的短信，所以也就没有短信提示出来。解决的办法是将存储在SIM 卡的短信删除掉一部分或是全部都删掉。我们用的指令为AT+CMGD=1，此命令的功能是将SIM 卡中所有的指令全部删除掉。图9：GSM发送短信程序流程图4.5 防盗系统停止程序nRF24L01无线发射程序如图10所示，配置与单片机2相连的nRF24L01为发送模式，当有按键按

30、下的时候，nRF24L01就进入中断模式，nRF24L01将数据打包，单片机和nRF24L01进行SPI通信，循环移位的方式将数据送给nRF24L01接收模块。图10 nRF24L01无线发射程序流程图 nRF24L01无线接收程序如图11所示，配置与单片机1想连的nRF24L01为接收模式，主控制系统和nRF24L01进行SPI通信，当nRF24L01接收模块接收到数据时，整个报警装置就停止工作，蜂鸣器不再鸣响，GSM模块也一直处于低耗的待机状态，从而自行车主人安全的取走自己的车。图11 nRF24L01无线接收程序流程图5 结论 这次的毕业设计是一次非常难得的机会，在毕业设计选完题后可以说

31、是毫无头绪，不知道从何处下手。通过网络查阅了一些往届毕业生的毕业论文，慢慢的对于这次的设计有了自己的一些想法。 我这次的毕业设计是研究自行车的智能防盗，所以我百度了一下目前国内的自行车防盗现状，了解到人们对于自行车的防盗大多停留在简单的锁具防盗上，当然这种简单的上锁防盗的确可以起到一些作用，但是我们都知道的是即使这样上锁了，被盗现象还是屡见不鲜。这就说明了这种方式的不完善，这也就是我们本次设计的原因和目标。借鉴了很多优秀论文的设计方法，也与同学交流了智能防盗的一些创意，对于这次的设计也有了大致的框架。要想做到快速、准确的遇盗报警，传感器实时监测是非常重要的第一步。市场上各种防盗器种类齐全，也是各有专长。挑选设计材料也是一个很费时的事，从对电子产品的一无所知到一步步熟悉产品的性能、参数等，