基于MSP430的智能楼宇安检系统的设计_论文.doc

西安欧亚学院本科毕业设计（论文）1 概述1.1 技术背境随着科技的发展，模拟前端检测已经成功应用于我们日常生活中。像遥控器、声控灯、安检等等在我们生活中可以见到的实物，它们的原理不外乎是利用了模拟前端检测技术。国外在这一方面，一直是处于领先水平，特别是美国在电子检测技术领域的应用是相当的成熟的，各个领域内都有涉猎。而相对于国内来说，检测技术是在80、90年代开始兴起的，它的发展起步较国外要晚很多。但是，在近几年内，国内科技的发展势头迅猛，逐渐的缩短了与他们之间的差距。像现在我们的生活中利用的遥控装置、楼道中的灯控装置、医院里的病人呼叫系统、航海、消防等等都是利用了模拟前端检测技术。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。它的出现不仅仅是人们的要求，也是人们追求完美生活的一种标准。国外的发展同样也是比国内要早很多，而且一直是处于领先地位，刚开始的无线传输都是运用在军事领域，民用的很少，这就限制了无线传输的发展。随着社会的进步，经济的快速发展，无线传输技术也就逐渐的开放了，例如现在遥控器、电话、监控系统等等都是有利用无线传输技术进行信号的传输与反馈。在国内无线传输技术已经在现代化小区、交通、运输、水利、航运、治安、消防等领域得到了广泛的应用。特别是在通信领域发挥了巨大的作用，也一直在无线传输领域保持着领先的姿态。1.2 选题意义本系统是立足于小巧、轻便、方便安装、信价比高等因素来设计的，是基于MSP430单片机的基础上，在硬件电路上的实现模拟前端检测与检测信号的无线传输。在查阅了相关的资料与选择电路后，经过不懈的努力和老师的帮助，设计了红外检测、信号调理和无线传输硬件电路，为单片机实现软件功能提供了硬件平台。本设计主要是利用BISS0001芯片搭建热释电电路，提供模拟检测信号的调理，用红外感应管采集外界信号，用集成芯片PT2262/PT2272-L4进行数据信号的无线发射与接收。在无线传输部分，我们利用拨码开关实现对四路信号的检测，同时我们还设置了手动开关检测发射部分的电路，用LED灯指示信号的传输状况。课题的研究，是对于新的科学技术的证明，也是一种探索思维的过程，同时，也是社会逐渐发展的一种需求。1.3 用途及功能本系统设计是对于楼宇安全的模拟前端检测和异常实时信号的无线传输的要求而设计的，它主要是运用在每幢大厦的出入口以及需要安全检查的地方。当然，本设计也可以运用于其它地方，例如各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等等地方，在生活小区、水路交通、运输、水利枢纽、航运、治安、消防、企业、宾馆商场库房以及家庭的过道、走廊等敏感区域都可运用。系统在设计过程中运用了红外感应管进行信号的检测，可对四路异常信号进行发光二极管指示，对异常实时的信号用二极管亮灭来指示。同时，也可以断开红外管的信号，利用通过按键开关输入高电平，来发射信号，通过接收模块的发光二极管的指示可以明显的表现出来。用BISS0001芯片对采集的信号进行信号的延时、封锁功能等功能的设置，再经过与门将信号输出。本设计为了演示的方便设定延时时间为2s-3s,可以通过发光二极管亮灭的时间差来看出，很直观的反应出设计延时时间的正确与否。系统的按键开关部分主要是为了调试方便而设计的，同时也是信号触发的一种方式，不同之处就是要依靠手动开完成信号的给与。 2 方案设计2.1 本系统整机原理框图图1. 系统框图原理说明：由热释电传感器检测的人体信号，经惯性放大、双向鉴幅，输出逻辑电平，送至发射模块的数据编码输入端，经调制后发射；接收端收到该数据信号，经放大、整形、解码，送至MSP430单片机的输入端，实现其软件部分的功能。发射/接收过程，实现了数据的无线传输与处理。2.2 信号调理框图 图2 信号调理框图原理说明：本单元采用集成芯片BISS0001对信号进行采集与调理。BISS0001是一个红外传感信号处理器，它具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理。内部设有延迟时间定时器和封锁时间定时器，通过双向鉴幅器对高于设定电压和低于设定电压进行翻转使它的输出在一定的范围内，同时它还有抑制干扰的作用。2.2.1 BISS0001芯片介绍如下所示，是BISS0001集成芯片的内部电路以及它的功能管脚说明，进一步了解了它的结构，熟知它的性能。 图3 BISS0001管脚图Vdd工作电源正端，范围为35V。Vss工作电源负端，接地。1B运算放大器偏置电流设置端。经RB接Vss端，RB取值为1M左右。 11N-第一级运算放大器的反相输入端。 11N+第一级运算放大器的同相输入端。 1OUT第一级运算放大器的输出端。 21N-第二级运算放大器的反相输入端。 2OUT -第二级运算放大器的输出端。Vc触发禁止端。当VcVR允许触发。VR 0.2VDD。VRF参考电压及复位输入端。一般接VDD，接“0”是可使定时器复位。A可重复触发和不可重复触发控制端。当A=“1”时，允许重复触发。Vo控制信号输出端。由Vs上跳变沿触发使VO从低电平跳变到高电平时为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无Vs上跳变是Vo为低电平状态。RR1RC1输出延迟时间Tx的调节端。Tx49152R1C1 。 RR2、RC2触发封锁时间Ti的调节端。Ti24 R2 C2 。 图4 BISS0001内电路图为了更可靠的实现设计的要求，保证设计的成功，对芯片的内部结构电路进行了研究，并对其1管脚的触发方式进行了仿真。 图5 不可重复触发工作方式下各点波形图6 可重复触发工作方式下各点波形表1 BISS0001管脚参数表同时，再对红外光感应管采集的微弱信号后，采用了LM358运放对信号进行放大。LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应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使用运放的地方使用。其引脚图及引脚功能如图5。 图5 LM358内部功能及管脚图LM358特点：内部频率补偿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 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(330V)； 双电源(1.5 一15V)低功耗电流，适合于电池供电输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) 2.3 无线传输系统原理框图图6 发射单元框图图7 接收单元框图2.3.1 原理与功能概述在这一部分的设计中，采用编、解码PT2262 / PT2272-L4集成芯片来完成对发射与接收部分的功能的实现。PT2262是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编、解码电路，PT2262/PT2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线发射技术。如图所示为PT2262/PT2272的管脚实物图。 图8 PT2262管脚图 图9 PT2272管脚图2.3.2 芯片介绍PT2262的A0A7端（第18脚）是芯片的地址码设置端口，每一端口可以编为“0”(接地)、“1”(接VCC)和“开路”三种状态，利用A0A7这8位地址线可提供38 6561种不同寻址。D0D3端（第1013脚）是数据码输入端，分别和4个二极管、按键相连。编码芯片PT2262数据码输入端可以是高电平1或者是低电平0，一共有4个通道，数据码在无线电遥控开关系统中的主要作用是区别不同的受控电路。当编码芯片PT2262的发送控制端（第14脚）有效时，数据输出端（第17脚）输出带有地址编码信息和开关状态信息的编码脉冲信号。如下分别为PT2262内部结构图（图）及各管脚说明（表2）。名称管脚说 明A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空),D0-D57-8、10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉Vcc18电源正端（）Vss9电源负端（）TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；OSC215振荡电阻振荡器输出端；Dout17编码输出端（正常时为低电平）表2 管脚说明图10 PT2262内部原理图 PT2272-L4锁存芯片，它具有数据锁存功能，如当按下发射系统中的K1K4任意一个开关时，则编码电路会将带有地址信息和开关信息的编码脉冲经调制在315M高频载波上后发射到天空中，当接收系统中PT2272解码电路检测到地址信息与发射端的地址信息相同时，经解码后驱动三极管使其工作在饱和或着截至区，从而控制在接收部分与发射端对应的发光二极管点亮，在没有按下其它键的时候，D1D4一直保持原状态，直到有其它键按下，D1方才熄灭，相应的发光二极管点亮。如果与发射端的地址信息不同则不解码。受控器件保持原状态不便。PT2272的引脚功能如图所示。名称管脚说 明A0-A11 1-8、10-13 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D0-D57-8、10-13 地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换Vcc18 电源正端（）Vss9 电源负端（）DIN14 数据信号输入端，来自接收模块输出端 OSC116 振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率 OSC215 振荡电阻振荡器输出端；VT17 解码有效确认 输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）表3 PT2272的管脚功能2.3.3 编码、解码原理 编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射， PT2262每次发射时至少发射4组字码，2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。因为无线发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以程序可以丢弃处理。在PT2262上有一块315MHz的石英晶体振荡器，它是当高频交流电压加于晶片两端后，晶片将随交流信号的变化而产生机械振动。晶片的几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振动频率。当外加高频信号的频率与晶片固有的振动频率相等时，其机械振动最强，产生谐振现象。PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时（PT2272-M4)，对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时(PT2272-M6)，对应的地址编码应该是6位。设置地址码的原则是：同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。PT2262和PT2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，否则接收距离会变近或者无法接收。图11 PT2262工作时序图图11 PT2262调制波形图图12 PT2272工作时序图2.3.4 PT2272-L4接收芯片检波方式介绍PT2272-L4集成芯片采用的是超再生检波方式。图13 超再生检波电路图超再生是指把高频放大输出信号的一部分以正反馈的方式送到输入端，使放大器的灵敏度和选择性都得到提高。超再生电路是指振荡电路自身产生的振荡电压比再生正反馈的作用还强，所以叫做超再生电路。超再生接收电路也称超再生检波电路，它实际上是工作在间歇振荡状态下的再生检波电路。通常再生接收电路由检波、低频放大、整形、解码等环节组成。采用超再生检波方式，仅用一级就能完成信号选择、放大和解调功能。使超再生电路工作的关键问题是让电路产生间歇式的高频振荡，而产生高频振荡的条件必须具备有间歇式的控制电压，这个电压通常叫熄火电压，振荡频率约为2060kHz，能影响高频振荡器的工作，使其振荡不是连续而是间歇的。这种间歇的振荡器振荡幅度受电路中的电压波动影响很大，反映敏感。3 电路设计与调试3.1 整机原理电路电路的设计思路就是根据以上的理论知识选择了热释电红外感应芯片BISS0001，结合后级的发射与接收共同组成了本系统的路硬件电。如下图所图14 整机原理电路图 在此原理电路中有两种方案可以实现对后级发射电路的调试，分为按键开关部分和由拨码开关组成的热释电电路给与的信号。3.2 信号调理电路。图15 BISS0001内电路等效原理图3.2.1 原理电路图信号的调理电路就是对检测信号的处理过程。首先，利用运算放大器OPA27组成传感信号的预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器LTC1049L，在进行第二级放大，同时将直流电位抬高为Vm后，送到由比较器LM393AT组成的双向鉴幅器，检出有时效触发信号Vs。由于Vh0.7Vdd、Vl0.3Vdd，所以，当Vdd=5V时，可有效地抑制1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。LM393是一个条件比较器。当输入电压VcVr时，LM393输出为高电平，打开与门，此时若有触发信号Vs的上跳变沿到来，则可启动延时时间定时器，同时Vo端输出为高电平，进入了延时周期。在周期内，任何V的变化都不能使V0为有效状态。这一功能的设置，可有效抑制负载载切换过程中产生的各种干扰。 电路图（图12）为BISS0001的内部功能图，利用仿真软件对它的各点电压进行仿真，我们大体上知道了设计方向与目标。从图上可以看出，它的工作电压是+5V，通过电阻与电容的分压我们可以获得um、ul、uc的输入电压，在ui端输入一个变化的电压值，可以看到输出端的电压是出现规律性的周期性方波。电路的前两级是对输入信号的放大，整形与滤波，Um和Ul是两个门限电压，当由LTC1049L输出的信号高于Um或者低于ul时，LM393就会对他的信号进行翻转，又回到正常的范围内。具体来说就是，当UiUm，就会发生一次跳变，在示波器上可以明显的看到一个明显的突峰；同理，当UiUl时也会发生一次跳变。3.2.2 仿真波形图16 等效电路仿真波形图从图上可以看到，输入一个正弦波信号，2号测试点的电压值有了一点变化，但变化不是很大，当经过三级放大后，从3号测试点输出的电压值已经有了明显的截顶现象，说明信号的放大量足够大，超出芯片的动态范围了。 3.2.3 调理电路延迟时间的设置 延迟时间是通过改变电阻、电容值实现对采集信号的延迟。具体见下表。为了现场调试的方便，本系统设置延迟时间最小，设置为2s，表5 延迟时间设置阻值表3.3 发射与接收电路3.3.1 发射电路图图17 发射部分电路图在无线电遥控设备中，发射电路用来产生遥控指令电信号和产生运送该信号（作为调制信号）的高频载波，使调制信号依附在该高频载波上经天线发射至空中。当发射机没有按键按下时，PT2262的18（vcc）脚不得电，则芯片不工作同样没有数据输入，17脚没有数据输出且为低电平，发射模块中三极管S8050处于截止状态， 315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经编码的串行数据信号，此时 17脚为高低电平，当为高电平时，发射模块中三极管S8050处于导通状态，315MHz的高频发射电路起振并发射等幅315M高频信号代表“1”，当17脚为低平时，315MHz的高频发射电路停止振荡，不发射315 M的高频信号代表“0” 所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号。本系统的无线电发射电路中采用的是一种新型射频发射模块，它具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，性能稳定。当PT2262的数据输出端（17脚）无信号输出时，开关管S8050截止，导致整个发射模块都不工作，发射电流为零。当它的控制端（14脚）有效时，17脚有编码脉冲信号输出时，开关管S8050处于导通状态，从而驱动射频功率放大管RF57工作，即17脚输出的编码脉冲信号对发射模块的高频载波信号进行调制发射，当脉冲信号为高电平“1”时，发射电路有周期幅度相等的高频载波发出；而当脉冲信号为低电平“0”，则没有高频载波发出。3.3.2 超再生检波电路工作原理超再生检波电路如图所示。超再生检波电路图由Q1、L2，C8、C9、C10等组成超再生检波电路，该电路实际上是一个受间歇振荡控制的高频振荡器，振荡频率由L2，C9并联谐振回路和反馈电容C10来决定，它应该与发射电路的发射频率F0相一致。当从高频小信号放大器传来电压信号，这个电压控制着高频振荡的幅度，并于发射端的高频信号产生差频，从发射基输出低频的调制信号，通过C12与R9滤出无用的高频信号送至低频端进行放大整形处理。无线电接收电路采用与射频发射模块相配套的射频接收模块。3.3.3 接收电路原理图 图16 接收部分电路图接收解码电路采用编解码芯片组PT2262/2272中的解码芯片PT2272。该芯片内部有地址解码、振荡和系统定时、数据检测、同步检测、控制逻辑、译码逻辑电路。PT2272的A0A7端（第18脚）是芯片的地址码设置端口，地址码就好比是一张身份识别的证书，只有接收端的地址码和发射端的地址码设置完全相同，输出端才有输出信号。解码芯片PT2272将数据输入端接收到的信号，经内部电路解码辨识确认。如果所接收到的信号地址码与本机地址编码相同，D0D3输出与无线电发射系统所发射的相对应的开关信息促使受控电路动作。否则，解码芯片不解码，受控电路保持原有的工作状态不变。这里我们用的是PT2272-L4锁存芯片，它具有数据锁存功能，如当按下发射系统中的K1时，将带有地址信息和开关信息的编码脉冲经发射电路发射，当接收系统中PT2272解码电路检测到地址信息与发射端的地址信息相同时，经解码，从而驱动发光二极管D1点亮，在没有按下其它键的时候，D1一直保持原状态，直到有其它键按下，D1方才熄灭，相应的发光二极管点亮。3.4 电路调试过程中的收获与调试结果在电路调试过程中，有很多感受，明白了要调试好电路，就要有足够的耐心和细心，往往一个硬件电路的调试花去的时间是整个设计过程中的大部分。（1）、调试电路过程中，要注意，断电插拔元器件，不妨说就像本次的设计过程中，由于我的疏忽大意，错手就将电源的正负极加反，瞬间就发现BISS0001发烫，再想挽救就已经太晚了！所以，一定要注意，断电插拔元器件。（2）、调节信号的时候，要选择合适的仪器去测量，否则，有可能你就会怀疑自己的思路以及设计的电路的正确性，从而导致自己的失败。这点就本次的设计来说不是很明显，但是这其中也出现了高频数字滤波器与低频滤波器两种机型的仪器在测量同一信号差异很大。（3）、在焊接元器件的时候一点要认清楚，不要将不是该器件的元器件插上，导致最后结果调试中出现令人头疼的问题。另外，就是焊接板件的时候一点要杜绝虚焊，虚焊是电路调试过程中最大的敌人，往往一个虚焊点可以使你花去大半天甚至一天时间去调试，所以焊接的时候一定要小心。调试过程中出现的问题如虚焊、电压加反、器件接错等，在经过大量的时间调试与检测后，达到了设计的要求，传输距离能够达到15M以上。可分别手动和自动两种模式触发，将信号送入发射机中，再由接收机上的发光二极管指示目前信号所处的位置以及状态。不仅如此，还可以对瞬时触发的信号用二极管亮灭指示，实时反映信号的有无。4 本设计的特点及性能指标4.1模块化在本设计中发射和接收部分使用的是PT2262和PT2272-L4集成化模块，模块化的设计是整个电路设计中的一个很重要的思想，它使整个安装调试过程变得方便，电路简洁，可靠性好，稳定性高，并且效缩短设计时间。4.2系统的优势(1)、 发射系统中电源开关的设计，使得只有在按下按键开关或拨码开关时发射系统才上电，指令键松开时发射系统掉电，大大降低了发射系统的功耗，延长了电池的使用寿命。(2)、 采用专用编码、解码集成电路，避免了不同频率之间的相互干扰问题，使干扰对系统的影响降低到最小。 (3)、 采用的红外感应管价格便宜，易于搭建电路，且它在本系统的应用非常的稳定，信号的感应强度、灵敏度都很好，所以我们采用此种材料。4.3性能指标工作电压：3V9V（发射机），5V（接收机）发射功率：20mw控制距离：室内不小于10米 开阔地不小于50M工作频率：315MHZ振荡电阻：4.7M（发射机）， 820K（接收机） 按键数据位：A:10 B:11 C:12 D:13红外感应感应的瞬时电压为：3.2v4.8v当接收到时PT2272的1013脚输出5V左右的高电平，驱动电流约2mA。结论经过调试，本设计完成了设计初的任务要求，可以对四路异常信号做出提示，并且利用红外感应获得信号，用BISS0001芯片对获得的信号进行调理，对系统设置延迟、封锁等功能，然后用集成的PT2262和PT2272-L4芯片对信号进行无线传输。系统对于信号的采集达到了设计之初的目的、要求指标、要求的无线传输距离。在经过与软件部分的功能结合调试，功能完全正常，而且传输的距离上也没有出现问题。另外，本系统在设计的时候，主要考虑的是集成化的器件，在无形中增强了系统的稳定性和可靠性。参考文献1 何书森，实用遥控电路原理与设计速成M，福州，福建科学技术出版社，20022 陈永甫，无线电遥控入门M，北京，人民邮电出版社，2007 3 王俊峰， 薛鸿德，现代遥控技术及应用M，北京，人民邮电出版社，20054 沈伟慈，通信电路M，西安，西安电子科技大学出版社，20065 江晓安，董秀峰，模拟电子技术M，西安：西安电子科技大学出版社，20046 江晓安，董秀峰，杨颂华，数字电子技术M，西安，西安电子科技大学出版社，20047 张卫钢，通信原理与通信技术M，西安，西安电子科技大学出版社，20068 王兴亮，数字通信原理与技术M，西安，西安电子科技大学出版社，2004附 录附表1. PT2262/PT2272电气参数参 数 名 称 符 号条 件最小值典型值最大值极 限 值单 位工 作 电 压VDD315-0.3 +16V工 作 电 流IDDVDD=12V