基于单片机的无线防盗报警器设计(编辑修改稿)

基于单片机的无线防盗报警器设计(编辑修改稿)内容摘要：

保护电源模块，起到分压作用。 正常情况下 LED的工作电压在 左右而电源提供的电压是 5V 左右，如果不加保护电阻的话，可以用恒流源供电，但是恒流源比较复杂，不如用恒压源加保护电阻方便简单。 恒压源方便而且容易得到。 只要根据公式算出分压的电阻的阻值大小即可。 根据R=(UUled)/I 可以算出保护电阻的阻值范围是 150Ω 到 660Ω，但由于 LED 的电压达不到 ，为了确保安全起见，顾把保护电阻的阻值选为 1000Ω。 其电路原理图如图 42 所示。 晶振电路的 设计 图 43 晶振电路原理图 此 晶振电路 设计中使用了 30PF 的电容和 12MHZ 的晶振 来组成。 电路原理图如图 43 所示， 其中晶振的 一端 连接到反向放大器的输入 XTAL1 上，另一端连接到 反向放大器的输出 XTAL2 上。 引脚分别是 18 脚和 19 脚，两条引脚不分正负。 晶振为 STC89C52RC 提供稳定的时钟脉冲信号，使单片机进行工作。 复位电路 的设计 王成龙：基于单片机的无线防盗报警器的设计 14 图 44 复位电路原理图 在 设计 复位电路系统 时 使用了 分别使用了 10K 和 1K 的 两个 电阻器、 一个 10uf 的电容器 和 一个按键。 ⑴ 在复位方法有上电复 位电路和手动复位电路两种。 本 无线防盗报警器 系统采用的是外部手动 的方法。 ⑵ 复位作用：系统正常工作前的初始化准备；程序运行错误时，重启系统；操作有误时，重启系统。 ⑶ 复位条件：当第 9 引脚连接高电平持续两个机器周期以上的时间会产生复位动作。 从机系统模块设计 本设计的电路模块包括红外传感器电路、信号放大电路和无线收发电路等模块。 下面具体介绍各个模块。 红外热释电传感器 ⑴ 红外热释电传感器的介绍 被动式红外热释电传感器是由传感探测元、场效应匹配器和干涉滤波器三个部分组成。 其主要组成材料是 由一种高热电系数，如 钽酸锂 和硫酸三甘钛等制成[6]。 一般 2*1mm 是它的 大小 规格。 一般 在 热释电红外传感器的 探测器里面装入一至两个 这样规格的 探测元件，为了克服自身由温度升高而产生的误差，将两个探测元件以 反极性 串联。 探测元件会把接收到或者探测到的红外辐射转变为微弱的电压信号。 要使信号能够发大， 这时探头内的场效应管起到放大作用，把接收到的电压信号向外输出。 具体设计 如图 45 所示 蚌埠学院本科毕业设计（论文） 15 双 探 测 元滤 光 片热 电 元DSG 图 45 双探测元热释电红外传感器 红外传感器自身也有它的优缺点，优点是它本身无辐射、 灵敏度高、 功耗小 、隐蔽性好等 突出性的 优点。 缺 点是容易受各中 外界各种因素干扰 、 穿透差 ，所以当人体 发射出 的红外辐射 遭到 外物遮挡 时 ， 就会 造成信息不能被探头接收； 还有情况是 当环境温度和人体温度 达到 非常接近 程度 时，探测的灵敏度将会有明显的下降趋势，可能还会造成短时间的失灵。 被动式红外热释电传感器的实物图如图46 所示。 图 46 红外热释电传感器实物图 ⑵ 菲涅尔透镜的介绍 菲涅尔透镜是由一位著名的法国物理学家 发明的， 是具有微 小 细 致 结构的 的 一种光学元件，又名螺纹透镜。 一般是由聚烯烃材料注压而成的白色乳状的薄片 [7]。 镜片 具 有两面， 其中 外观 表面 是 为光面， 在其 另一面 是被刻录了由小到大的同心圆。 镜片上的纹理的设计是根据 光的干涉及扰射 ，还有就是根据它的 相对灵敏度和接收角度 等 要求。 多元阵列式菲涅尔透镜现在一般用在人体感应系统中的光调制器中，它起到 两种作用非别是 调制器和红外辐射收集器。 菲涅尔透镜 的整个设计和制作都是 利用了特殊的光学原理。 特殊的地方在于王成龙：基于单片机的无线防盗报警器的设计 16 他在 探测器前方会产生一个交替变化区域，分别是 “高灵敏区 ”和 “盲区 ”两个区域， 以至于热释电红外的 探测和接收的灵敏度 得到 提高。 当有人经过透镜时，被动式红外热释电传感器会检测到人体发出的红外线，此 时红外线不断地从一个区域交替进入另一个区域，即 “盲区 ”和 “高灵敏区 ”的 交替进入，红外信号 被 接收到 ，最后 以 不稳定的 脉冲形式输入， 有时变强有时变弱， 从而强其能量幅度。 菲涅尔透镜的实物图如图 47 所示 图 47 菲涅尔透镜 的实物图 ⑶ 热释电传感器工作原理 热释电传感器与菲涅尔透镜配 合使用能增加它的灵敏度和传感器的探测半径。 探测半径变化了 6m，从原来小于 2m提高到大于 8m范围 [8]。 本设计的红外传感器采用双探测元的结构。 其工作原理流程图如图 48 所示。 发 光 物 体聚 光 系 统继 电 器 输 出定 时 电 路信 号 处 理 电 路频 域 限 制 放 大器热 释 电 传 感 器 图 48 热释电红外传感器 工作的 原理流程图 热释电红外的具体电路由探头、低频放大电路、门限电路等三部分组成， 在输入端利用 C1 和 R2 来稳定工作电压，同样为了稳点信号在输出端多加了稳压元件。 当人体移动到红外传感器的附近，会检测到人体移动信号， 从而会被采 集到，这时候 电荷信号经过 FET 放大后，要使输出的电压为高电位，必须要经过C2， R1 的稳压后才能输出，最后 把稳压后的高电位 经过一次 NPN 的转化， 这样最终 输出 OUT 的输出信号 为低电平信号。 蚌埠学院本科毕业设计（论文） 17 放大电路的设计 因为热释电红外传感器采集到的信号很小，仅 1mV 左右， NRF24L01 无线模块不能把此时的信号传输出去，而且采集的信号频率也只有 ~10HZ。 如果想 把接收到的信号 通过无线模块发射出去，就 必须 经过高增益、低噪声和低频放大器放大 [9]。 通常情况下 ，要求放大器的增益为 60~70dB,同时带宽要达 到~7HZ。 如图 49 所示为一个简单的放大电路， Vi 和 Vo 分别 是输入电压信号和 输出放大的电压信号。 VCCGNDC547R1110KR1210KC447u1206C6SOT223BCP56Q2GND 图 49 放大电路图 无线发射和接收模块 无线发射的模块有 NRF24L0 NRF90 PT2262 等，本设计采用的是NRF24L01 无线收发模块。 ⑴ nRF24L01 的简介 nRF24L01 是一个体积小、工作在宽电压（ ~）和 ~的频段的单片无线收发器芯片。 几乎所有的单片机芯片都能和它相连，并能完成相应的无线传输工作。 它具有功耗低、数据传输速度快、多 点通讯和调频、传输的数据量大等优点，但是它的传输距离短 [13]。 ⑵ NRF24L01 的参数，具体参数如表 41 所示： 王成龙：基于单片机的无线防盗报警器的设计 18 表 41 NRF24L01的性能参数表 ⑶ NRF24L01 的引脚及其功能 [14]，具体如表 42 所示： 表 42 NRF24L01的引脚与功能表 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 + 电源 12 ANT1 天线 天线接口 1 13 ANT2 天线 天线接口 2 14 DVDD 电源输出 去耦电路电源正极端 15 IREF 模拟输入 参考电流 ⑷ NRF24L01 的工作模式 NRF24L01 有四 种 工作模式 ， 分别为掉电、空闲 、 接收及发射四种。 具体如表 43 所示： 表 43 NRF24L01工作模式 模式 PWR_UP PRIM_RX CE FIFO 状态 接收 1 1 1 — 发射 1 0 1 数据已在发射堆栈里 发射 1 0 10 当 CE 有下降沿跳变时，数据已经发射 空闲 2 1 0 1 发射堆栈空 空闲 1 1 — 0 此时没有数据发射 掉电 0 — — — 性能参数 数值 单位 最低供电电压 V 最大发射功率 0 dBm 最大数据传输速率 2 Mbps 发射模式下，电流消耗（ 0dBm） mA 接收模式下电流消耗（ 2Mbps） mA 工作温度范围 40～ +80 ℃ 掉电模式下电流消耗 900 nA 蚌埠学院本科毕业设计（论文） 19 空闲模式 1： NRF24L01 主要用于减少电流损耗，晶体振荡器在该模式下仍然 处于 工作 模式。 空闲模式 2：在 CE=1 时且当发射堆栈为空发生时。 空闲模式：保留配置字。 掉电模式： 此模式下 NRF24L01 损耗电流最小， 与此 同时 nRF24L01 停止工作，但是所有配置寄存器的值仍然保留。 ⑸ NRF24L01 的工作原理 本设计系统的无线模块 NRF24L01 需要单片机的供电。 发射数据时 ,需要把NRF24L01 配置为发射模式，接着按照时序由 SPI 口把有效数据 TX_PLD 和接收节点地址 TX_ADDR 写入 nRF24L01 缓存区； TX_PLD 必须在 SPI 片选信号为低时不断写入，与 CSN 不同的是 TX_ADDR 在发射时只需要写入一次即可。 然后当 CE 保持在高电平且处在高电平的时间不少于 10μs，延迟 130μs 后 NRF24L01 发射数据。 确定通信成功有两种可能：一种是当自动应答开启 ， NRF24L01 立即进入接收模式，如果收到应答，则认为此次通信成功，配置和数据恢复初始状态。 另一种是未收到应答，则系统将会自动重新发射，以保证把接收到的数据发送出去 [15]。 若重发次数过多，达到发射的上限，这时系统将 MAX_RT 置高，保留系统中的数据，等待下一次合适的时候再发设。 这时系统产生中断，通知微控制器。 最后成功的发射数据时 ,若芯片的使能 CE 为低则进入空闲模式 1。 然而此时 若发送堆栈中有数据且 CE=1 时，则进入下一次发射。 若进入空闲 模式 2 时，则发送堆栈中无数据且 CE=1。 接收数据时 ,首先将系统配置为接收模式，接着把 NRF24L01 设置为延迟 130μs，系统进入接收状态， 为了 等待 红外采集来的 数据。 当接收方检测到 这些 有效地址和循环冗余校验时，这时 NRF24L01 将把数据包存储在接收和 FIFO 中，系统产生中断，通知微控制器去取数据。 若此时自动应答开启，接收方 这时候将会 进入发射状态 ，目的是用来 回传应答信号。 最后 CE 变低，nRF24L01 进入空闲模式 1 表示接收成功 [16]。 无线模块的原理图如 49 所示 王成龙：基于单片机的无线防盗报警器的设计 20 GNDCESCKMISOCSNMOSIIRQ12KF30102PJ1VCCGNDD1R11KGNDVCC01030507 08060402J2050102030406J3SCKCEIRQMOSICSNMISO 图 49 无线模块的原理图 报警模块的设计 发光二级管报警电路设计 本设计的 发 光二级管用作 系统的 报警，当红外传感器采集到人体信号时，通过无线设备发送到主机模块，这时单片机控制 发 光二极管报警电路，这时二极管不断地闪烁，起到提示报警的作用。 本电路图使用了 一个发光 二极管和 一个 的 电阻，连在单片机的 RXD 引脚上，外部接在 VCC 上。 当单片机的 RXD 引脚处于低电平的时候， 发 光二级管被点亮，起到提示报警作用。 如图 410 所示为发光二极管报警电路图。 VCCR2D1LED 图 410 发光二级管报警电路图 声音报警电路的设计 如 图 411 所示是一个声音报警系统的电路图，本设计它由一个 buzer 和一个三极管以及电阻组成，连接到单片机的引脚上，构成一个防盗的声音报警电路。 蚌埠学院本科毕业设计（论文） 21 AKB1TO92S8550Q1R1VCCGNDBUZER 图 411 声音报警电路图 王成龙：基于单片机的无线防盗报警器的设计 22 5 系统软件部分 本论文采用模块化的程序设计思想，通过主程序来调用各个子程序来实现各模块的功能。 子程序包括延时函数、中断函数、定时器函数以及 NRF24L01 的无线模块的 SPI 模拟端口。 最后通过把子函数和。