自行车防盗系统的设计与实现

自行车防盗系统的设计与实现AbstractWiththedevelopmentofthetimes,theconceptofenvironmentalprotectionandtheconceptofsustainabledevelopmentaredeeplyrootedinpeople'shearts.Bicyclesarenotonlyoneofthepreferredmeansoftransportationforpeople,butalsoatoolforhumansportsandfitness,competitivesports,entertainmentandentertainment.BicycleswithbicyclecoststhathavenotbeenstolenhavealwaysbeenoneofthemoreseriouspublicsecurityincidentsinChina.Thetraditionalbicycleanti-theftsystemnolongermeetspeople'sbicycleanti-theftrequirements.Graduationdesignisbasedonasingle-chipcomputer,sensortechnologyandC-languagetechnology.Thedesignoftheanti-theftsystemandtherealizationofthebicycle'sknowledgedesignaremainlythroughtheuseofmodulardesignmethodsbasedonfunctionalrequirements.Thisgraduationdesignpapercontainsthreemainaspects:1.Investigatethedevelopmentstatusofthebicycleanti-theftsystem,refertothedocumentsrelatedtothebicycleanti-theftsystem,andconductdetailedanalysisandcomprehensivedescriptionofthecollecteddocuments.2,demandanalysisAccordingtothefunctionandrelatedcharacteristicsofthebicycleanti-theftsysteminuse,setthegoalofbicycleanti-theftsystemdesign,developthedesignofbicycleanti-theftsystem.Accordingtothebicycledesignspecificallydesignedasahardwarecircuitsystemanti-theftsystem,theprogramwillbeprogrammedaccordingtothefunction,andfinallythecombinedsoftwareandhardwarecircuitswillbetested.Keywords:Bicycle,anti-theftsystem,singlechipmicrocomputer,sensortechnology

目录2983_WPSOffice_Level11绪论 628718_WPSOffice_Level21.1研究背景 610077_WPSOffice_Level21.2研究现状 613431_WPSOffice_Level21.3课题意义 84712_WPSOffice_Level12相关技术介绍 920807_WPSOffice_Level22.1单片机技术 94419_WPSOffice_Level32.1.1单片机技术的发展史 91906_WPSOffice_Level32.1.2单片机应用系统开发 916050_WPSOffice_Level22.2传感器技术 1022268_WPSOffice_Level32.2.1传感器的定义和组成 1029101_WPSOffice_Level32.2.2传感器的分类和基本特性 1024034_WPSOffice_Level22.3C语言 1128569_WPSOffice_Level22.4本章小结 1221988_WPSOffice_Level13系统方案设计 1213663_WPSOffice_Level23.1需求分析 1229132_WPSOffice_Level33.1.1功能性需求分析 1213854_WPSOffice_Level33.1.2非功能性需求分析 137626_WPSOffice_Level23.2系统框架结构体系设计 139358_WPSOffice_Level23.3各功能模块框架结构体系设计 15990_WPSOffice_Level33.3.3报警模块 1517481_WPSOffice_Level23.4本章小结 1631848_WPSOffice_Level14硬件电路设计 1627287_WPSOffice_Level24.1控制单元模块 165203_WPSOffice_Level34.1.1控制单元模块的选用 1621112_WPSOffice_Level34.1.2STC89C51单片机主要特性： 1723923_WPSOffice_Level34.1.3STC89C52单片机引脚功能简单介绍： 1817905_WPSOffice_Level24.2预警信号触发模块 208983_WPSOffice_Level34.2.1预警信号触发模块工作原理： 2128406_WPSOffice_Level34.2.2预警信号触发模块选用 2111224_WPSOffice_Level34.2.3MPU-6050加速度传感器工作原理及相关特性 2229792_WPSOffice_Level34.2.3GY-521型MPU-6050加速度传感器引脚功能： 2315147_WPSOffice_Level24.3报警信号触发模块 2427599_WPSOffice_Level34.3.1报警触发模块工作原理 2422598_WPSOffice_Level34.3.2报警信号触发模块的选用 2512140_WPSOffice_Level34.3.3SW-18010P工作原理及相关特性 2519788_WPSOffice_Level34.3.4LM393电压比较器工作原理及相关特性 2624291_WPSOffice_Level24.4无线收发模块 28

1绪论防盗系统是民众对于财产保护的重要工具，随着科技的发展，防盗系统也在不断地更新和变化。自行车防盗系统应围绕着时代的变化和用户的需求来设计。本章主要就自行车防盗系统的发展现状和研究背景进行阐述，通过对相关文献和资料的查阅，作出以下三点综述。1.1研究背景及意义自1790年以来，自行车一直是人类最实用的代步工具之一，可以说人类的发展如此之迅速，离不开自行车的帮助。随着人类社会的发展，自行车不再仅仅只是代步的工具，它可以是人类环保出行的一种选择，可以是人类健身的一种工具，可以是竞技体育的一种方式。可以说，自行车行业仍处在蓬勃发展的阶段。随着自行车行业的发展，自行车的造价也开始有了变化，从最便宜的几十元到最贵上千万的自行车都有。由于自行车存在一定的经济价值，常常有不法分子下对自行车实行盗窃或恶意破坏，严重危害了人民群众的财产安全。由此，针对这类行为，自行车防盗系统也在不断地更新换代。本次毕业课题的设计综合传统自行车防盗系统和新型自行车防盗系统的优缺点，取其精华，去其糟粕。意在设计出一款能高效预防自行车的盗窃行为、又不对周围环境产生太大影响的防盗报警器。该产品制作成本低、适用范围广，能有效地推广给广大自行车使用者。1.2国内外研究现状自行车是我国独具特色的个体交通方式，几乎家家户户都有一辆以上的自行车，自行车有着使用方便、灵活、成本低、能耗低、无污染的特点，虽然说随着时代的更新换代，居民的生活水平提高、城市的用地空间扩大和城市的公共交通事业快速发展，在我国一些比较发达的城市的自行车使用比例已经下降，以广州市为例，据广州市城市交通规划院最新一轮的统计显示，仍有10.91%的居民选择使用自行车出行。自行车防盗一直被人们所重视，传统的靠一把锁锁住自行车已经不再是最可靠的防盗方式。据中国新闻网报道，近几年的统计显示，我国每年被盗的自行车高达四百万辆，造成超过二十亿元的经济损失，约有九成的家庭都有过自行车被盗的情况，自行车盗窃案已经成为危害社会安定的重要治安案件，因此，提高自行车的防盗系统不但有利于维护人民的财产安全，而且还能提高人民的生活质量，维护社会的稳定。常见的自行车防盗系统主要有以下几种：老式自行车防盗系统老式自行车防盗系统主要是依靠各式各样的锁身来进行防盗，通过金属钥匙打开锁芯。在这类防盗系统上做的品牌比较好的如：金砣、安邦、通用等，价格一般在15-200元不等。这类防盗系统约占70%左右市场份额，防盗效果一般。优点：无法被当今的电子设备操控，一旦启动防盗系统，只能用钥匙解除防盗系统。缺点：锁芯不能防撬，钥匙易被仿制，锁身易被破坏。随着科技发展，各式各样的撬锁工具层出不穷，仅有少部分的锁芯是不易被撬开的，金属的锁身也很容易被破坏，而开锁的金属钥匙在路边的五金店就能配制，一旦丢失，防盗系统基本失效。现代自行车防盗系统现代自行车防盗系统可以利用无线电、蓝牙、随机密码等控制锁的开关，可以防止金属钥匙被复制。部分遥控锁具有振动传感的功能，一旦车体受到撞击或者晃动，报警装置会发出相应的警报声以此震慑窃贼。这类防盗系统比较好的品牌主要有玥玛、金锏、威臣等，价格普遍在100元以上，占据30%左右的市场份额，防盗效果比传统的要好。优点：功能多样，提高了防盗的效果。缺点：信号易被屏蔽，常存在虚报或漏报的情况，噪声污染大。RFID电子射频自行车防盗系统这一类防盗系统主要应用于小区、学校、写字楼等有自行车停车场的区域。RFID识别技术又称为电子标签，将其与门禁系统相结合，给每一辆自行车装上专属的“电子标签”。当系统处于工作状态时，每当有装了RFID芯片的自行车经过时，RFID监测系统可以通过无线接收装置，接收RFID芯片发出的唯一的ID编号，通过监控设备，可以很方便的掌握到每一辆自行车的出入情况。除此之外，每当装有RFID芯片的自行车进入该装置的工作范围之内的时候，射频卡将自动激活，并将相应用户信息传入计算机终端并作出判断。计算机将用户信息与EEPROM中的档案信息进行核对，用户需要在门禁系统的键盘上输入档案信息内相应的正确密码，才能开启门禁，如多次输入错误的密码则会触发报警。如果强制开门，会触发声光报警。优点：用机器检查的方式代替人工检查，节省了人工成本，提高了防盗效果。缺点：对场地、空间有限制，由于属于比较新兴的技术，需要一定时间的宣传和推广。1.3研究内容及论文结构本次毕业设计论文利用了将系统模块化的方法，对自行车的防盗系统设计及实现进行了研究。第一章主要简述了自行车的发展史和本次设计的研究目的，分析了国内外自行车防盗系统的发展现状，介绍了常见的几类自行车防盗系统。第二章对本次设计中用到的单片机技术、传感器技术、C语言编程进行了简单介绍。第三章介绍了本次系统整体方案的设计，其中包含了对系统功能性需求的分析和非功能性需求的分析，然后用文字结合流程图的方式介绍了系统框架结构体系的设计。第四章主要介绍了每个模块硬件电路的设计，其中包含了对元器件功能和工作参数的需求分析，介绍了元器件的使用方法和相关特性。然后，再将每个模块组合在一起，对硬件电路原理图进行绘制，最后最后再根据原理图进行制版和元器件的焊接。第五章主要是讲述了本次设计功能模块的程序设计，其中介绍了程序开发的工具、程序的流程图。然后按照功能需求，对主要功能模块的编程进行了简单介绍。第六章主要介绍了本次自行车防盗系统的测试，并就测试结果对系统设计进行完善。2相关技术介绍本次防盗系统的设计，综合了大学三年多所学过各类的知识，是对我大学的学习效果和实践的一项检验。在这次设计中，主要运用了单片机技术、传感器技术和C语言程序的设计。以下我就这三类技术的主要特点作相关介绍。2.1单片机技术单片机全称单片微型计算机，它是由CPU、RAM、ROM、定时/计数器、中断系统、时钟部件的集成和I/O接口电路集成在一片集成电路芯片上的微型计算机。在开发单片机应用系统时，先对硬件系统进行设计，常用AltiumDesigner或Protel99SE进行原理图的绘制，利用Proteus来对系统进行硬件仿真。设计准确无误后，可根据原理图设计PCB版图，制作系统的电路板并装配焊接相关元器件。硬件系统设计完成后，使用μVision开发平台编写程序，经过编译后生成可执行的目标程序，再将目标程序写入单片机，运行程序观察执行效果。根据执行效果对系统电路的设计进行修改，制版并写入程序继续执行并修改设计，直至执行效果达到设计的要求。2.2传感器技术传感器是一种检测装置，用来检测相应的被测量，并能将检测到的信息按照一定的规律变换成电信号或其他所需的信息输出。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节，大部分的传感器由敏感元件、传感元件和测量转换电路三部分组成。图2.2传感器组成框图传感器的种类有很多，按被测量分类可以分为：加速度、温度、压力、位移、力、力矩、振动等传感器。按测量的原理分类又可分为电容、电阻、电感、光栅、热电偶、超声波等传感器。判断传感器好坏的相关特性主要有：灵敏度、分辨力、延迟误差、线性度、稳定度等。2.3C语言在进行程序设计之前，需选用一种计算机语言作为工具。C语言的优点很多，它的数据类型丰富，对语法限制不严格，使用起来灵活方便，应用层面广，且实现能力强，程序执行效率高。因此，自20世纪90年代开始，在全世界受到广泛的普及和推广。C语言是一种功能强大的编程语言包含37个关键字、9种控制语句，该语言书写形式自由，是一种比较容易上手学习的计算机语言。C语言的控制语句具有结构化，用函数作为程序的模块单位，可以使程序具有模块化的优点。2.4本章小结本章主要讲述了关于本次系统设计中主要运用的三项技术，单片机的高度集成化有利于减小防盗系统的体积，高可靠性的运算能力在实际应用中保障了系统对于自行车状况的判断和险情的发送。传感器可以有效地感应外界对于系统的影响。C语言程序的模块化和强大的运算有利于对系统模块化的控制，对于语法的要求低有利于我在软件设计时的编写。3系统方案设计自行车防盗系统的总体设计方案是根据其的功能和设计要求，从全局的角度，以系统的观点而进行整体方面的设计，主要由两个最小电路系统组成，其中包括控制单元模块、信号触发模块、按键模块、无线收发模块、声光报警模块、无线收发模块等。本章就系统总体框架结构体系的设计和各个功能模块框架结构的设计作简短的介绍。3.1需求分析3.1.1功能性需求分析用户可手动设置报警器的布防或撤防，也可以通过无线遥控器对报警器进行设防和撤防。工作状态下的自行车防盗系统应能实时对自行车的安全状态进行监测，并根据安全状态及时做相应的回应，其中安全状态应分为无盗窃情况、无盗窃情况但系统受到外界的干扰、自行车处于被盗情况：自行车无盗窃情况：系统工作在布防状态，控制单元能实时接收来自信号触发模块输出的信号。此时自行车防盗系统应处在低功耗状态，保证电源能持续长时间工作。自行车无盗窃情况但自行车受到外界干扰（如挪车或不小心受到碰撞）：预警防盗系统检测到异常信号，通过相应的信号处理电路，向控制单元模块输出预警信号，报警模块工作，发出预警铃声提醒干扰源。在自行车停止受到外界干扰后，预警防盗系统能及时向控制单元模块输出解除预警信号，系统恢复到布防工作状态。自行车处于被盗情况：预警防盗系统和加强警示防盗系统应同时检测到异常信号，通过相应的信号处理电路，向控制单元模块输出报警信号，两个报警器模块同时工作，发出预警铃声和加强警示的铃声，警示灯闪烁以加强震慑效果。如报警时间过后仍处于被盗的情况下，系统应重复工作直至系统恢复到盗窃情况被消除。3.1.2非功能性需求分析安全性安全性是任何一个防盗系统的首要要求。从硬件上分析：由于自行车属于简单机械组成的结构化物体，车体上可安装防盗系统的部位较少，且安装面积较小。因此，在进行硬件系统设计时，隐蔽性是本防盗系统的重要指标之一。防盗系统应做到电路设计精简、模块高度集成化，减小产品的体积，方便系统的安装和提高系统的安全性。其次是控制单元模块应有高可靠性、不易被篡改的特性，无线收发模块应有独立的解码方式和较高的抗干扰性，减少防盗系统被破译的可能性。从软件上分析：在软件设计时，除了要满足用户对系统的使用需求之外，还应考虑到数据在被意外破坏时，能及时的恢复到正常工作状态。工作温度自行车防盗系统应围绕着自行车的使用环境进行设计，不同地区的用户使用自行车的环境也有所不同，有的地区气温高，有的地区气候寒冷，有的长期工作在烈日底下，由于阳光的照射系统的温度会有所升高。因此，在选用各个模块的元件时，应首选工作温度范围广的元器件。工作状态由于自行车属于代步工具，移动是自行车使用的主要方式。不同的地区所工作的地理环境不同，装在自行车上的防盗系统常常会因为路面不平或行车的事故而晃动或撞击。因此，在选用各个模块的元件时，应选择稳定度高的元器件，减少因外界影响而造成系统的异常工作。经济可行性由于现在大部分的自行车主要还是起代步的作用，大多数自行车的价值在1000元以内。因此，除在软件开发上所用的人力成本外，在硬件电路的设计上，应选用性价比较高的元器件，同时需保障系统高效率的工作，提高产品的吸引力。3.2系统框架结构体系设计本次自行车防盗系统由两个不同防盗报警系统组成，框架结构主要如下：图3.1预警防盗系统流程框图这个防盗报警器主要起到预警的作用，其中单片机作为控制单元模块，加速度传感器作为信号触发模块，蜂鸣器和发光二极管作声光报警器模块。手动启动防盗报警器，进入预警状态，当自行车受到移动或者振动时，加速度传感器感受到任意一方向上的加速度信号，将加速度信号转换为数字信号并传入控制单元模块，控制单元模块经过数据的组织和处理，判断是否属于警情，如属于警情，输出数字信号触发报警器模块，报警器模块发出相应的警鸣，以此震慑窃贼，保护自行车。一旦自行车停止移动或者振动，信号触发模块输出相应的数字信号给控制单元模块，控制单元在读取该信号后，输出数字信号解除报警模式，声光报警模块停止播放警鸣。做到自行车动即触发报警，自行车停即停止报警。图3.2强警防盗系统流程图这个防盗报警器主要起到加强警示的作用，其中包含控制单元模块，采用无线遥控套件作为无线收发模块，振动传感器作为信号触发模块。与传统的报警器不同的是，新增独立的按键模块，可用于手动设置报警器的状态，指示灯模块选用不同颜色的发光二极管，显示报警器的状态，蜂鸣器和发光二极管作为声光报警器模块。当控制单元模块收到无线收发模块或独立按键模块发出的预警信号后，指示灯模块启用，显示系统进入预警状态，一旦振动感应模块感受到系统振动，弹簧开关接通电路，系统进入报警状态，触发声光报警模块，声光报警模块的报警状态会持续一段时间，一段时间内若没有接收到振动信号或手动取消报警状态，系统会自动取消报警，恢复到预警状态。做到自行车若受到较明显振动，系统会触发持续一段时间的报警。3.3本章小结本章首先介绍了防盗系统的设计所要达到的功能和特点，并以此作相关方面的需求分析。接着主要就本次防盗系统的框架体系结构进行了从总体到局部的详细介绍，然后介绍了系统的搭建和各个功能的实现方式，为后面系统硬件电路的设计和软件程序设计规划好流程。4硬件电路设计及实现本章对本次防盗系统设计的硬件电路设计进行详细介绍，其中包含了对各模块的功能及实现方法的介绍，对各个模块的元件的选用。然后介绍了系统电路的设计和原理图的绘制，最后再根据原理图进行制版和元器件的焊接。4.1控制单元模块4.1.1控制单元模块的选用根据系统的需求，本次设计选用STC89C52单片机，该单片机具有高速处理能力，能同时处理多个模块传来的各类信号。该单片机芯片有着较高的加密性，无法直接被解密。STC89C52单片机高度集成化了运算和处理所需的元件，选用的PDIP-40型封装的尺寸长度为52.32mm、宽度可调节，最宽仅为17.53mm、厚度为4.83mm，很大程度地减小了系统的体积。该单片机的抗干扰能力强，即使在电源抖动的情况下也能保证正常的工作，能避免因自行车在骑行时常会受到晃动或者撞击而造成控制单元模块停止工作，导致系统的失效。本次防盗系统的设计选用了STC公司生产的51系列单片机作为控制单元模块的主要芯片。下面就该芯片的主要功能和性能参数作相关介绍：4.1.2STC89C52单片机相关特性表4.1STC89C52单片机的主要特性型号内核最高时钟频率HzFLASH程序存储器字节RAM数据存储器字节EEPROM字节优先级定时器STC89C5280510-80M8K5122K+83型号工作电压工作温度数据指针串口UART中断源STC89C523.4V-5.5V-40C°～80C°21ch8表4.2STC89C52单片机的主要特性实物见下图：图4.1STC89C52单片机实物图封装图：图4.2PDIP-40型封装单片机引脚功能简单介绍：PDIP-40型封装的STC89C52单片机是具有总线扩展引脚功能的。各引脚功能在此作简单的介绍：表4.3单片机引脚功能引脚名引脚功能POP0P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6（外部数据存储器写选通）P3.7（外部数据存储器读选通）RST复位输入。当振荡器复位器件，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。最小系统电路原理图如下：图4.3STC89C52单片机最小系统电路4.2预警信号触发模块设置预警信号触发模块的主要是为了在自行车遇到盗窃情况时对窃贼起震慑作用。除此之外，如果能做到车动即预警，车停即停止预警的效果，能减少对环境的噪声污染，既能方便上班族将自行车停在办公区域，又能方便学生将自行车停放在教学区域。因此，在选用传感器时，应选用灵敏度较高的传感器。4.2.1预警信号触发模块工作原理：通过加速度传感器接收三维方向上的加速度信号Ma，并将该加速度信号转换为电信号，通过前置放大器电路将电信号放大到所需的范围，将电信号传入信号调理电路，信号调理电路改善电信号的信噪比后传入A/D转换电路，通过A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号（相应的二进制数据），输入控制单元模块进行组织和运算处理。如图4.4所示：图4.4预警信号触发模块流程图4.2.2预警信号触发模块选用根据系统的需求，预警信号触发模块选用的传感器应能多方向、高精度的对被测量进行测量。因此，本次预警信号触发模块选用了MPU-6050加速度传感器，该传感器为电容式传感器，芯片内部整合了三轴陀螺仪、三轴加速度器，可用于角速度或加速度的检测，精确率高，应用范围广。本次选用GY-521型的MPU-6050加速度传感器，其中模块长度为20.5mm，宽度为15.5mm，厚度为1.5mm。该模块在作加速度计使用时，省电模式下，运作电流为20μA。正常工作下，运作电流为350μA。模块的高度集成化和超低功耗能满足本次系统设计的相关需求。下面就其作为三轴加速度传感器的相关特性及参数作介绍：4.2.3MPU-6050加速度传感器工作原理及相关特性工作原理：MPU-6050加速度传感器属于电容式传感器，电容式传感器一般使用了弹簧质量系统，其工作原理主要是依靠质量块在受到加速度运动时，质量块与固定电极之间的间隙发生改变，进而使元件的电容值发生改变。由于这个结构，电容式传感器的灵敏度比其他类型的加速度传感器要高，且受温度的影响小。主要特性：型号工作电压工作温度加速度全感测量范围通信方式MPU-60503V-5V-40C°～85C°2g、4g、8g、16g标准ICC通信协议表4.4MPU-6050加速度传感器主要特性实物图如下：图4.5GY-521型MPU-6050加速度传感器实物图封装图如下：图4.6MPU6050封装图逻辑结构：图4.7MPU-6050逻辑结构GY-521引脚功能：表4.5加速度传感器模块引脚功能引脚名功能VCC接电源正极GND接电源负极SCL接单片机I/O口（根据程序定义接，ICC通信）SDA接单片机I/O口（根据程序定义接，ICC通信）XDA接外围传感器（一般不接，直接悬空）XDL接外围传感器（一般不接，直接悬空）AD0接地线Vcc由MPU硬件地址决定INT外部中断预警信号触发原理图如下：图4.8预警信号触发模块原理图4.3强警信号触发模块设置强警信号触发模块的主要目的是为了当自行车真正存在被盗窃的情况时（如车体存在明显晃动或受到外力作用影响大），才需要对控制单元模块输出警报信号，加强对窃贼的警示作用。因此，在选用检测装置的元器件时，可以不用选用灵敏度特别高的元件，降低产品的制作成本。4.3.1强警信号触发模块工作原理强警信号触发模块选用防盗报警器常用的振动开关作为信号的触发源。振动开关在系统处于静止状态时，为开路状态。当该系统受到外力触碰而达到相应的振动力时，或当系统的移动速度达到适当的离心力时，振动开关闭合。当外力消失、移动速度为0时，开关恢复为开路状态。但振动开关输出的电压或电流信号不能作为直接输入控制单元模块的数字信号，将振动传感器跟电压比较器相连接，电位比较器将输入的模拟信号与固定的参考电压相比较，输出相应的二进制数据，即将模拟信号转换为可被控制单元处理的数字信号。如图4.9所示：图4.9振动传感器模块流程图4.3.2强警信号触发模块的选用根据系统的需求，选用SW-18010P振动传感器作为信号的触发源，SW-18010P实际上是一个弹簧型的振动开关，它是一种无方向性的振动感应开关，即任意角度受到震动都可触发开关。电压比较器则选用高增益、宽频带的LM393电压比较器。下面就两个器件的相关特性及使用作介绍：4.3.3SW-18010P工作原理及相关特性工作原理：SW-18010P振动开关又称为弹簧开关，它的工作原理和组成结构的电气特性有很大的关系。由元件的结构图可见，在SW-18010P振动开关内部有一个金属弹簧，当系统处于静止状态时，弹簧与接片断开，开关处于为开路状态。当该系统受到外力触碰而达到相应的振动力时，或当系统的移动速度达到适当的离心力时，金属弹簧与导电接脚瞬间导通，开关处于通路状态。当外力消失、移动速度为0时，开关恢复为开路状态。主要特性：表4.7SW-18010P主要特性型号工作电压工作温度工作电流SW-18010P12V-25C°～100C°2mA实物图：图4.10SW-18010P实物图图4.11SW-18010P封装图4.3.4LM393电压比较器工作原理及相关特性工作原理：LM393是集成双电压比较器，输出部分为集电极开路输出、发射机接地的NPN输出晶体管，独立使用外接电阻，实现“线或”功能，即只要将输入的模拟信号与固定的参考电压相比较，比较器1或比较器2其中一路的输出为高电平时，输出的二值信号为高电平。主要特性：表4.8LM393主要特性型号工作电压工作温度工作电压兼容逻辑系统LM-3931V～18V0～70C°0.4mATTL、ECL、DTL、MOS、CMOS功能框图：图4.12LM393结构框图引脚功能说明：表4.9LM393引脚功能引出端序号符号功能1OUTA输出A2INTA-反向输入A3INTA+同向输入A4GND接地端5INTB+同向输入B6INTB-同向输出B7OUTB输出B8Vcc电源电压实物图：图4.13LM393实物图强警信号触发模块原理图如下：图4.14强警信号触发模块原理图4.4无线收发模块设置无线收发模块的目的主要是控制防盗系统2的布防和撤防，方便用户的使用，加强解锁系统的防护能力。该模块由遥控器发射模块和解码器接收模块组成。4.4.1无线收发模块工作原理从系统的安全性出发，首先要考虑外界环境对无线信号收发的影响，因此，采用编码的方式对无线信号进行收发。此外，考虑到自行车通常停放在自行车的停车区域，同一个停车区域内可能会有多个不同的防盗系统，为保证本系统的无线收发模块的使用不受其它系统的无线信号影响，该模块应有独立的编码和解码方式。无线发送模块用于发送布防信号和撤防信号，该模块主要由编码芯片和对应的发射电路组成，如下图4.15所示：图4.15无线发送模块流程图无线接收模块用于接收遥控器发出的布防和撤防信号，该模块主要由接收芯片和解码电路组成。接收芯片在收到无线发送模块输出的布防或撤防信号后，通过解码电路把接收到的信号进行解码，再将已解码的数据传送给控制单元模块，控制单元模块通过组织和处理，判断该信号属于哪一项功能，再输出相应的信息对系统进行布防或撤防的控制。功能如下图4.16所示：图4.16无线接收模块流程图4.4.2无线收发模块的选用由于我对于无线通信类的知识了解并不多，为达到本次系统设计的效果，选用了汽车安全系统设计中常见的SC2262和SC2272四路无线遥控套件作为无线收发模块。该模块用CMOS工艺制造，最大拥有12 位的三态地址管脚，可支持多达五十多万种的编码，安全性高。该模块成本在十元左右，在本次系统设计的预算之内。其中，SC2262芯片常用于无线信号的发射电路，SC2272芯片常用于无线信号的接收电路，下面就两个芯片及电路的设计作相关介绍。4.4.3SC2262芯片工作原理及相关特性工作原理：SC2262芯片内包含了四位数据信号和八位地址信号，不同的数据码和地址码可以完成超过五十多万的编码，编码信号主要由地址编码、数据编码、同步编码组成一个完整的码字。按下无线发射模块的其中一个按键，SC2262芯片通电，芯片内部进行编码，编码从输出端Dout输出，通过红外发射管发射出去。主要特性：表4.10SC2262主要特性型号工作电压工作温度工作电流SC22622V～15V-20C°～70C°0.02μA～0.3μA管脚图：4.17SC2262管脚图引脚功能：表4.11SC2262引脚功能引出端序号名称功能1-8、10-13A0-A11地址管脚，用于进行地址编码，可置为“0”，“1”，“f”(悬空)7-8、10-13D0-D5数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉18Vcc电源正端（＋）9Vss电源负端（－）14TE编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效16OSC1振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率15OSC2振荡电阻振荡器输出端17Dout编码输出端（正常时为低电平）实物图：图4.18SC2262实物图发射电路原理图：图4.19发射电路原理图4.4.4SC2272芯片工作原理及相关介绍工作原理：SC2272芯片与配套的SC2262的当前地址是一致的，SC2272在收到由SC2262发来的2帧以上的串行码后，开始接收来自SC2262传过来的编码信号，编码信息由Din口输入，输入的编码波形被解译成字码，其中包含了地址编码、数据编码、同步编码。当接收部分SC2272的8位地址数据与发射部分的8位地址数据相同时，就会在SC2272的17脚输出“1”，表示解码成功，同时在4位数据位上输出相应的数据信号，后续的输出控制电路就根据解码输出的数据位。主要特性：表4.12SC2272主要特性型号工作电压工作温度工作电流SC2272-0.3V～15V-20C°～70C°0.02μA～0.3μA管脚图：图4.20SC2272管脚图引脚功能：表4.13SC2272引脚功能引出端序号名称功能1-8、10-13A0-A11地址管脚，用于进行地址编码，可置为“0”，“1”，“f”(悬空)，必须与2262一致，否则不解码7-8、10-13D0-D5地址或数据管脚，当作为数据管脚时，只有在地址码与2262一致，数据管脚才输出与2262数据端对应的高电平，否则输出为低电平，锁存端只有在接收到下一数据才能转换18Vcc电源正端（＋）9Vss电源负端（－）14Din数据信号输入端，来自接收模块输出端16OSC1振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率15OSC2振荡电阻振荡器输出端17VT解码有效确认 输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）实物图：图4.21SC2272实物图接收电路原理图：图4.22接收电路原理图4.5报警电路模块设置报警电路模块主要为了在自行车的安全状况出现异常时，发出相应的报警信号，以提醒影响源对于车况的影响，其中分为预警电路模块和声光报警电路模块两个模块，分别起预警和加强警示的作用。4.5.1报警电路模块工作原理报警电路模块主要由预警电路模块和强警报警电路模块组成，两个模块的原理相近。在布防状态下，控制单元模块在接收到来自信号触发模块的异常信号后，通过数据的组织和处理，判断该信号属于报警信号还是取消报警信号，输出电平信号给报警器模块，报警器模块相应的作出报警或回到正常状态。如图4.23所示图4.23报警模块流程图4.5.2报警电路模块的选用及相关介绍本次系统设计以体现报警效果为主，选用了电磁式有源蜂鸣器和发光二极管作为报警电路的主要元件，模拟了自行车在实际情况中安全状况出现异常后的相关报警操作。由于这两个元件比较常见，下面我就它们的工作原理和相关特性做简单介绍。4.5.3蜂鸣器蜂鸣器按结构可分为压电式和电磁式，按组成可分为有源式和无源式，蜂鸣器的工作原理是依靠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。蜂鸣器的相关特性：表4.14蜂鸣器相关特性型号工作电压工作温度工作电流结构类型蜂鸣器4V～8V-20C°～70C°30mA电磁式4.5.4发光二极管发光二极管又称LED，是一种能将电能转换为广能的半导体，它的分类很多，可以按颜色、光面特征、结构、发光强度、工作电流分类。由于它具有多样性、制作成本低、光效高、功耗低、寿命高的优点，已在全世界广泛地被推广和使用。发光二极管工作原理主要是利用内部的半导体晶片在通电状态下受到电流的作用，半导体晶片内部的电子由N区被推向P区，在P区里的电子与空穴复合，以光子的形式发出能量。本次选用的发光二极管工作电压为2.0V～2.2V，工作电流为20mA。4.5.5报警电路模块原理图报警电路原理图：图4.24预警电路模块原理图图4.25声光报警模块原理图4.6硬件电路的实现在完成对硬件电路整体的设计和主要功能元器件的选用后，选择万用板对各个模块进行组装和焊接，下面主要展示了两个防盗报警器的原理图、实物图和元件清单。4.6.1预警防盗报警器原理图：图4.26预警防盗报警器原理图4.6.2强警防盗报警器原理图：图4.28强警防盗报警器原理图实物图：图4.29强警防盗报警器实物图元件清单：表4.16强警防盗报警器元件清单元件型号元件名称元件标号数量蜂鸣器蜂鸣器B1110uF电容C1120电容C2,C32D发光二极管D1,D2，D3,D4,D5,D62Relay-SPDT继电器K11电源输入USB接口P119012三级管Q1、Q222K电阻R1,R2,R3,R5,R8,R9,R11,R12810K电阻R4110K可调电位器R612.2M电阻R7,R102SW-PB按键S1,S2,S3,S4,4SW-18010P振动传感器V1,V22电源开关电源开关SW11PT2272无线模块U11U1单片机U21LM393比较器U3112M晶振Y11STC89C52单片机U21不计人工成本，强警防盗系统制作的成本大约在25元左右。4.7本章小结本章主要就防盗系统设计的硬件电路设计进行详细介绍，其中包含了对各模块的功能及实现方法的介绍，对各个模块的元件的选用。然后介绍了系统电路的设计和原理图的绘制，最后再根据原理图进行制版和元器件的焊接。5程序的编程与实现本次防盗系统的设计对于软件功能方面的要求较低，主要选用了C语言进行编程。下面就开发工具的选用和部分模块的编程作介绍。5.1开发工具本次系统的编码与实现选用了Keil_C51_μvesion4软件作为开发工具，该软件利用C语言进行编程，结合了大一时所学的C语言知识。软件内包含丰富的函数库和功能强大的除错工具，适合我这种对编程不是特别熟练的使用者。软件界面如下：图5.1Keil_C51_uvision软件界面5.2程序流程图图5.2预警系统流程图图5.3报警系统流程图5.3主要功能模块的编程由于整体程序的编程内容较多，相关的元器件的接口定义和部分函数的调用在此不作介绍。下面介绍了本次系统主要功能的程序编程。5.3.1加速度传感模块初始化MPU6050:voidMPU6050_Init(void){ Single_WriteI2C(PWR_MGMT_1,0x00); //解除休眠状态 Single_WriteI2C(SMPLRT_DIV,0x07); Single_WriteI2C(CONFIG,0x06); Single_WriteI2C(GYRO_CONFIG,0x18); Single_WriteI2C(ACCEL_CONFIG,0x01}对加速度传感器检测数据的合成：intGetData(ucharREG_Address){ charH,L; H=Single_ReadI2C(REG_Address); L=Single_ReadI2C(REG_Address+1); return(H<<8)+L;//合成数据}5.3.2独立按键模块独立按键程序：voidkey_with(){ if(key_can==1) //按键紧急报警 { flag_alarm=1;//报警标志位; } if(key_can==2)//布防按键 { flag_bufang=1; yellow=0;//打开黄灯 beep=0; delay_1ms(100); beep=1; delay_1ms(100); beep=0; delay_1ms(100); beep=1; delay_1ms(300); } if(key_can==3) //取消报警把变量清零 { beep=1; yellow=1;//关闭黄灯 relay=1;//关闭继电器 } }5.3.3无线收发模块无线收发模块按键程序： if(pt2272_a==1) //按键紧急报警 { flag_alarm=1;//报警标志位; } if(pt2272_c==1) //布防按键 { flag_bufang=1; yellow=0;//打开黄灯 beep=0; delay_1ms(100); beep=1; delay_1ms(100); beep=0; delay_1ms(100); beep=1; delay_1ms(300); } if(pt2272_b==1) { beep=1; yellow=1;//关闭黄灯 relay=1;//关闭继电器 } if(pt2272_d==1) { flag_alarm=1;//报警标志位; }}5.4.4报警功能模块预警功能程序：if((GetData(ACCEL_XOUT_H)<-300)||(GetData(ACCEL_YOUT_H)<-300)||(GetData(ACCEL_ZOUT_H)<-300)){ BEEP=0;} else{ BEEP=1;} Delay_1ms(200)报警功能程序：flag_500ms++; if(flag_500ms>=250) { flag_500ms=0; if(flag_alarm==1) //报警 { flag_value++; if(flag_value>=60)//30秒 自行取消报警 { flag_alarm=0; } beep=~beep; //蜂鸣器报警 relay=0;//继电器工作 }else { flag_value=0; beep=1;// } } if((zd1==0)||(zd2==0)) { flag_alarm=1; flag_value=0; //复位报警时长0++60溢出值再置为0 } delay_1ms(2); }5.4本章小结本章主要就系统开发所用的开发工具和程序流程作相关介绍，根据程序的流程图，对主要功能模块的编程进行了简单介绍。6系统测试系统测试是是将已设计好的硬件电路、编程好的程序组合在一起，通过实验结果与系统的功能需求作比较，发现系统与用户需求不符或矛盾的地方，从而对设计方案进行修改，对硬件电路和程序编程进行完善。保证设计好的产品满足用户需求，提高成品的可靠性。预警报警器上电图：图6.1预警防盗报警器上电图由图可见，预警防盗报警器在上电后，LCD显示