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振动报警器的设计
2012届学士学位论文
振动报警器的设计
系别:
电子信息系
专业:
电子信息科学与技术
学号:
姓名:
_
指导教师:
指导教师职称:
讲师
振动报警器的设计
摘要本文中介绍了一些比较常见的安防报警系统及应用。
此处来设计其中比较实用的振动报警器。
提出了两种设计方案——纯电路式及基于单片机式。
此次主要以基于单片机的振动报警器为中心,简要介绍了单片机的发展和应用,阐述了电路与程序的设计方法。
期望可以达到当检测到有振动时会发出报警声的目的。
整个系统电路设计简单、容易实现,设计出的振动报警器适用于家庭报警。
关键词单片机;振动;报警
Vibrationalarmdesign
AbstractThisarticleintroducessomeofthemorecommonsecurityalarmsystemanditsapplication.Itistodesignschemes-purecircuittypeandbasedonsinglechipmicrocomputertype.MainlybasedonSCMvibrationalarmascenter,thisbrieflyintroducesthesingle-chipdevelopmentandapplicantandelaboratedandthecircuitandprogramdesignmethod.Expecttodesignachievethepurposewhichwillbeissueswhenthedetectedvibrationalarmsound.Thewholesystemcircuitdesignissimple,easytoimplement.Thedesignofthevibratingalarmisapplicabletofamilyalarm.
KeywordsSingleChipMicrocomputer;Vibration;alarm
目次
1绪论
自改革开放以来,随着科技的普及,人们的生活和文化知识水平得到了很大的提升,但是同时一些不稳定的社会因素也随之而来了,这样就促成了人们对安防意识的加强。
而随着安防技术的不断发展,安防报警系统也开始应用于家庭生活、工农业生产、交通、机动车、通信、防灾等领域,安防设备的种类也越来越多,主要是根据环境的需要不同而安装合适的安防设备。
而安防设备中除了如监控摄像类的设备是由人工监视并对看到的事情做出相应的处理之外,最多见的还是安防报警系统,可以达到自动报警去提醒人们某个事件的发生。
1.1安防报警系统简介
按照坏境需要来分,安防报警系统主要可以分为电路防盗报警、机动车用报警器、工农业生产用报警器和日常生活用报警器[1]等。
1.1.1电路防盗报警器
电路防盗报警有很多种类,例如断线式防盗报警器、感应式防盗报警器、红外线反射式防盗报警器、触摸式防盗报警器、无线防盗报警器、振动式防盗报警器、声控式防盗报警器等多种报警器都属于防盗报警电路。
这些报警电路比较简单,是由电路来实现报警的,而且实用型比较普遍。
以断线式防盗报警器为例,它的成本比较低,制作比较容易,可适用的范围比较大,它被广泛应用于家庭、商店、仓库或者果园、鱼塘等防盗监控场所中。
断线式防盗报警器电路是由检测电路、报警控制电路、音频放大电路组成。
其检测电路主要是时时检测警戒线的状态,若发现警戒线被打断,则发出报警信号,由报警控制电路来控制报警器工作,声音经过音频放大电路放大后输出发出警报声音。
其他的防盗报警器的工作原理电路组成与断线式相似,只是其检测电路部分不相同。
像触摸式、声控式的应用有楼道感应式灯泡等,只是报警电路换成了灯泡电路了。
而感应式、反射式可以应用于监测某一点有无生物接近等处,其主要部件为传感器。
无线防盗报警系统则加入了无线信号发送器及接收器,使得可监控的距离更远而不受限于电路导线。
1.1.2机动车用报警器
在现在的社会中,机动车的数量越来越多,而为了机动车的安全,机动车用报警器就应运而生了。
例如可以对汽车油压、气压、温度及速度进行检测的汽车多功能报警器,它可以在汽车油压偏低、气压偏低或发动机温度过高、车速过快时而发出警报,提醒驾驶员排出故障、以便行车安全。
而事实上,现在的机车中多已安装了油量监测报警器了,它会对机车油量进行监控,当油量低于某值时会提示驾驶员加油,而如合肥等城市的公交车上已经安装了机车超速报警装置,当公交车车速大于某值时,会发出警报提示驾驶员已超速等。
另外,还有一种常见的机动车报警装置,即当机动车在倒车时,会发出“倒车,请注意!
”的语音警示语,以提示车后的人进行回避。
以及汽车防盗报警器,它具有断线和声控触发报警功能,当车门、车窗被打开,电源锁被开启,车体被移动时,报警器会被触发而发出响亮的警报声。
而现在很多的摩托车、电瓶车等大多都安装了防盗报警系统。
1.1.3工农业生产用报警器
在工业应用方面,最常见的应该是有毒物质超限报警器了。
如矿井中的瓦斯气体超限报警器等。
它能时时地去测量矿井中瓦斯气体的浓度,并可以在含量即将超标,可能会发生危险时便发出警报,以提醒工人们可以迅速的离开。
相似的还有可燃气体报警器等。
在农业方面,有温度、湿度超限报警器等。
例如在大棚生产中,必须要保持一个适宜的温度和湿度,此类报警器则是时时地测量大棚中的空气湿度和温度,并在过低或者过高时发出警报,提示人们做出相应得对策。
另外一方面,由于现在自然灾害比较严重,而且发生的很突然,所以一些报警器也被制造出来,例如火山口温度超限报警器、地震报警器等等。
它们可以检测火山口的温度或者地壳中的变化,并采集数据,通过对数据的处理、比较和推测,来预测当地是否会发生自然灾害,以提前发出警报,减少伤亡。
1.1.4日常生活用报警器
报警器的应用已经深入到了我们的日常生活中,除了有水开报警器、禁止吸烟报警器等等,比较常见的有视力保护报警器。
此报警器已经普遍嵌入在台灯中,它通过感应一定范围内是否有物体进入来判断人们是否离书本距离太近了。
当感应到时,则会发出警报,提示人们注意视力。
而另外一个常见的应用之处事在医院中,为病人呼叫报警器。
有的时候,医生和护士是无法时刻呆在病人的身边的,这样的话,病人若想有什么要求,需要医生或者护士的时候,便可以按下报警器启动按钮,总控制室会显示“报警”的病房号、病床号等并提供给医生和护士,这样,他们就可以迅速的赶往病人处了。
综上所述,安防报警系统得应用是很广泛的。
现在除了保安等一些以人力为中心的安防部门之外,还有一种比较流行的智能报警系统。
在此处,将会设计一款智能振动报警器。
振动报警器可以用于家庭门窗防盗
1.2设计方案
设计的振动报警器可以检测到门窗的振动,而可以发出警报声。
但当振动停止时,报警也会停止。
去除轻微振动的干扰。
方案一:
采用压电式陶瓷片作为传感器,用来检测盗情。
电路部分则使用分立的元器件。
电路由检测放大电路、检波放大器、延时放大电路和报警电路组成。
方案一电路原理图如图1所示。
图1方案一电路原理图
其中,压电陶瓷片BC,电容器C1、C2,电阻器R1,晶体三极管Q1构成了检测放大电路;晶体三极管Q2、Q3,二极管D1,电阻器R3~R8,电容器C3、C4组成了检波放大器;晶体三极管Q4、Q5,电阻器R9~R11,电容器C6构成了延时放大电路;而电阻器R12,晶体三极管Q6,二极管D2,继电器K1和报警器LS1则构成了报警电路。
当BC没有检测到振动,会一直没有电信号输出,从而Q4~Q6是处于截止状态的,K1处于放开状态,蜂鸣器无法报警。
当BC检测到振动之后,会输出电信号,经Q1及Q2、Q3、D1检波放大后使Q4导通。
同时Q5和Q6导通,继电器K1吸下触头,使开关接通,从而蜂鸣器可以报警。
当Q4导通时,C6会处于充电状态,当之后振动停止时,C6处于放电状态,还会继续给Q5电流使其导通,从而蜂鸣器会持续报警,在振动停止一段时间后才会结束。
方案二:
使用振动传感器来检测门窗的振动,并使用单片机来接受传感器传递来的信号,并根据信号来控制报警电路。
方案二原理框图如图2所示。
图2方案二原理框图
用程序使单片机时刻检测传感器传来的信号,并根据此信号来控制报警电路是否报警。
在设计中由于单片机技术和传感器技术已经成熟,且使用单片机可以实现的功能更多,因此,在此次设计中选用方案二。
1.3单片机及振动传感器概述
单片机,是单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer,SCMC)的简称,又称为微处理器(MicrocontrollerUnit,MCU),单片机在一块半导体硅片上集成了计算机的所有基本功能部件,包括中央处理器(CPU)、存储器(RAM和ROM)、输入/输出接口电路、中断系统、定时器/计时器和串行通信接口电路等[2]。
因此只需要与适当的软件及外部设备相结合,单片机就可以构成一个完整的计算机应用系统。
1.3.1单片机技术的发展过程
1974年,自美国仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一台单片微型计算机[3]后,单片机开始迅速发展,应用领域也不断扩大。
其发展史大致可分为三个阶段。
第一阶段(1976—1978):
单片机探索阶段。
此时间内,工业领域对计算机提出了嵌入式应用的要求,首先则是要实现单芯片形态的计算机。
因此这一阶段的任务是探索计算机的单芯片集成。
从而提出了两种模式的单片机体系结构,即通用CPU模式和专用CPU模式。
前者与通用计算机兼容,应用系统开发方便,成为后来嵌入式微处理器的发展模式;后者则能够充分满足嵌入式应用的要求,成为今后单片机发展的主要体系模式结构。
而由Intel公司推出的MCS-48系列8位单片微型计算机,为单片机的发展奠定了基础。
第二阶段(1978—1982):
单片机完善阶段。
在单片机的成功推出后,人们又对其结构和功能不断的完善。
而Intel公司又在MCS-48系列的基础上推出了MCS-51系列单片机。
它具有典型的总线结构(8位数据总线、16位地址总线以及多功能的异步串行通信接口UART等),集中管理CPU外围功能单元电路,提供体位地址空间及位操作方式且指令系统趋于丰富和完善,为典型的通用总线型单片机体系结构奠定了基础。
第三阶段(1982—1990):
微控制器形成阶段。
8位单片机的巩固和发展,推动了16位单片机的推出。
这正是单片机向微型控制发展的阶段。
为了满足测控系统的嵌入式应用要求,这一阶段单片机的主要技术发展方向是满足测控电路要求的外围电路的增强[2],从而形成了不同于SingleChipMicroComputer的特点的微处理器(MicrocontrollerUnit,MCU)。
第四阶段(1990年至今):
微控制器全面发展阶段。
随着单片机在各个领域更加全面深入地发展和应用,又出现了功能更加完善、能力更强的通用型单片机,以及小型价廉的专用型单片机。
这将单片机带入了一个可以广泛选择的时代。
1.3.2单片机技术的发展方向
总的来说,单片机的发展趋势是向CMOS化、低功耗、小体积、高性能、低价格和外围电路内装化等方面发展的。
CMOS工艺其实很早便已经出现了,并且具有十分优良的性能,但是由于其运行速度比较慢而被长期冷落。
而自HCMOS工艺出现后,这一问题被解决,使得CMOS器件得到了飞速的发展。
它的低功耗可控特性,可以使单片机得以工作在功耗精细管理状态。
如今单片机采用了精简指令集计算机RISC体系结构,与早期的复杂指令集计算机CISC体系结构相比较,指令更简单,代码和周期数统一,大大提高了指令运算速度,使单片机的性能得到很大的提高。
由于专门针对某一产品系统要求而设计的专用单片机将外围电路内装集成,很大限度地简化系统结构,提高了资源利用效率,而目前串口接口技术的发展可以大大减少器件的引脚数量,简化系统结构,减小系统体积。
可以推断使用串行接口的专用单片机将会被大力发展。
1.3.3单片机的应用领域
由于单片机具有体积小、功能强、灵活方便等显著的优点,而广泛应用于设备的智能化管理及生产过程控制等领域。
从应用规模来分,单片机应用系统常分为简单应用系统、常规应用系统和高级应用系统三类。
简单应用系统是指它在家用电器或仪器仪表中;常规应用系统用于过程控制,通常可以对被控制对象进行监视和控制等行为;高级应用系统是指单片机在分布式计算机系统或计算机网络中的应用[4]。
下面从各个方面举例进行说明。
在简单应用系统中,单片机可以结合不同类型的传感器,可以实现诸如频率、温度、速度等物理量的测量,例如结合18B20可以对温度进行测量。
此系统中一般没有人机对话的实现,数据都已经固化。
在常规应用系统中,单片机可以用于洗衣机、电冰箱、微波炉、等产品中。
例如:
可以实现洗衣机的定时间洗衣,微波炉的定时供热等功能。
此系统中,单片机一般会结合简单的外围电路,实现简单的人机对话。
在高级应用系统中,单片机常常用于终端及外部设备中,例如银行终端,单位考勤机等仪器中。
此系统中,单片机一般被当作下位机来使用。
振动传感器(VibrationTransducer)是能感受机械运动振动的参量(如振动速度、频率,加速度等)并转换成可用输出信号的传感器。
振动传感器可以分为压电片谐振式振动传感器、机械式振动传感器、全方位微型振动传感器、电磁感应式搬动传感器、灵敏度可调节的振动传感器等多种。
压电片谐振式振动传感器:
它可以使用压电片直接将振动信号转换为电信号输出。
它有结构简单、取材方便,安装方便、使用寿命长等优点。
缺点为谐振频率高,容易受到声音的干扰,输出阻抗高,输出信号弱。
机械式振动传感器:
采用的是最基础的振动检测方式。
有机械结构简单、电路中输出的信号幅度大,输出阻抗低。
缺点是它的振动金属球和金属筒容易氧化生锈造成检测信号失效,安装方向对传感器的灵敏度有一定的影响,体积较大。
全方位微型振动传感器:
采用的结构和机械式振动传感器是一样的,只是它将材料是耐氧化的金属材料等。
它有结构简单、便于安装,输出阻抗低等优点。
电磁感应式搬动传感器:
利用电磁感应的原理设计的一种振动传感器.其结构由永久磁铁和一个钱圃组成,根据磁铁固定和位移又分为静磁结构和动磁结构两种形式。
动磁结构的线圈固定不动,当振动出现后,永久磁铁振动位移,从而引起线圈中的磁通量发生变化,在线圈中产生感生电动势;静磁结构的线圈固定在一块永久磁铁上,受到振动位移后.与磁铁组成的磁路磁阻发生变化,从而引起线阁中磁通量的变化,线圈中产生感生电动势[5]。
电磁感应式振动传感器的优点是:
无触点使用寿命长、振动体的谐振频率由弹簧结构决定,做到次声频率范围或者更低,减小鞭炮,打雷等商源的干扰。
其缺点是:
结构相对复杂、整个结构体积略大、输出信号幅度较低。
灵敏度可调节的振动传感器:
此种振动传感器可以满足用户的一些特殊要求,即灵敏度可以由用户来调节。
使用更加方便。
本次设计中使用的传感器为Z04B,是片状高灵敏振动模块,它的形状如同一枚硬币。
具有灵敏度高、功耗低和较好的性价比。
Z04B模块的外形如图3所示。
图3Z04B模块外形图
Z04B对振动信号灵敏度高、安装简单、抗干扰性好抗冲击强度好、体积小等优点。
它底部的黄铜板能直接检测极其微弱的振动,经内部芯片的放大、滤波整形、积分电路的延时和电平转换后输出一个高电平,约十几秒后又自动转换为低电平,待下次触发[6]。
模块输出的高电平可作为其他器件的控制信号,也可直接驱动小功率三极管或晶闸管。
2硬件设计
2.1系统硬件电路的设计
具体实现可以将总体电路分为电源模块、控制模块(包括单片机和时钟电路)、复位电路模块、传感器检测模块和报警模块等五个模块组成。
系统电路总体框图如图4所式。
图4系统电路总体框图
其中电源模块给各模块电路提供+5V直流电压,以便电路正常工作;复位电路给单片机提供复位电平,可使参数复原,重新运行。
时钟电路给单片机提供频率,单片机检测传感器检测模块发送来的信号,并根据其改动而进行相应的处理活动,即控制报警的启动与停止。
2.2电源模块的设计
电源模块用以给电路提供+5V直流电压,由于家用电为220V50Hz的交流电,因此可以采用三端稳压电路来产生。
本次设计中7805系列稳压芯片稳配上电容,二极管、变压器等器件构成单路固定稳压电路,220V50Hz家用交流电通过变压器后变为低压交流电,再通过稳压芯片后即可以产生+5V直流电压[7]。
之后便可以给整个系统供电。
单路固定稳压电路原理图如图5所示。
本电路实用性强、用途广泛,主要用于对电源电压稳定度要求较高、而对电源变换效率变化不高的低成本应用场合。
2.3控制模块与复位电路
图5单路固定稳压电路原理图
2.3.1时钟电路
以MCS-51单片机为例,该单片机内部有一个高增益反向放大器,用于构成时钟振荡电路,XTAL1引脚为该放大器的输入端,XTAL2为该放大器的输出端。
单片机的时钟电路主要有内部时钟方式和外部时钟方式两种。
各个方式的说明如下。
(1)内部时钟方式。
其时钟电路图如图6(a)所示,利用MCS-51内部的高增益反向放大器,在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件,内部振荡电路便产生自激振荡。
通常采用的是石英晶振和电容所构成的电路,电容一般取30pF。
(2)外部时钟方式。
外部始终方式常用于多机系统,以便于各个单片机能够同步工作。
两种单片机的时钟电路原理图分别如图6(b)和图6(c)所示。
(a)(b)(c)
图6单片机的时钟电路原理图
(a)内部时钟方式(b)8051外部时钟模式(c)80C51外部时钟模式
由于本设计中并未使用多机系统,因此采用内部时钟模式,时钟电路与单片机的连接原理图如图7所示。
图7时钟电路与单片机连接原理图
2.3.2单片机的选择与介绍
现在的单片机市场上,有8位单片机,16位单片机及32位单片机可供选择。
在本设计中,由于所要实现的功能并不是很复杂,使用8位单片机便可以完成。
且价格比较便宜。
设计中选用比较容易获得的AT89S52单片机。
(1)AT89S52介绍:
AT89S52是一种低功耗、高性能的8位微控制器,具有8K字节FlashE2PROM,256字节RAM,32位I/O口,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52支持2种软件可选择节电模式:
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作;掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止[8]。
其为Atmel公司的一款经典产品,目前仍然被广泛使用。
(2)AT89S52主要引脚介绍
AT89S52的原理图如图8所示。
它共有40个引脚,按功能来分可分为三类:
1)电源和时钟引脚:
有Vcc(40)、GND(20)、XTAL1(19)、XTAL2(18)。
2)编程控制引脚:
有RST(9)、
(29)、ALE/
(30)、
/Vpp(31)。
3)I/O口引脚。
有P0、P1、P2、P3四组8位I/O口。
Vcc及GND为单片机的电源引脚,XTAL1和XTAL2为单片机的外接时钟引脚,时钟电路即与它们连接。
RST为单片机的复位引脚,当输入连续两个机器周期以上的高电平时,单片机复位初始化,从头开始运行程序。
另外三个编程控制引脚与外接存储器有关,此设计中不需要外部存储器,因此,电路中,将29号和30号两个引脚悬空,表示无需选通外部程序存储器和不需锁存外部存储器地址,31脚接高电平,表示不选择外部程序存储器。
P0、P1、P2、P3四组I/O口每一个口都可以单独使用,可以由单片机向端口
图8单片机AT89S52原理图
发送数据,或者由单片机从端口接收数据。
其中,P0口在使用时应在外部加上上拉电阻,否则它无法正常地输出高/低电平;P3口除了做I/O口使用外,每个单独的口都有其特有的第二功能,P3口各引脚第二功能定义见表1所示。
表1P3口各引脚第二功能定义
标号
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
外部中断0
P3.3
外部中断1
P3.4
T0
定时器/计时器0外部中断
P3.5
T1
定时器/计时器1外部中断
P3.6
外部数据存储器写脉冲
P3.7
外部数据存储器读脉冲
本设计中,由于所需的接口比较少,而P0口是典型的数据口,因此此处选用P0口作为主输入输出端。
2.3.3复位电路
当单片机的复位引脚RST(9脚)接受到2个机器周期(即24个振荡周期)以上的高电平时即可确保器件复位。
复位完成后,若RST引脚继续保持在高电平状态,单片机就会一直处于复位状态,只有当RST端恢复低电平后,单片机才能进入其他工作状态。
本处使用的复位电路属于外部复位电路。
RST端的外部复位电路复位操作方式有两种:
上电自动复位和按键手动复位。
(1)上电自动复位电路:
如图9(a)所示,在加电瞬间,电容通过电阻充电,就在RST端出现一定宽度的高电平,只要高电平事件足够长,就可以使单片机有效复位。
(2)按键手动复位电路:
按键手动复位电路分为电平方式和脉冲方式两种。
按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc接通来产生的,其电路如图9(b)所示;按键脉冲复位电路则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的,其电路如图9(c)所示。
本设计中采用了手动电平复位电路,因为它将上电复位电路也包括在其中,不会垂涎加电后CPU从一个随机的状态开始工作而造成的不能正常运行,也满足了设计任务中的要求。
单片机复位电路原理图如图9所示
(a)(b)(c)
图9单片机复位电路原理图
(a)上电复位电路(b)手动电平复位电路(c)手动脉冲复位电路
设计中复位电路如图10所示。
图10复位电路原理图
2.4传感器检测模块设计
由于传感器Z04B的输出电流比较小(当模块电压大于3V时输出电流为>0.5mA),在此次设计中,采用用传感器输出来驱动三极管的方法来加大电路。
传感器检测模块电路原理图如图11所示。
图11传感器检测模块电路原理图
当Z04B检测到有振动时,会发出一段时间的高电平,使三极管导通,单片机接口可以预先设为输出高电平,若单片机检测到此端口变为低电平,则说明三极管导通,即有振动产生。
2.5报警模块设计
报警模块电路原理图如图12所示。
图12报警模块电路原理图
单片机发出控制信号来驱动三极管,当输出高电平,三极管导通,蜂鸣器有电流流过,从而可以发出声音报警;当输出低电平时,三极管截止,蜂鸣器不能报警。
另外,在电路中加入了工作提示灯和报警灯等。
当没有检测到振动时,工作提示灯会闪烁,以提示电路正在正常工作中,当要报警时,工作提示灯灭,报警灯会亮起。
设计的系统总体电路图如图13所示。
图13系统总体电路图
3程序设计
3.1编程语言的选择
单片机的软件开发过程中,是必要使用到单片机的编程语言。
单片机常用的编程语言包括汇编语言和高级语言。
汇编语言是助记符表示的指令,是单片机常用的程序设计语言。
汇编语言与单片机硬件关系密切,可以方便地实现单片机的功能,占用单片机资源少,执行速度快。
但是,对于复杂的大型单片机系统而言,其程序代码的可读性差,不利于单片机软件的升级和维护。
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- 振动 报警器 设计