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无线传输报警系统的
第一章绪论
1.1概述
随着无线技术的日益发展,无线传输技术应用越来越被各行各业所接受。
无线传输作为一个特殊使用方式也逐渐被广大用户看好。
其安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的监控系统采用无线传输方式,建立被监控点和监控中心之间的连接。
无线监控技术已经在现代化交通、运输、水利、航运、铁路、治安、消防、边防检查站、森林防火、公园、景区、厂区、小区、等领域得到了广泛的应用。
随着人们对对自己所处环境的安全性的要求的提高,尤其是在家居安全方面,人们不得不时刻留意那些不速之客,无线报警器因此应运而生。
它能帮助人们更好的监控自己的居住环境。
无线报警器的研制在国内外都比较火热,现在很多公司正在进行各种无线报警器的研制,但大多都是通过一般的射频信号传输,其抗干扰性和保密性都不能得到保证,且可移动性差,一旦固定后再移动就需要专门的人员,基于nRF24L01设计出的无线报警器可以完全克服以上的缺点,将会得到更多的人青睐。
1.2任务目标
设计一个无线传输报警系统,以红外热释电传感器、MSP430低功耗单片机、NRF24L01为核心器件。
红外热释电传感器产生的信号经过滤波、放大等处理后传给MSP430微处理器处理,信号经处理后采用串口通信方式传输到上位机显示,并作出报警措施。
信号的传输采用无线传输方式(传输芯片用nRF24L01)。
1.3目的和意义
采用无线传输报警系统是为了实现对一个空间进行多点监控,当有人进入这个空间时,通过报警灯、报警声进行报警,以达到监控的目的。
并在PC机上显示,以便工作人员迅速赶到现场。
与有线报警系统相比较:
(1)无线传输报警系统安装更方便,对地形环境要求不高。
(2)无线传输报警系统的抗破坏性强:
既能达到系统建设的目的,又能解决线路被破坏时报警信息无法传达的问题。
(3)系统配置灵活:
根据不同层次用户的需求建设相应的投资资金额度,可以灵活多变的配置系统,在保证使用功能的前提下使系统具有很高的性价比。
1.4系统特色
1)信号的无线传输方式
nRF24L01无线收发一体芯片和蓝牙一样,都工作在2.4GHz自由频段,能在全球无线市场畅通无阻。
2.4GHzISM(Industry、Science、Medical,工业、科学、医疗)频段是能够在全世界各个国家自由通用,不需要事先向各个国家申请使用执照。
nRF24L01支持多点间通信,最高传输速率超过2Mbps,最大传输距离(室内)可达到30米左右,是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。
当芯片工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA,接收模式时为12.3mA,掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
2)系统的低功耗
nRF24L01和MSP430都是功耗很低的芯片,特别是MSP430的超低功耗工作模式:
用户可以根据CPU外围模块对时钟的需要,通过软件控制MSP430时钟系统,合理的利用系统资源,实现整个系统的超低功耗,而使得系统在只使用内部电源的情况下运行得更久,更符合现在的环保理念。
1.5无线报警系统的总体设计框图
根据设计题目要求,经过仔细思考和相关信息的查证,所选信号采集传感器为被动式红外热释电传感器。
该传感器以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转换为电压信号,经信号处理电路实现报警。
下图1-1是本系统的系统的总体设计框图。
图1-1系统总体设计框图
第二章无线传输报警系统的硬件设计
本设计可以从大体上分为以下几个模块:
电源模块;信号检测模块;控制模块(MSP430,AT89S51单片机);收发模块nRF24L01。
2.1电源模块
系统的主要功能模块是单片机MSP430F449、红外热释电传感器LHI778和射频芯片nRF2401。
MSP430F449的供电电压为1.8~3.6V,LHI778的工作电压为2.2V~15V,nRF24L01的工作电压范围为1.9~3.6V(超过3.6V会烧坏芯片,推荐3.3V)。
由于设计的需要HC-SR501的工作电压定为5V,MSP430F449和nRF24L01的工作电压定为3.3V。
本系统采用了无线传输的方式,为了安装方便灵活,在信号发射端不宜采用外部电源供电。
而在信号接收端与上位机连接,采用的是外部电源。
电源模块的主要作用是提供能量,使用过程时总是希望使用体积小、容量大的电源。
常用的电池有镍锰电池、镍镉电池、锂-锰电池、锂离子电池、燃料电池,其中锂离子电池重量轻、容量大与镍氢电池相比,重量较镍氢轻30~40%,能量比却高出60%。
能量密度是同重量的镍氢电池的1.5~2倍,应用非常广泛,所以此次设计使用的是CR26505锂锰电池作为电源。
CR26505的输出电压是3V,作为信号处理模块的电源时是用两节电池串联得到6V电源,再经过电源芯片LM7805得到稳定的5V输出电压(LM7805是三端稳压集成电路,它具有一个固定的电压输出值5V)。
LM7805的连接电路如图2-1-1所示。
图2-1-1LM7805连接电路
另外单片机MSP430F449和nRF24L01电源芯片采用的是LM1117-3.3,这款芯片在输入电压大于4.75V时能稳定输出3.3的电压。
LM1117-3.3的连接电路如图2-1-2。
图2-1-2LM1117-3.3连接电路
2.2信号检测模块
信号检测模块主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大等几部分组成。
其结构如图2-2-1所示。
图2-2-1热释电红外传感器组成的信号检测部分
2.2.1菲涅尔透镜原理
本设计使用的菲涅尔透镜该透镜透明塑料制成,将透镜的上、下两部分各分成若干等份,制成一种具有特殊光学系统的透镜。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理,在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”,以提高红外热释电传感器的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时,人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”,这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入,从而增强其能量幅度。
2.2.2红外热释电传感器
1)红外热释电传感器内部电路
信号检测采用的是LHI778红外热释电传感器,该传感器主要是由一种高热电系数的材料,如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件,并将两个探测元件以反极性串联,以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号,经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离,一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜,它和放大电路相配合,可将信号放大70分贝以上,这样就可以测出10~20米范围内人的行动。
图2-2-2红外热释电传感器封转内部电路
人体辐射的红外线中心波长为9~10um,而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口,这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um,正好适合于人体红外辐射的探测,而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收,这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
图2.2.3传感器对人体的敏感程度和方向的关系
热释电红外线传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。
热释电红外线传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感.在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度是极为重要的一环。
2)红外热释电传感器工作原理
人体都有恒定的体温,一般在37度,所以会发出特定波长10um左右的红外线,红外热释电探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10um左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
2.2.3信号的处理
信号处理主要是把红外热释电传感器采集到的微弱电信号进行滤波、放大、比较,为报警功能的实现打下基础。
信号的处理部分功能框图如图2-2-4所示。
图2-2-4信号处理部分功能
1)工作原理
红外热释电传感器输出信号的幅度和频率主要取决于目标人体的温度、探测区域背景、人体与传感器的距离、光学透镜系统的焦距和它的设计方式。
人体温度和探测区域背景的温差很大,离传感器越近,输出信号的幅值将越大。
红外热释电传感器配合菲涅尔光学透镜使用时,输出信号波形电压峰值约为1mV。
由于传感器输出的信号非常微弱,容易受到噪声的干扰,甚至有信号被淹没在噪声中。
研究发现传感器上输出信号的干扰源主要来自传感器的热噪音,固有噪音、放大器的电压电流噪声等。
要减少热噪音带来的影响,应尽量缩短热释电传感器和前置放大电路之间的距离,减少外界热干扰,并在前置放大电路中串人低通滤波电路,限制噪声宽带。
传感器的固有噪声电压峰值约为50µV,室外热空气流动能够产生接近250µV的噪声,在室内也接近180µV。
其他可能存在的干扰,如空间电磁波干扰和机械振动等,噪声的幅值接近100µV。
三种噪声叠加最大幅值接近300µV。
2)信号处理电路设计实现
根据上面所述红外热释电传感器的输出信号特性,设计了如图2-2-5电路图.
图2-2-5信号处理电路图
图2-2-5中红外热释电传感器D端和5V电源间串联10KΩ的电阻,用于降低射频干扰,G端接地,S端接47KΩ的负载电阻,偏置电压约为1V。
传感器输出直接耦合到低噪声运放(LM324)构成的滤波电路和第一级放大电路的反向输入端,进行第一级放大。
图2-2-6第一级放大电路
电路的增益与频率有关,当输入信号频率为1HZ时,第一级放大增益约为:
输出的信号电阻R6和电容C4进一步滤波后进行第二次放大。
图2-2-7第二级放大电路
第二级放大增益为:
计算电路增益Au1与Au2的乘积约为2000,然后信号再进过双限电压比较器(图2-2-8)进行比较。
双限电压比较器由四运放(LM324)的另两个放大器构成。
从前面对噪音分析可知,噪音源最大幅值接近300µV,经过两级放大电路后,最大噪音幅值达到600mV。
第二级放大电路偏置在VCC/2,即2.5V,因此,双限电压比较器的高低阀值应设置为3.1V和1.9V时才能有效抗噪音干扰,即当放大器输出信号电平大于3.1V或者小于1.9V时,比较器输出高电平,表示探测到移动人体。
否则输出低电平。
图2-2-8双限电压比较器
2.3MSP430模块
单片机是整个系统的核心模块,选择一款合适的单片机对整个设计至关重要。
本设计中选用了一款超低功耗单片机——美国德州仪器(TI)推出的16位超低功耗的混合信号处理器(MixedSignalProcessor)MSP430系列单片机。
而由于无线射频模块本身不具有和上位机通信功能,所以又选用了一块AT89S51单片机。
下面就对MSP430系列低功耗单片机作简单的介绍。
1)MSP430系列单片机特点
MSP430系列的单片机是美国TI公司推出的超低功耗16位单片机系列中的一种,低电压供电、宽工作电压范围1.8~3.6V。
该芯片具有60KB的FlashROM,2KBRAM,采用串行在线编程方式,为用户编程和控制参数提供灵活的空间。
MSP430F449具有强大的中断功能及输出、功能选择、中断等多个寄存器,使得功能口和通用I/O口复用。
在对同一个I/O口进行操作前,首先要选择其要实现的功能,这就增强了端口的功能和灵活性。
该芯片还具有两个通用同步/异步串行通信接口,有十分方便的开发调试环境,片内有JTAG调试接口,只需要PC机和JTAG调试器即可进行开发。
开发语言有C语言和汇编语言,编译简单,而且具有较好的移植性和通用性。
MSP430F44x特点如下:
·超低功耗,活动模式下,在1MHz工作频率下,在电源电压为2.2V的情况下,工作电流为280μA。
待机模式(standby)下,工作电流仅为1.1μA。
掉电模式(powerdown)为0.1μA,这时RAM中的数据还能有效保持。
·从待机到唤醒的响应时间不超过6μs,12位的A/D转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性,还有可编程电压检测器掉电检测,可在线串行编程,不需要外部编程电压。
·高集成度。
将很多外围模块集成到了MCU芯片中,增大硬件冗余。
内部以低功耗、低电压的原则设计,这样系统不仅功能强、性能可靠、成本降低,而且便于进一步微型化和便携化。
·具有高速和低速两套时钟。
系统运行频率越高,电源功耗就会相应增大。
为更好地降低功耗,F44x单片机可采用三套独立的时钟源:
高速的主时钟、低频时钟(如32.768kHz)以及DCO片内时钟。
可在满足功能需要的情况下按一定比例降低MCU主时钟频率,以降低电源功耗。
在不需要高速运行的情况下,可选用副时钟低速运行,进一步降低功耗。
通过软件对特殊功能寄存器赋值可改变CPU的时钟频率,或进行主时钟和副时钟切换。
·内部电路可选择性工作。
F44x单片机可以通过特殊功能寄存器选择使用不同的功能电路,即依靠软件选择其中不同的外围功能模块,对于不使用的模块使其停止工作,以减少无效功耗。
·具有多种节能工作模式。
F44x单片机具有五种节能模式:
LPM0、LPM1、LPM2、LPM3、LPM4。
这五种模式为其功耗管理提供了极好的性能保证。
如图2-3-1所示:
图2-3-1各种工作模式下MSP430的耗电情况
MSP430工作模式通过控制位设置。
在各种工作模式下,时钟系统所产生的3种时钟活动状态是各不相同的。
2)MSP430F449引脚图如图2-3-3所示
图2-3-3MSP430F449引脚
从图2.3.3中可以看出,MSP430F449主要分为三个部分,即P1、P2、P3、P4、P5、P6,液晶口以及特殊用途的端口(复位、晶振、AD外部参考电压)。
①MSP430F449复位电路
MSP430可以有4种复位来源:
在VCC端加上供电电源、在RST/NMl端输入低电平信号、可编程看门狗定时器超时或在对WDTCTL寄存器写入时密钥不符。
MSP430F449复位电路的和其它单片机的按键复位有所不同,它是典型的上电复位电路,通过上拉电阻把RST引脚的电压拉低。
此次设计采用的复位电路如图2-3-4所示。
当电源接通时,C1电容会逐渐充满电,这个过程必须有,正是这个过程保证CPU正确的“RESET”。
而当电源断电后,C1内储存的点通过二极管释放,使得下一次电源接通后CPU能正确复位。
图2-3-4上电复位电路
此电路的电阻R4与单片机的RST/NMl(58引脚)相连,RST/NMI引脚在加载电压VCC后设置成复位功能。
引脚的复位功能—直保持到不选此功能为止。
处于复位功能状态下,在RST/NMI引脚上拉低至GND,然后释放,则MSP430按以下顺序开始工作:
·将在复位向量地址0FFFEH中包含的地址加载入PC;
·亦样放RST/NMI引脚后,CPU从复位向量中所含的地址开始运行。
状态寄存器SR复位;
·除PC与SR外,用户程序对全部寄存器进行初始化(如SP、RAM等)。
对外围模块中T的寄存器进行处理;
·决定工作频率的系统时钟从DOC的最低糊率开始工作。
启动晶振时钟后频率调整目标值。
②时钟电路
MSP430F449有两个时钟源,由低频和高频晶振构成,其中晶振XTAL1为3.2KHz,晶振XTAL2为8MHz,两个晶振都接有两个15pF的电容,C16、C17、C12、C13都是15pF的电容,用来滤除不同频率的干扰因素。
晶振是感性的元件,它与两个电容串联,在正常工作时,会产出谐振。
电容越小,使晶振、外部电容器与MSP430之间的信号线尽可能保持最短。
它们的电路图如图2-3-5和2-3-6所示:
图2-3-5低频时钟源
图2-3-6高频时钟源
③MSP430F449的基本端口
MSP430F449的基本端口包括P1、P2、P3、P4、P5、P6、S和COM。
MSP430F449各端口和功能如表2.3.1所示:
表2.3.1MSP430F449端口功能
端口
功能
P1、P2
I/O、中断能力、其他片内外设功能
P3、P4、P5、P6
I/O、其他片内外设功能
S、COM
I/O、驱动液晶
MSP430F449各种端口有大量的控制寄存器供用户操作,最大限度提供了输入输出的灵活性。
其中P1和P2有7个寄存器,P3、P4、P5和P6各有4个寄存器。
寄存器特性如下:
·每个I/O位都可以独立编程;
·允许任意组合的输入、输出和中断;
·P1和P2所有8位都可用于外部中断处理;
·可以使用所有指令对寄存器操作;
·可以按字节输入、输出,也可按位进行操作。
④端口数据输出特性
微处理器输入端口的漏电流对系统的耗电影响很大。
MSP430单片机输入端口的漏电流最大为50nA,远低于其他系列单片机(一般为1~10μA)。
不管是灌电流还是拉电流,每个端口的输出晶体管都能够限制输出电流(最大约6mA),保证系统安全。
端口COM和S,这些端口实现与液晶片的直接接口。
COM端口为液晶片的公共端,S端口为液晶片的段码端。
液晶片输出端也可经软件配置为数字输出端
3)MSP430F449的中断系统
MSP430F449单片机有三种中断:
复位中断、非屏蔽中断和可屏蔽中断。
·引起复位中断:
加电源电压;RST/NMI引脚加低电平;看门狗定时器溢出;看门狗定时器密钥不符。
·非屏蔽中断在以下情况产生:
RST/NMI脚有上升沿信号;荡器故障。
·可屏蔽中断源如下:
看门狗定时器溢出;其他有中断能力的外围棋块。
2.4射频模块
本系统选用的无线收发芯片NORDIC公司出品的nRF24L01射频收发芯片。
1)nRF24L01简介
nRF24L01是NORDIC公司最近生产的一款无线通信通信芯片,采用FSK调制,内部集成NORDIC自己的EnhancedShortBurst协议。
可以实现点对点或是1对6的无线通信。
无线通信速度可以达到2M(bps)。
NORDIC公司提供通信模块的GERBER文件,可以直接加工生产。
嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留5个GPIO,1个中断输入引脚,就可以很容易实现无线通信的功能,非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能。
2)nRF24L01引脚功能介绍
nRF24L01一共有16个功能引脚,如图2-4-1所示。
图2-4-1nRF24L01引脚图
各个引脚功能的描述如表2.4.1所示。
表2.4.1nRF24L01引脚描述
引脚
名称
引脚功能
描述
1
CE
数字输入
RX或TX模式选择
2
CSN
数字输入
SPI片选信号
3
SCK
数字输入
SPI时钟
4
MOSI
数字输入
从SPI数据输入脚
5
MISO
数字输出
从SPI数据输出脚
6
IRQ
数字输出
可屏蔽中断脚
7
VDD
电源
电源(+3V)
8
VSS
电源
接地(0V)
9
XC2
模拟输出
晶体振荡器2脚
10
XC1
模拟输入
晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚
11
VDD-PA
电源输出
给RF的功率放大器提供的+1.8V电源
12
ANT1
天线
天线接口1
13
ANT2
天线
天线接口2
14
VSS
电源
接地(0V)
15
VDD
电源
电源(+3V)
16
IREP
模拟输入
参考电流
17
VSS
电源
接地(0V)
18
VDD
电源
电源(+3V)
19
DVDD
电源输出
去耦电路电源正极端
20
VSS
电源
接地(0V)
3)nRF24L01功能框图
图2-4-2nRF24L01功能框图
nRF24L01的框图如图2-4-2所示,从单片机控制的角度来看,我们只需要关注图2.4.2右面的六个控制和数据信号,分别为CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。
CSN:
芯片的片选线,CSN为低电平芯片工作。
SCK:
芯片控制的时钟线(SPI时钟)
MISO:
芯片控制数据线(Masterinputslaveoutput)
MOSI:
芯片控制数据线(Masteroutputslaveinput)
IRQ:
中断信号。
无线通信过程中MCU主要是通过IRQ与NRF24L01进行通信。
CE:
芯片的模式控制线。
在CSN为低的情况下,CE协同NRF24L01的CONFIG寄存器共同决定NRF24L01的状态。
4)射频模块电路原理图
由于nRF24L01工作在2.4GHz频段,在原理图设计过程中着重考滤其抗干扰能力、电源的滤波、天线的匹配网络、晶体布局等。
射频模块电路原理图如图2-4-3所示。
图2-4-3射频模块电路原理图
5)λ/4印制板单极天线
为了满足体积小,成本低的要求,将λ/4单极天线[4]集成印刷在无线收发模块上是一个很好的解决方案,四分之一波长单极天线是一种依赖于地电平的单端馈电天线,它必须有一个有效的地电平。
单极天线在PCB上的导线的长度主要由天线的谐振频率决定。
四分之一波长单极天线有较大的带宽增益,单极天线在PCB上导线的长度不是最关键的,但是它像其它类型的天线一样,当环境参数(如到地电平的距离,地电平的大小,PCB天线导线的大小和厚度等)变化时,四分之一波长单极天线的增益也会随之变化,在每一种应用中,如果环境参数变化了,则四分之一波长单极天线的长度可能需要改变,以使其表现出最佳的性能。
6)PCB板制作
PCB布线
在PCB设计中,布线是完成产品设计的重要步骤,可以说前面的准备工作都是为它而做的,在整个PCB中,以布线的设计过程限定最高,技巧最细、工作量最大。
PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。
布线的方式也有两种:
自动布线及交互式布线,在自动布线之前,可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线,输入端与输出端的边线应避免相邻平行,以免产生反射干扰。
必要时应加地线隔离,两相邻层的布线要互相垂直,平行容易产生寄生耦合。
自动布线的布通率,依赖于良好的布局,布线规则可以预先设定,包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。
一般先进行探索式布经线,快速地把短线连通,然后进行迷宫式布线,先把要布的连线进行全局的布线路径优化,它可以根据需要断开已布的线。
并试着重新再布线,以改进总体效果。
PCB板布局
在设计中,布局是一个重要的环节。
布局结果的好坏将直接影响布线的效果,因此可以这样认为,合理的布局是PCB设计成功的第一步。
布局的方式分两种,一种是交互式布局,另一种是自动布局,一般是在自动布局的基础上用交互式布局进行调整,在布局时还可根据走线的情况对门电路进行再分配,将两个门电路进行交换,使其成为便于布线的最佳布局。
在布局完成后,还可对设计文件及有关信息进行返回标注于原理图,使得PCB板中的有关信息与原理图相一致,以便在今后的建档、更改设计能同步起来,同时对模拟的有关信息进行更新,使得能对电路的电气性能及功能进行板级验证。
PCB的注意事项及解决的办法
·反射信号:
如果一根走线没有被正确终结(终端匹配),那么来自于驱动端口信号脉冲在接收端被反射,从而引发不预期效应,使信号轮廓失真。
当失真变形非常显著时可导致多种错误,引起设
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