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课程设计多路无线报警系统设计
课程设计——多路无线报警系统设计
广东工业大学华立学院
课程设计(论文)
课程名称实习课题设计
题目名称多路无线报警系统设计
学生学部(系)计算机与艺术设计部
专业班级07电子信息工程2班
学 号11030701056
学生姓名黄一
指导教师郑飞
2011年1月15日
摘要关键词
摘要:
近年来,随着改革开放的深入发展,电子电器的飞速发展,人民的生活水平有了很大提高。
各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有。
然而一些不法分子也是越来越多。
因为大部分人防盗意识还不够强,造成偷盗现象屡见不鲜。
因此,越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。
这时报警系统为人们解决了不少问题。
本文报警系统是由一台接收主机和若干台(最多16台)无线发射分机组成的多路无线报警群。
发射机安装在不同的报警点上,遇有非法侵入者,立即发出报警信号,接收机收到警迅后能在LED显示出报警点位置。
探测头选用一种能以遥感的形式感应出移动人体所发出的微量红外线的热释红外传感器,用一片双运算放大器LM358组成两级比例放大电路,用芯片LM339做比较器,再由VD5026构成的编码电路进行调制,最后由无线电路发射报警信号。
接收电路用成品接收模块接收信号,VD5027解码器对发来的信号进行解调,智能部件AT89C2051单片机来检测脉冲和翻译,最后LED显示器显示报警的位置并通过DC6V的电子蜂鸣器发出警报。
关键词:
报警系统;调制;解调;单片机
1绪论
随着时代的发展,社会的进步,防盗安全已经成为了一个普遍关注的问题,更有效,更方便,更低廉的报警系统已经得到了人们的欢迎,报警系统按传输媒介分为有线和无线两类。
无线报警系统和有线报警系统相比,具有隐蔽性好、安装方便等优点,尤其在传输距离较远、地形复杂的场合更显示出其优越性。
本文设计的无线报警系统利用单片机控制,易于扩展成多用途的智能家居系统。
它由一台接收主机和若干台无线发射分机组成的无线遥控报警群,发射机安装在各不同的报警点上,遇有非法入侵者,即发射出报警信号,接收机收到警讯后能在LED显示器上显示出报警点的位置。
无线报警系统由发射电路和接收电路组成,发射电路由热释电红外传感器、放大器、比较器、电源控制电路、编码电路、成品发射模块组成,接收电路由成品接收模块、解码器、智能部件AT89C2051、LED数码显示器和讯响电路组成。
本文无线报警系统器采用编码解码电路和单片机控制,操作简单,判断精确,使用灵活,性价比高,同时采用单片机智能部件AT89C2051作为主控芯片,进行实时控制,本设计涉及到多种芯片,包括了单片机,编解码器,发射模块和接收模块等,同时运用到电子线路,数字电子技术,单片机应用等知识。
随着集成电路和单片机等技术的发展成熟,报警器的发展也趋向多元化,完全满足了客户的需要。
1.1国内外报警系统的研究现状和水平
报警系统种类繁多,功能强大。
近期,国内外已研制出微波探测器、墙式微波探测器、玻璃破碎探测器、超声波探测器、开关式报警器、周界报警探测器、泄露电缆式报警探测器、驻极体震动电缆报警器、电磁感应式震动电缆报警器、光纤传感器周界报警器、地音周界报警探测器、电场感应式探测器及电容变化式探测器等多种性能良好的探测器。
日前,在现代计算机技术、自动控制技术和现代通信技术的支持下,电子地图、多媒体操作、管理与控制软件引入到防盗报警系统中。
这种新的系统采用多媒体技术同时处理多种信息,并使信息之间、信息与设备之间、设备与设备之间建立逻辑联系,集成为一个交互式的系统,从而达到自动识别、自动预测、自动处理警情,使整个安防系统成为一种具有智能化的“活”的系统,让它发挥巨大、有效、可靠、灵活的系统功能。
从目前来看,报警产品主要应用于报警中心以及智能小区,未来的主要市场还是这两部分。
随着“平安城市”这样大规模的城市报警与监控系统建设,报警中心也获得了很好的发展机会,而智能小区则随着智能家居概念的产品化已经获得人们的初步认识。
无线报警产品市场将会更快增长,部分产品将会随着无线技术的发展而应用到专业市场领域,这部分市场的应用其利润要高过正常的工程领域的应用。
国内市场的一个现实情况也是与国外市场最不同的地方:
无线报警产品正在向消费电子方面渗透,在中国会成为新一代的消费电子产品,从而使报警产品由专业市场向大众市场过渡,反过来再影响专业市场,相信在不久的将来,这一假想就有变为现实的可能!
1.2多路无线报警系统的研究意义
近年来,随着改革开放的深入发展,人民的生活水平有了很大提高。
各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有,并且人们手中特别是城市居民的积蓄也十分可观。
因此,越来越多的居民家庭对财产安全问题十分关心。
目前,许多家庭使用了较为安全的防盗门,如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器用于居民家中,必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。
为此,提出“无线多路防盗报警器”的设计任务。
报警系统是用来探测入侵者的入侵行为。
需要防范入侵的地方很多,可以是某些特定的点、线、面,甚至是整个空间。
探测器由传感器和信号处理器组成。
在入侵探测器中传感器是探测器的核心,是一种物理量的转化装置,通常把压力、震动、声响、光强等物理量转换成易于处理的电量(电压、电流、电阻等)。
信号处理器的作用是把传感器转化的电量进行放大、滤波、整形处理,使它能成为一种能够在系统传输信道中顺利转送的信号。
目前报警器在越来越多的场所得到了应用,功能也越来越强大,应用也越来越广泛。
1.3多路无线报警系统设计的总体概述
多路无线报警系统的总体设计框图如图1.1所示,由一台接收主机和若干台(最多16台)无线发射分机组成的。
其主要功能如下:
(1)多台无线发射机分布在不同的区域位置,根据发射机的编码器编码输出0000-1111的16种编码组合分别代表多台发射机。
(2)接收主机有专人控制,处理记录报警情况和显示器复位。
(3)每台发射机的编码器输出的不同的编码组合来代表不同的发射机,当一台发射机向接收主机发射信号,接收主机接收到发射分机发射来的信号,通过解码器进行解码,由智能部件进行分析和翻译,传给LED显示器,进行显示和报警,管理人员接到报警后记录位置,然后系统复位。
(4)如果多台发射分机同时向接收主机发射报警信号,LED显示器会轮流闪烁报警的位置代号。
方便及时记录处理,然后系统复位。
(5)热释红外传感器配有菲潢耳透镜,起到了能量“聚焦”的作用,提高了监测距离。
图1.1所示为多路无线报警系统的系统框图
2多路无线报警系统结构原理与设计
多路无线报警系统由一台接收主机和16台无线发射分机组成多路无线报警群。
发射机安装在各不同的报警点上,遇有非法入侵者,电红外传感器感应出人体所发出的微量红外线,将其转换为微弱的电信号输出给放大器,把信号放大,通过比较器、电源控制器、编码器、最后由无线发射模块发射给接收主机,接收主机经过解码器解码,智能部件AT89C2051检测翻译,最后由LED显示器显示报警位置DC6V电子蜂鸣器发出报警信号。
2.1多路无线报警系统的基本原理
多路无线报警系统的工作原理是:
由热释电红外传感器作为探测器,它以遥感的形式,感应出移动人体所发出的微量红外线,将其转换为微弱的电信号输出给由一片双运放LM358组成两级比例放大器,对送来的信号进行放大后送入LM339专用比较器,比较器对信号进行比较,编码电路接收到比较器发来的信号,对其进行编码,整个报警系统的所有编码器VD5026地址必须相同,数据线的接法有16种组合状态,这样容易判断报警地点。
其中电源控制电路对编码及无线发射电路的电源供给实施控制。
已调制的信号由成品无线发射模块发射给成品接收模块,接收后的调制信号由解码器VD5027进行识别和解码,AT89C2051单片机检测VD5027的VT端有没有正脉冲到来并把读入的信息翻译成适合7段共阳LED显示器的“段码“,并输出给LED显示器,并由蜂鸣器发出报警信号。
2.2多路无线报警系统的组成设计
多路无线报警系统由发射电路和接收电路组成。
发射电路由以下几个基本电路组成:
热释电红外传感器、放大器、比较器、电源控制电路、编码电路、无线发射;
接收电路由以下几个基本电路组成:
无线接收、解码器、智能部件AT89C2051、LED数码显示器和讯响电路等。
多路无线报警系统的总体方框图2.1:
图2.1多路无线报警系统的总体方框图
下面对多路无线报警系统电路进行分析;
首先是发射电路:
(1)热释电红外传感器:
它是一种能以遥感的形式,感应出移动人体所发出的微量红外线,并将其转换为微弱的电信号输出的探测器件;
(2)放大器:
使用一片双运放组成两级比例放大电路,它将接收的信号进行放大;
(3)比较器:
它使用1/4LM339,LM339是专用比较器,一片芯片内含有4个独立的电压比较器,这里使用了其中的两个构成窗口比较器;
(4)电源控制电路:
电源控制电路对编码及发射电路的电源供给实施控制;
(5)编码电路:
编码电路由VD5026构成,整个报警系统的所有编码器地址必须相同;
(6)无线发射:
无线发射采用成品发射模块。
发射电路的工作过程可简述为:
当有人进入红外探测器的探测范围内时,放大器的输出就会变高或变低,使发射电路得电发射出无线报警信号。
接收电路:
(1)无线接收:
无线接收使用了成品接收模块,模块解调后恢复出发射端的编码信号,必须注意该信号极性必须与发射端编码器VD5026输出编信号相同;
(2)解码器:
解码器使用VD5027;
(3)智能部件AT89C2051:
AT89C2051是一种廉价的高性能通用型单片微型计算能称单片机,为双列直插20脚封装;
(4)显示与讯响:
显示采用2只共阳7段LED显示器,其中小数点不使用。
讯响采用DC6V的电子蜂鸣器,其内部已包含压电蜂鸣片、振荡器和驱动器,只要加以电源电压就能发出讯响。
3多路无线报警系统的组成
多路无线报警系统由发射电路和接收电路组成。
其中,发射电路由以下几个基本电路组成:
热释电红外传感器、放大器、比较器、电源控制电路、编码电路,无线发射模块等;
接收电路由以下几个基本电路组成:
无线接收模块、解码器、智能部件AT89C2051、LED数码显示器和讯响电路等。
3.1发射电路的组成
发射机电路图如3.1所示,由热释电红外传感器、放大器、比较器、电源控制电路、编码电路、无线发射模块等部分组成。
图3.1多路无线报警发射电路
3.2热释电红外传感器的介绍
热释红外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。
由探测元件将探测并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,该透镜用透明塑料制成,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,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。
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”,以提高它的探测接收灵敏度。
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,从而强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9~10--um,而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um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7~10--um,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。
热释电效应早在18世纪就已经被人们在电石中观察到了,但是直到近20年人们才开始利用这一效应制成热释电探测器并加以应用。
与其他类型的热探测器相比,热释电探测器具有许多突出的优点:
其工作频率较高,可达到几百千赫以上:
温度范围宽,受环境温度影响较小:
从近红外(2μm)到远红外(1mm)具有较均匀的吸收率,并容易制作成各种形状。
热释电探测器实际是一种热伏器件,工作原理基于热电效应,热电材料表面吸收红外光线时温度发生变化,因而表面电荷亦随之而变,由此得到电信号,它所探测的光谱响应主要由红外透光窗的材料(器件内部)来决定。
热释电红外探测器有很广泛的用途,例如X-Y轴成像扫描器、线陈列热像系统、热释电设想管、辐射计、高速光谱仪、激光探测仪等,更是人体红外报警和遥控应用中不可缺少的器件。
热释红外传感器外形封装有金属壳体和塑封两种。
从其内部结构来区分有:
单元件、双元件、四元件以及特殊结构等形式。
从使用的波长来区分有:
1~20μm,适用温度遥测;(4.35±0.15)μm,适用于火焰检测;7~14μm适用于防盗报警、自动门、节能灯等。
热释红外传感器应用电路如下图3.2:
图3.2热释红外传感器应用电路图
3.3放大器介绍
放大器是能把输入信号的电压或功率放大的装置,它是由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。
放大器用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。
放大器的原理:
高频功率放大器用于发射机的末级,作用是将高频已调波信号进行功率放大,以满足发送功率的要求,然后经过天线将其辐射到空间,保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平,并且不干扰相邻信道的通信。
高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。
按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种,窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路,故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器;宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路,因此又称为非调谐功率放大器。
高频功率放大器是一种能量转换器件,它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。
在“低频电子线路”课程中已知,放大器可以按照电流导通角的不同,将其分为甲、乙、丙三类工作状态。
甲类放大器电流的流通角为360o,适用于小信号低功率放大。
乙类放大器电流的流通角约等于180度;丙类放大器电流的流通角则小于180度。
乙类和丙类都适用于大功率工作,丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。
高频功率放大器大多工作于丙类工作状态。
但丙类放大器的电流波形失真太大,因而不能用于低频功率放大,只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。
由于调谐回路具有滤波能力,回路电流与电压仍然极近于正弦波形,失真很小。
本文放大器使用一片双运放LM358组成两级比例放大电路,IC1和IC2分别为1/2LM358。
IC1构成同相端输入的比例放大电路,信号从同相端输入,放大倍数由R3与R2的比值确定。
IC2组成反相输入的比例放大电路,放大倍数取决于R8和R3之比值。
该放大器同相端的电位由R6、R7及二极管D1、D2构成的分压电路固定为Ucc/2,所以其输出的信号的中点电位是Ucc/2。
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
LM358的特性为:
内部频率补偿、直流电压增益高(约100dB)、单位增益频带宽(约1MHz)、电源电压范围宽:
单电源(3~30V)、双电源(±1.5~±15V)、低功耗电流,适合于电池供电、低输入偏流、低输入失调电压和失调电流、共模输入电压范围宽,包括接地、差模输入电压范围宽,等于电源电压范围、输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V),LM358运算放大器引脚如图3.3所示:
图3.3LM358运算放大器
LM356引脚说明:
1.第一个运放的输出;2.第一个运放的反向输入;3.第一个运放的正向输入;4.接地;5.第二个运放的正向输入;6.第二个运放的反向输入;7.第二个运放的输出;8.电源正。
3.4比较器介绍
电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
电压比较器的功能:
比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平,表示两个输入电压的大小关系):
当”+”输入端电压高于”-”输入端时,电压比较器输出为高电平;
当”+”输入端电压低于”-”输入端时,电压比较器输出为低电平;
电压比较器的作用:
它可用作模拟电路和数字电路的接口,还可以用作波形产生和变换电路等。
利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。
图3-1中IC3、IC4是电压比较器,他们分别是1/4LM339.LM339是专用比较器,一片芯片内含有4个独立的电压比较器,这里使用了其中的两个构成窗口比较器。
LM339的输出为集电极开路形式。
IC3的同相端电位为Ucc/2+0.7V,IC4的反相端电位为Ucc/2+0.7V。
当IC2的输出信号Uo2>Ucc/2+0.7V时,IC3的反相端电位高于同相端,故输出管导通,把输出端电位拉向低,而IC4的同相端高于反相端,其输出管截至,对其他电路无影响。
当IC2输出Uo2 由上分析可以得出结论;当Uo2>Ucc+0.7V或Uo2 7V范围内时,Uo3为“1”。 这0.7V即为比较器的阀值,它确定了比较器的灵敏度,也与整个探测器的灵敏度息息相关。 LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器,该电压比较器的特点是: (1)失调电压小,典型值为2mV; (2)电源电压范围宽,单电源为2-36V,双电源电压为±1V-±18V;(3)对比较信号源的内阻限制较宽;(4)共模范围很大,为0~(Ucc-1.5V)Vo;(5)差动输入电压范围较大,大到可以等于电源电压;(6)输出端电位可灵活方便地选用。 图3.4为LM339管脚排列图。 图3.4LM339管脚排列图 我们可以根据一下LM339各脚电压图来判断lm339芯片的好坏。 如下表1所示: 表1LM339各脚电压图 管脚 4 5 2 6 7 1 8 9 14 10 11 13 PS-ON悬空 2.5 0.5 0 1.4 4.2 0.5 0.2 0.8 4.6 4.8 2.5 0 PS-ON对地短接 2.5 1.6 0 1.4 4.2 1.6 0.2 0.8 4.6 0 2.5 4.8 3.5电源控制电路的介绍 电源控制电路对编码及无线发射电路的电源供给实施控制,当比较器输出Uo3为“0”时,通过发光二极管LED把PNP管T3的基极电位拉低,使其导通。 T3的导通又使T2产生较大的基极电流,使T2饱和,则+15V电源便经由T2送给编码及发射电路使他们进入工作,发射报警信号。 T3基极所接电容C7起延时作用,使T2的饱和能维持一会儿以保证发射信号有一定的时间。 注意这里使用比较器IC3、IC4输出级为集电极开路形式,非开路形式在此不能与后面的电路匹配。 3.6编码VD5026/译码VD5027的介绍 VD5026/VD5027是CMOS大规模数字集成电路。 前者是编码器,后者是译码器。 他们组合应用起来构成一个发射—接收数字编译码系统。 VD5026编码器是一种8位编码发射器。 它的第1~8脚是编码的输入端,每个输入端可以有3种状态,即“0”、“1”或“开路”,其中“0”表示为低电平,“1”表示为高电平,因此8个脚可以组成38=6561个不同的编码。 如果需要更多的编码,可将输入端改为4态连接方式,这时第1脚是第4种状态的公共连接脚,第2脚~第8脚与第1脚连接时为第4种状态。 所以第2脚~第8脚都可以有4种状态,即“0”、“1”、“开路”、“接1脚”。 在这种情况下可以组成47=16384个编码。 第10脚~第13脚也可作为编码地址线,与第1~第8脚联合起来组成12位编码地址线,这时编码数可高达411=4194304个。 这里要介绍的是VD5026与VD5027配合应用,VD5026的第10~第13脚用作数据输入线,根据需要这几个脚可以置“0”或置“1”。 第14脚是发射指令端,当此脚接地时,VD5026输出端则发出一组编码脉冲。 第15脚、第16脚是一个内置振荡器,外接几十到几百千欧的电阻即可产生振荡,振荡频率为fosc=1600/R(KHz),式中R为外接电阻,单位为千欧。 第17脚是编码输出端,第18脚、第9脚分别是电源的正、负极。 VD5026/VD5027管脚如下图3.6所示: 图3.5VD5026、VD5027的管脚排列图 VD5027接收解码器有相应于VD5026的12位信息。 第1脚~第8脚是地址线。 当VD5026发出的地址编码与VD5027预置的编码相同时,则在VD5027的第10脚~13脚有数据输出,该输出信息与VD5026的第10~第13脚所置的数据相同。 第14脚为输入端,第15脚、第16脚是振荡器,外接电阻值应与VD5026完全相同。 第17脚是输出端。 编码器VD5026发射时,如果密码相同,VD5027就会输出高电平。 VD5026、VD5027的管脚排列见图3.5所示。 表2列出了他们的电气特性参数。 表2电气特性参数 特性 符号 最小值 典型值 最大值 单位 工作电压 V 2 5 6 V 静态电流 Istb - 1 10 Ua 流出电流 IoH -2.0 - - mA 流入电流 IoL 2.0 - - mA 输入电流 Iin - - 25 uA 该编译码集成电路工作电压范围较宽,可以在2~6V范围内正常工作,而且耗电极小,静态电流仅有1uA。 集成电路内部含有振荡电路,不用再外加晶振。 它的外围电路也很简单,也容易与无线、红外线、超声等方式结合起来,组成遥控发射、接收系统。 因此这种电路应用非常广泛。 整个报警系统的所有编码器地址均必须相同,本系统全部接地。 但数据线D3~D0的接法各不相同,它们共有16种组合状态。 本电路中,D3~D0全部接高电平,即(D3D2D1D0)=1111,该信息被无线载波运载至接收机中,接收机即能根据这一信息判断发警地点。 解码器VD5027,其A0~A7的接法与编码器VD5026相同,解码输出的信号D3~D0是编码器D3~D0设置状态的重现,因而能代表报警点(即地点)。 另一个输出信号是“VT”端的正脉冲,它告知解码已正确,可以对D3~D0的状态进行识别了。 3.7接收电路的组成 接收电路如图3.6所示,由成品接收模块、解码器VD5027、只能部件AT89C2051、LED数码显示器和讯响电路等所组成。 当接收到报警信号时,AT89C2051能够识别出发警点的“序号”,并将其显示于LED显示器,同时使蜂鸣器发出讯响。 若有一个以上的报警信号,显示器会轮流闪烁地显示各个报警点“序号”。 图3.6多路无线报警接收电路 无线接收使用了成品接收模块,模块解调后恢复出发射端的编码信号,必须注意该信号极性必须与发射端编码器VD5026输出编码信号相同。 接收电路中智能部件AT89C205仅承担较简单的工作,其主要任务如下: 首先,P3.7检测VD5027的VT端有没有正脉冲到来,如有,表明VD5027已正确解码,故立即由
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- 课程设计 无线 报警 系统 设计