传感器与测试技术课程设计 样本.doc

传感器具与测试技术传感器具与测试技术 课程设计课程设计 设计题目设计题目 简易振动传感器的设计简易振动传感器的设计 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 专专 业业 摘要摘要 在高度发展的现代工业中 现代测试技术向数字化 信息化方向发展已成 必然发展趋势 而测试系统的最前端是传感器 它是整个测试系统的灵魂 被 世界各国列为尖端技术 特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术 为传感器的发展提供了良好与 可靠的科学 技术基础 使传感器的发展日新月益 且数字化 多功能与智能化是现代传感 器发展的重 要特征 振动传感器在测 试技术中是关键部件之一 它的作用主要是将机械量 接收下来 并转换为与之 成比例的电量 由于它也 是一种机电转换装置 所 以我们有时也称它为换能 器 拾振器等 关键字 关键字 振动 传感器 惯性式 目 录 引 言 1 1 设计意义及报告要求 2 1 1 课题现状 2 1 2 研究意义 2 1 3 设计要求 3 1 4 设计结构 3 2 相关基础理论和基础知识概述 4 2 1 震动传感器相关概述 4 2 1 1 振动传感器的工作原理 4 2 1 2 无线射频收发模块简介 5 2 2 主要元器件介绍 8 2 2 1 STC89C51 单片机 8 2 2 2 编码解码芯片 PT2262 PT2272 11 2 2 3 SC 1 振动传感器 15 3 系统设计及选型 16 3 1 系统设计 16 3 2 元器件的选型 17 3 2 1 单片机的选择 17 3 2 2 振动传感器的选择 17 3 2 3 编码解码芯片的选择 18 3 3 方案选择 18 4 硬件电路设计及其实现 19 4 1 单片机模块 19 4 2 振动信号检测模块 21 4 3 声光报警模块 22 4 4 无线通信模块 23 4 4 1 无线发射模块 23 4 4 2 无线接收模块 24 4 5 继电器输出控制模块 25 8 总结 38 谢 辞 39 参考文献 40 引言引言 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 这点就是看到了大 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 报警器这时正为人们解决了不少问题 但是市场上的报警器大部分都是用于一些 大公司财政机构 价格高昂 一般人们难以接受 如果再设计和生产一种价廉 性能 灵敏可靠的防盗报警器 必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用 由于 无线传输技术具有很强的隐蔽性和保密性 因此在防盗 警戒等安保装置中得到了广 泛的应用 此外 在电子防盗 人体探测等领域中 无线防盗报警器也以其价格低廉 技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎 本文设计的摩托车防盗报警系统采用 MCS 51 系列单片机 STC89C51 作为核心控 制元件 STC89C51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4K Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 器件采用 宏晶公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令系统及 80C51 引 脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功能强大的微型计 算机 STC89C51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案 1 课题的现状及研究意义 1 1 课题现状 摩托车防盗器产品是与我国民用摩托车工业同步发展壮大起来的 至今已经有二 十多年的历史 在其发展历程中 曾经为用户们做出了很大的贡献 成为了摩托车的 忠实守护神 但是 长期以来 相对于其他电子技术产品的发展 摩托车电子防盗器 的发展显得相对滞后 一直都是 老面孔 其缺点也逐渐的暴露出来 越来越难以 真正发挥其防盗作用 我们常见的防盗产品的核心防盗功能主要集中在阻吓和锁车上 对于摩托车来说 传统意义上的防盗措施在实施过程中有着相对较大的困难 较难以实现真正意义上的 有效防盗 传统的防盗器绝大多采用震动传感器感知车体是否受到侵害 这类型的传感器的 抗干扰能力十分有限 容易因为非侵害车体的外界震动 如雷电 风雨 鞭炮或其他 车辆行驶干扰等均能诱发报警导致误报 误报成了传统防盗器无法逾越的障碍 由于 误报频发 用户乃至公众已经难以分辨什么是真实报警 什么是误报了 同时频发的 误报警报音已经成为了一种令公众厌恶的噪音 同时也让防盗器持有者处于一种尴尬 的地步 某些地方甚至出现过 非盗窃行为破坏防盗装置的事件 就是公众厌恶噪声 的实例 诸多不利因素 造成以阻吓为防盗核心手段的传统防盗器已经难以发挥真正 意义上的防盗功效 1 2 研究意义 遥控式汽车防盗器是随着电子技术的进步而发展起来的 是市场上推广普及最为 广泛的一种 它的特点是遥控控制防盗器的全部功能 可靠方便 可带振动 本课题 采用 STC89C51 单片机作为主控制器 采用 SC 1 型全向震动传感器作为检测元件 当 SC 1 震动传感器检测到较大振动信号时 能够从第三脚输出直流电压信号 经过放大 接入单片机 I O 端口 单片机检测到 SC 1 有信号输出时 立即通过 I O 口发出相应的 信号驱动扬声器发出报警信号 在发出报警声响的同时 熄火继电器常闭触点断开发 动机的起动电源 使发动机无法起动 防止了盗贼不顾报警声响而把车辆发动起来盗 走 到防盗报警的目的 利用 PT2262 无线编码电路作为遥控器来启动和关闭防盗报 警系统 1 3 设计要求 本课题采用 STC89C51 单片机作为主控制器 利用 PT2262 无线发射模块作为遥控 开关来启动和关闭防盗报警系统 遥控器亦可让报警器直接报警 以告知车主车辆所 在 采用 SC 1 型全向震动传感器作为检测元件 当 SC 1 震动传感器检测到较大振动 信号时 能够从第三脚输出直流电压信号 经过放大接入单片机 I O 端口 单片机检 测到 SC 1 有信号输出时 立即通过 I O 口发出相应的信号驱动扬声器发出报警信号 在发出报警声响的同时 熄火继电器常闭触点断开发动机的起动电源 使发动机无法 起动 防止了盗贼不顾报警声响而把车辆发动起来盗走 到防盗报警的目的 完整的设计任务要求完成如下主要功能 1 自动警戒 2 具有声光报警装置 3 引擎锁定 4 可调节灵敏度 1 4 设计结构 在设计的第二部分 将介绍关于本设计课题的相关基本理论和基础知识 着重在 于介绍 STC89C51 单片机相关理论知识 PT2262 PT2272 专用编码解码芯片的原理 SC 1 震动传感器的主要特性及引脚功能等 在这一部分 还将介绍 315M 无线射频收 发技术的相关理论知识 在设计第三部分将着重介绍系统总体设计思想 包括硬件选 择和实现的方法 在第四部分将详细介绍硬件电路的设计 元器件参数的确定 主要 讲述 STC89C51 单片机及其最小系统和各个模块的实现以及和单片机的连接方式 第 五部分介绍软件编程的总体设计思想 各个模块的流程图 第六部分将介绍硬件电路 制作过程中印刷电路板的相关知识和注意事项 最后部分为整个设计过程的总结 2 相关基础理论和基础知识概述 2 1 震动传感器相关概述 2 1 1 振动传感器的工作原理 在高度发展的现代工业中 现代测试技术向数字化 信息化方向发展已成必然趋 势 而测试系统的最前端是传感器 它是整个测试系统的灵魂 被世界各国列为尖端 技术 特别是近几年快速发展的 IC 技术和计算机技术 为传感器的发展提供了良好与 可靠的科学技术基础 使传感器的发展日新月益 且数字化 多功能与智能化是现代 传感器发展的重要特征 振动传感器是将振动信号 加速度 速度及位移 转换成电信号的装置 振动传 感器在测试技术中是关键部件之一 它的作用主要是将机械量接收下来 并转换为与 之成比例的电量 由于它也是一种机电转换装置 所以我们有时也称它为换能器 拾 振器等 振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量 而是将原始要测的 机械量做为振动传感器的输入量M 然后由机械接收部分加以接收 形成另一个适合 于变换的机械量N 最后由机电变换部分再将N变换为电量E 因此一个传感器的工作 性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的 振动传感器工作原理如下图所示 图 2 1 振动传感器的工作原理 在工程振动测试领域中 测试手段与方法多种多样 但是按各种参数的测量方法 及测量过程的物理性质来分 可以分成三类 1 机械式的测量方法 将工程振动的参量转换成机械信号 再经机械系统放大后 进行测量 记录 常 用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪 它能测量的频率较低 精度也较差 但在 现场测试时较为简单方便 2 光学式的测量方法 将工程振动的参量转换为光学信号 经光学系统放大后显示和记录 如读数显微 镜和激光测振仪等 3 电测方法 将工程振动的参量转换成电信号 经电子线路放大后显示和记录 电测法的要点 在于先将机械振动量转换为电量 电动势 电荷 及其它电量 然后再对电量进行测 量 从而得到所要测量的机械量 这是目前应用得最广泛的测量方法 常用振动传感器有以下几种 1 压电片谐振式 使用压电片接收振动信号 压电片的谐振频率较高 为了降低谐 振频率 使用加大压电片振动体的质量来实现 并使用弹簧球代替附加物 降低两谐 振频率 增强了振动效果 其优点是灵敏度较高 结构简单 但是需要信号放大后送 到 TTL 电路或者单片机电路中 不过使用一个三极管单级放大即可 2 机械振动式 传统的振动检测方式 受到振动以后 弹簧球在较长的时间内进行 减幅振动 这种振动便于被检测电路检测到 振动输出开关信号 输出阻抗与配合输 出的电阻阻值所决定 根据检测电路的输入阻抗 可以做成高阻抗输出方式 3 微型振动传感器 将机械式振动传感器微型化 将振动体碳化并进行密封处理 其工作性能更可靠 输出开关信号直接与 TTL 电路和或者单片机输入电路相连接 电 路结构简单 输出阻抗高 静态工作电流小 2 1 2 无线射频收发模块简介 1 发射模块 无线数据传输广泛地运用在车辆监控 遥控 遥测 小型无线网络 无线抄表 门禁系统 小区传呼 工业数据采集系统 无线标签 身份识别 非接触 RF 智能卡 小型无线数据终端 安全防火系统 无线遥控系统 生物信号采集 水文气象监控 机器人控制 无线 232 数据通信 无线 485 422 数据通信 数字音频 数字图像传输等 领域中 发射模块原理如图所示 工作频率为 315M 发射模块采用声表谐振器稳频 频率 稳定度极高 当环境温度在 25 85 度之间变化时 频飘仅为 3ppm 度 SMT 树脂 封装 频率一致性较好 免调试 特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统 采用 声表面波 SAW315M 谐振器作为频率源器件的高 Q 值 高频稳度的无线遥控发射 和接收电路 解决了传统的 LC 振荡电路频稳度差及频率漂移较大的问题 而一般 LC 振荡器频率稳定度及一致性较差 即使采用高品质微调电容 误差变化及振动也很难 保证已调好的频点不会发生偏移 具有较宽的工作电压范围及低功耗特性 当发射电 压为 3V 时 发射电流约为 2mA 发射功率较小 12V 为最佳工作电压 具有较好的 发射效果 发射电流约为 5 8mA 大于 12V 时直流功耗增大 有效发射功率不再明 显提高 发射模块采用 AM 方式调制以降低功耗 数据信号停止发射时发射电流降为 零 数据信号与发射模块之间采用电阻而不能采用电容耦合 否则发射模块将不能正 常工作 数据信号电平应接近发射模块的实际工作电压以获得较高的调制效果 发射 模块对过宽的调制信号易出现调制效率下降 收发距离变近的现象 当脉冲高电平宽 度在 0 08 1ms 时发射效果较好 大于 1ms 时效率开始下降 当脉冲低电平宽度大于 10ms 时 接收到的数据第一位极易被干扰 即零电平干扰 而引起不解码 图 2 2 315M 无线发射原理图 发射模块天线长度可在 0 250mm 之间调节 也可无天线发射 但发射效率下降 图 2 2 为改进型 体积更小 内含隔离调制电路以消除输入信号对射频电路的影响 信号直接耦合 性能更加稳定 发射模块应垂直安装在抑制板边部 并应离开周围器 件 5mm 以上 以免受分布参数影响而停振 发射模块发射距离与调制信号频率及幅度 发射电压及电流容量 发射天线 接收机灵敏度及收发环境有关 发射模块采用 PT2262 编码器加 240mm 小拉杆天线发射时 在开阔区最大发射距离约 250m 在障碍 区相对要近 由于折射反射会形成一些死区及不稳定区域 不同的收发环境会有不同 的收发距离 如需要远的可靠距离 可在发射模块的输出端增加一级射频功率放大器 2 接收模块 接收模块可使用超再生电路或超外差电路 超再生电路成本低 功耗小可达 100uA 左右 调整良好的超再生电路灵敏度和一级高放 一级振荡 一级混频以及两 级中放的超外差接收机差不多 然而 超再生电路的工作稳定性比较差 选择性差 从而降低了抗干扰能力 下图为典型的超再生接收电路 图 2 3 超再生接收电路原理图 接收模块由接收天线 输人选频回路 高频放大 超再升电路 脉冲信号放大整 形电路组成 其功能是将遥控器发出的高频载波信号进行选频 放大 解调 输出符 合解码电路要求的脉宽数据信号 接收模块接收频率为 315MHz 并具有较好的频宽 及温度补偿特性 可与一般精度的声表谐振器稳频的发射机及 LC 发射机配套使用而不 需要调整接收频率 较宽的工作温度范围可适应各种工作环境 接收模块对电源要求 不太苛刻 可以使用开关电源 并具有较宽的工作电压范围及低功耗特性 2V 时只消 耗约 2mA 电流 3V 消耗约 2 5mA 电流 但 5V 以下供电接收灵敏度要下降 3 5dBm 5V 供电可处于最佳接收灵敏度状态 电路工作原理如下 ANT 为 24CM 的软导线 由遥控器发出的高频信号经 ANT 感应拾取 经 L1 C2 并联谐振选频后 通过 C3 耦合到高频放大级 经 Q1 放大后的 高频载波信号 经 C6 耦合到超再升电路 在超再升接收电路中 Q2 能完成对载波信号的放大 选频以及从高频载波信号中 分离出调制信号 解调 等多重任务 Q2 工作在振荡状态 其接收频率主要由 C7 L2 的参数决定 调整 C7 可以在一定范围内改变接收头的接收频率 解调后的低频脉宽数据信号经 L3 C10 组成的倒 L 型低通滤波器滤除高频杂 波后 送人整形放大电路 放大整形电路由 LM358 内部的两个运放组成的两级不同增 益的放大器来完成 U1A 组成增益电压放大器 U1B 组成低增益隔离放大器 通过两 级运放的互补作用 即保证来自前级的低频脉宽数据信号有较高的放大增益 又兼顾 放大后输出的脉宽信号有很好的电流特性 波形好 两级放大器之间采用直接耦合 最终从 LM358 的 1 脚输出幅度和波形符合解码处 理电路要求的低频脉宽数据信号 2 2 主要元器件介绍 2 2 1 STC89C51 单片机 本系统中选用 MCS 51 单片机 它是在一块芯片中集成了 CPU RAM ROM 定时器 计数器和多种功能的 I O 线等一台计算机所需要的基本功能部件 MCS 51 单 片机与其的前一代产品 MCS 48 单片机相比 结构更先进 功能更强 在 MCS 48 的 基础上增加了更多的电路单元和指令 指令数达 111 条 MCS 51 系列单片机主要有 8031 8051 和 8751 类型产品 这里选用的是与这三种系列类型的单片机功能都是差不 多的 STC89C51 主要性能参数 与MCS 51产品指令系统完全兼容 4k字节在系统编程 ISP Flash闪速存储器 1000次擦写周期 4 0 5 5V的工作电压范围 全静态工作模式 0Hz 33MHz 三级程序加密锁 128 8字节内部RAM 32个可编程I O口线 2个16位定时 计数器 6个中断源 全双工串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模唤醒系统 看门狗 WDT 及双数据指针 掉电标识和快速编程特性 灵活的在系统编程 ISP字节或页写模式 图 2 4 STC89C51 单片机引脚图 功能特性概述 STC89C51 提供以下标准功能 4K 字节Flash 闪速存储器 128字节内部 RAM 32个I O 口线 看门狗 WDT 两个数据指针 两个16 位定时 计数器 一个5 向量两级中断结构 一个全双工串行通信口 片内振荡器及时钟电路 同时 STC89C51可降至0Hz的静态逻辑操作 并支持两种软件可选的节电工作模式 空闲方 式停止CPU的工作 但允许RAM 定时 计数器 串行通信口及中断系统继续工作 掉 电方式保存RAM 中的内容 但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬 件复位 引脚功能说明 见图2 4 Vcc 电源电压 GND 地 P0口 P0口是一组8位漏极开路型双向I O口 也即地址 数据总线复用口 作为输 出口用时 每位能驱动8个TTL逻辑门电路 对端口写 l 可作为高阻抗输入端用 在 访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低8位 和数据总线复 用 在访问期间激活内部上拉电阻 在F1ash编程时 P0口接收指令字节 而在程序校 验时 输出指令字节 校验时 要求外接上拉电阻 P1口 Pl 是一个带内部上拉电阻的8位双向I O口 Pl的输出缓冲级可驱动 吸收或 输出电流 4个TTL逻辑门电路 对端口写 l 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电 平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信 号拉低时会输出一个电流 IIL Flash编程和程序校验期间 Pl接收低8位地址 表2 1 P3口第二功能 端口引脚第二功能 P1 5MOSI 用于ISP编程 P1 6MISO 用于ISP编程 P1 7SCK 用于ISP编程 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 INTO 外中断0 P3 3 INT1 外中断1 P3 4T0 定时 计数器0外部输入 P3 5T1 定时 计数器1外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 P2 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个TTL逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端 口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 在访问外部程序存储器或16位地址的外 部数据存储器时 P2口送出高8位地址数据 在访问8 位地址的外部数据存储器时 P2 口线上的内容 也即特殊功能寄存器 SFR 区中P2寄存器的内容 在整个访问期 间不改变 Flash编程或校验时 P2亦接收高位地址和其它控制信号 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I O 口 P3 口输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个TTL逻辑门电路 对P3口写入 l 时 它们被内部上拉电阻 拉高并可作为输入端口 作输入端时 被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流 IIL P3口除了作为一般的I O口线外 更重要的用途是它的第二功能 如表2 1所 示 P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片 机复位 WDT 溢出将使该引脚输出高电平 设置SFR AUXR的DISRT0 位 地址 8EH 可打开或关闭该功能 DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出 脉冲用于锁存地址的低8位字节 即使不访问外部存储器 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出固定的正脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲 对F1ash存储器编程期间 该引脚还 用于输入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的D0 位置位 可禁止ALE 操作 该位置位后 只有一条M0VX和M0VC指 令ALE才会被激活 此外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE无效 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当AT89S51 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次PSEN有效 即输出两个脉 冲 当访问外部数据存储器 没有两次有效的PSEN信号 EA VPP 外部访问允许 欲使CPU仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位LB1被编 程 复位时内部会锁存EA端状态 如EA端为高电平 接Vcc端 CPU则执行内部程 序存储器中的指令 F1ash存储器编程时 该引脚加上 12V的编程电压Vpp XTALl 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 中断寄存器 各中断允许控制位于IE寄存器 5个中断源的中断优先级控制位于IP寄 存器 2 2 2 编码解码芯片 PT2262 PT2272 PT2262 2272是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路 PT2262 2272 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 可用于无线遥控发射电路 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 PT2272的17脚 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 当发射机没有按键按下时 PT2262不接通电源 其17脚为低 电平 所以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脚输出经调制的串行数据信号 当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并 发射等幅高频信号 当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡 所以高频发 射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号 从而对高频电路完成幅度键控 ASK调制 相当于调制度为100 的调幅 PT2262 PT2272特点 CMOS工艺制造 低功耗 外部元器件少 RC振荡电阻 工作电压范围宽 2 6 15V 数据最多可达6位 地址码最多可达531441种 PT2262无线数据模块具有较宽的工作电压范围3 12V 当电压变化时发射频率基 本不变 和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收 当发射电压为3V时 空旷地传输距离约20 50米 发射功率较小 当电压5V时约100 200米 当电压9V时 约300 500米 当发射电压为12V时 为最佳工作电压 具有较好的发射效果 发射电 流约60毫安 空旷地传输距离700 800米 发射功率约500毫瓦 当电压大于l2V时功 耗增大 有效发射功率不再明显提高 因为无线电信号传输时收很多因素的影响 所 以一般实用距离只有标称距离的20 甚至更少 图 2 5 PT2262 引脚图 表 2 2 PT2262 管脚功能 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 图 2 6 PT2272 引脚图 表 2 3 P2272 管脚功能 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 必须与 PT2262 一致 否则不解码 D0 D57 8 10 13 地址或数据管脚 当作为数据管脚时 只有在地址码与 PT2262 一致 数据管脚才能输出与 PT2262 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 Dout17解码有效确认 输出端 常低 解码有效变成高电平 瞬态 地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示 两个窄脉冲表示 0 两个宽脉冲 表示 1 一个窄脉冲和一个宽脉冲表示 F 也就是地址码的 悬空 PT2262 每次发 射时至少发射 4 组字码 而 PT2272 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 第一组地址码加数据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 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才改变 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 PT2262 2272 芯片的地址编码设定和修改 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 至于设置什么样的地址码完全随设计者喜欢 在通常使用中 我们 一般采用 8 位地址码和 4 位数据码 这时编码电路 PT2262 和解码电路 PT2272 的第 1 8 脚为地址设定脚 有三种状态可供选择 悬空 接正电源 接地三种状态 3 的 8 次方为 6561 所以地址编码不重复度为 6561 组 只有发射端 PT2262 和接收端 PT2272 的地址编码完全相同 才能配对使用 振荡电阻 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 距离会变近甚至无法接收 在具体的应用中 外接振荡电阻可根据需要进行适当的调 节 阻值越大振荡频率越慢 编码的宽度越大 发码一帧的时间越长 目前市场上大 部分产品都是用 PT2262 1 2M PT2272 200K 组合 少量产品用 PT2262 4 7M PT2272 820K 2 2 3 SC 1 振动传感器 SC 1 振动位移传感器 是一种集振动和位移测于一身的全方位固态控制器件 是 目前作为报警和状态检测的最佳选择 传感部分采用目前最先进固态加速度检测器件 既对振动有很高的检测灵敏度 又对周围环境的声音信号抑制 具有很强的搞干扰能 力 可广泛应用于机动车 保险柜 库房门窗等场合的防盗装置中 器件的内部均含有 专用的控制芯片 应用非常方便 可直接带动小功率负载 用一只三极管进行电流放 大后 即可驱动继电器或报警器 由于 SC 1 器件工作在固态检测方式 故不存在机械疲劳 灵敏度降低 误触发和 受环境湿度温度影响等不良现象 具有很好的一致性 SC 1 的引脚功能 内部示意图 外形及引脚见图 2 7 脚距 2 54mm 它内含振 动和位移传感元件 灵敏度限制电路 检测控制电路 延时电路和输出级等 内设的 定时控制电路 具有报警一段时间后会自动复位的功能 当器件检测到振动信号时 输出端能够输出直流电压信号 经外部元件将电流放大后 即可驱动报警器报警 一 段时间后自动复位 即输出端为低电平 引脚功能 1 地 2 灵敏度设定 3 输出 4 延时设定 5 电源 图 2 7 SC 1 的技术指标及参数 由于 SC 1 振动位移传感器内部集成度很高 所以外围电路相当简单 图 2 8 是 SC 1 振动位移传感器典型接法 SC 1 振动传感器 4 脚外接延时控制电容 取值越大 延时就越长 反之则延时就越短 一般取值为 0 1 F 10 F 之间 2 脚是外接灵敏度设 定电阻 一般取值在 51K 100K 之间 阻值越大 灵敏度就越高 此电阻可以不接 这 时 SC 1 灵敏度最高 当晃动或振动 敲击 SC 1 时 3 脚输出由低电平转为高电平 延时过后自动由高电平转为低电平 图 2 8 SC 1 振动传感器典型接法 3 系统设计及选型 3 1 系统设计 摩托车防盗报警器是一种安装在车上 用来增加盗车难度 延长盗车时间的装置 随着科学技术的进步 为对付不断升级的盗车手段 人们研制出各种不同结构的防盗 器 目前防盗器按其结构可分两大类 机械式 电子式 钩锁 方向盘锁和变速挡锁 等基本属于机械式防盗器 它主要是靠锁定离合 制动 油门或方向盘 变速挡来达 到防盗的目的 但只防盗不报警 插片式 按键式和遥控式等都属于电子式防盗器 它主要是靠锁定点火或起动来达到防盗的目的 同时具有防盗和声音报警功能 遥控 式防盗报警系统因具有良好的实时性 准确性和可靠性以及多功能等特点 是目前作为 摩托车防盗器的最佳选择 3 2 元器件的选型 3 2 1 单片机的选择 STC89 系列单片机的核心是 8031 在软件和硬件方面与 MCS 51 系列完全兼容 STC89 系列的指令与有关定义和 MCS 51 完全相同 MCS 51 系列单片机应用系统编写 的程序可以直接使用 STC89 系列的引脚排列 定义与 MCS 51 完全一致 可以直接 替换 由于该单片机内部有 FlashROM 所以编写的程序烧录方便 易于擦除 可反复 使用 非常方便用于对程序进行修改 缩短研制周期 降低了研制成本 STC89C51是8031的升级产品 性能上较8031有很大提升 在价格上却与8031差不 多 甚至更低 STC89C51显著的特点是加入了在系统编程 ISP 功能 不再依靠专 用的编程工具 改写单片机存储器内的程序再也不需要把芯片从电路板上拆下 基于性价比 低功耗及设计实现上考虑 本课题选用STC89C51单片机作为防盗系 统的主控芯片 3 2 2 振动传感器的选择 为了能够提取足够的信息 实现对监测目标的准确判断 选择传感器应遵循一些 基本原则 合理选择传感器并加以优化组合 以实现系统高精度 低成本的需求 选 用不同种类 不同功能的传感器 发挥各个传感器的优势 降低虚报 漏报的可能性 提高系统的可靠性 传统的机械式振动传感器 如压电式振动传感器或水银开关在一些温度范围内线 性不好 响应时间长 而且输出的是微弱的模拟信号 需要外加复杂的放大电路才能 驱动报警器 随着电子技术的发展和进步 数字传感器将取代传统的机械式振动传感 器 与传统的机械式振动传感器相比 SC 1 全向震动传感器既对振动有很高的检测灵 敏度 又对周围环境的声音信号抑制 具有很强的搞干扰能力 由于 SC 1 器件工作在 固态检测方式 故不存在机械疲劳 灵敏度降低 误触发和受环境湿度温度影响等不 良现象 具有很好的一致性 器件内部集成度很高 外围电路相当简单 实际尺寸小 使用方便 与单片机的连接简单等优点 基于以上的分析 选用 SC 1 全向震动传感器 构成防盗系统的监测模块 3 2 3 编码解码芯片的选择 与其他编码解码芯片相比 专用无线编码解码芯片PT2262 PT2272是一种CMOS工艺 制造的低功耗 低价位通用编解码芯片 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 最大限制 地使地址码不重复 不需要通过软件来设置 可以与单片机直接连接 是无线遥控电 路的最佳选择 3 3 方案选择 方案一 以防盗检测电路压电式振动传感器为核心 以使用最为普遍的继电器 二极管为 控制电路 能在盗车贼打开车锁或搬动摩托车时 发出报警信号 同时切断点火系统 的供电电源 此方案简单易行 器件的价格便宜 但这类型的传感器的抗干扰能力十分有 限 容易因为非侵害车体的外界震动 如雷电 风雨 鞭炮或其他车辆行驶干扰等均 能诱发报警导致误报 误报成了传统防盗器无法逾越的障碍 由于误报频发 用户乃 至公众已经难以分辨什么是真实报警什么是误报了 同时频发的误报警报音已经成为 了一种令公众厌恶的噪音 方案二 以采用MCS 51系列单片机作为核心控制元件 感应检测电路采用高灵敏度的SC 1 全向震动传感器为核心器件 遥控电路以专用编码芯片PT2262为核心 由无线接收 数据解码 报警电路和电源电路组成 无线接收模块的接收频率为315MHz 数据解码 采用市面上用得较多的PT2272专用解码芯片 遥控电路集成了整个系统的全部功能 数据处理的任务由单片机完成 可靠性及稳定性较好 且电路简单 容易实现 耗电 省 使用方便 方案确定 通过对方案一和方案二的比较得知 二者都可以实现防盗报警功能 方案一虽然 简单易行 器件的价格便宜 但是干扰能力十分有限 电路集成度不高 方法落后 而且具有很大的局限性 方案二电路简单 所用元器件少 集成度高 PCB布线容易 实现 而且具有体积小 耗电省 使用方便等优点 是一种理想的摩托车安装防护装 置 且无线通信代表了当今技术高速化 智能化 信息化 网络化的发展发向 所以 本课题的设计选择了方案二 4 硬件电路设计及其实现 如图 4 1 所示为本课题的系统方案图 图 4 1 系统总体框图 整个系统以控制芯片 STC9851 单片机和无线接收模块 PT2272 为核心部件 其中 PT2272 用来接收由无线发射模块 PT2262 发送的数据 接收到数据时 PT2272 相应的 数据端置位 STC89C51 根据 PT2272 数据端的不同输出使整个系统处不同状态 在远 程控制端以无线传输模块 PT2262 为核心部件 可实现启动防盗 解除防盗 直接报警 等功能 当报警器处于警戒状态时 STC89C51 对振动传感器输出数据的采集 同时通 过 I O 对声光报警电路和摩托车电子点火系统的电源进行控制 4 1 单片机模块 主要用 STC89C51 单片机最小系统板 单片机及其外围电路见图 4 2 由 5V 电源 给单片机供电 该芯片的 P3 0 P3 4 用作无线接收模块的输入端口 由于 PT2272 输出 的是高电平 所以在程序初始化后 P3 0 P3 4 为均低电平 其他端口的作用为 P1 0 作为 SC 1 振动传感器数字量的输入端口 高电平有效 P2 0 灯光报警模块的控制端口 高电平有效 P2 1 声音报警电路的控制端口 低电平有效 P2 2 作为摩托车电子点火系统电源控制端口 高电平有效 P3 0 和 P3 1 是 STC89C51 的串口 实现上电复位程序下载 图 4 2 STC89C51 单片机及其最小系统 晶体振荡器特性 STC89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器 引脚XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶 体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器 外接石英晶体 或陶瓷谐振器 及电容Cl C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路 对外接电容Cl C2 虽然没有十分严格的 要求 但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低 振荡器工作的稳定性 起振的 难易程序及温度稳定性 如果使用石英晶体 我们推荐电容使用30pF 10pF 而如使用 陶瓷谐振器建议选择40pF 10pF 用户也可以采用外部时钟 这里我使用的是30pF电容 12MHz的晶体振荡器 此外 在调试程序的过程中 STC89C51 需要通过串口进行加载程序 与 PC 机的 通信需要 MAX232 电平转换电路 在加载程序前先将 STC89C51 的 P1 0 和 P1 1 接地 通过 P3 0 RXD P3 1 TXD 向单片机加载程序 其原理图如 4 3 所示 图 4 3 MAX232 电平转换电路 4 2 振动信号检测模块 通过反复试验得出 SC 1 振动传感器 4 脚外接 1 F 的延时控制电容比较合适 这时 输出延时时间约为 2S 2 脚接外接灵敏度设定 电阻取值在 51K 100K 之间 阻值越 大 灵敏度就越高 此电阻可以不接 这时 SC 1 灵敏度最高 本课题设计时 2 脚接阻 值为 1M 的精密滑动变阻器 可对 SC 1 振动传感器的灵敏度进行微调 当 2 脚悬空 时输出电压在 0 0V 1 6V 之间 3 脚为 SC 1 振动传感器输出端 静态时输出电压为 0 在 5V 的工作电压下 当检测到有振动信号时输出电压为 3 78V 工作电压为 12V 时 输出电压为 10 6V 输出端经 NPN 型三极管 S8050 将电流放大后与单片机的 P1 0 连接 由于 STC89C51 单片几的工作电压是 5V 所以本次设计采用 5V 直流电作为 SC 1 振动传感器的工作电压 SC 1 是利用加速度检测器件制成的振动传感器 能够对 车体特殊频段的振动进行监测 在车体被外力破坏的情况可以产生警报 其原理图如 4 4 所示 图 4 4 振动检测电路 4 3 声光报警模块 声光报警模块接收中央处理模块的指令 利用声音 闪光进行报警 电路是由 LED 和蜂鸣器组成 分别和单片机的 P2 0 和 P2 1 相连 P2 0 外接一个 470 上拉电阻 高电平时点亮 LED 采用小功率的 PNP 管 9015 作为蜂鸣器的驱动电路 蜂鸣器个工 作电压为 5V 当 P2 1 为低电平时 9015 导通 驱动蜂鸣器发出声音 也可以在 9015 的 基极接一个限流电阻 这样蜂可调节鸣器音量大小 图 4 5 声光报警电路 4 4 无线通信模块 4 4 1 无线发射模块 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 当发射电路没有按键按下时 PT2262不接通电源 其17脚为低电平 所以高频发射 电路不工作 当有按键按下时 PT2262得电工作 第17脚输出经调制的串行数据信号 当17脚为高电平期间高频发射电路起振并发射等幅高频信号 当17脚为低电平期间高 频发射电路停止振荡 所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号 从而对高频电路完成幅度键控 ASK调制 相当于调制度为100 的调幅 PT2262 PT2272最多有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 可用于无线遥控发射电路 本课题设计时只使用 PT2262 PT2272的8位 A0 A8 三态地址端管脚均是悬空 数据脚为D0 D3 面板上 有A B C D四位操纵按键及一个发射指示灯 因为要满足远距离遥控 所以发射模 块的发射功率比较大 当然发射电流也比普通的遥控模块大许多 常见的200米遥控模 块的发射电流一般在10毫安左右 图4 6 无线遥控电路 无线遥控器的主要功能如下 防盗启动 按键A D0 按下时 报警响一声 LED灯同时闪一下 三秒后进 入防盗报警状态 若检测到有振动信号 则报警连续响五秒 ED灯同时闪五下 五 秒内再检测到有振动信号则报警响十五秒 同时 ED灯闪十五下 如果一直检测到有 振动信号 则一直报警 自动停不用遥控解除 在发出报警声响的同时 熄火继电器 常闭触点断开发动机的起动电源 使发动机无法起动 防盗解除 按键B D1 按下时 报警响二下 LED灯同时闪两下 解除防盗报 警状态 相当于把报警器关掉了 这时即使有振动信号 报警器也不会报警 在摩托 运转状态下也可做遥控熄火用途 寻车求救 按键D D3 按下时 直接报警 报警声响十五下 同时灯闪十五下 用于车群中寻车时 如此操作可使喇叭和LED灯同步工作约15下 以告知车主车辆所 在 4 4 2 无线接收模块 接收机使用超再生电路或超外差电路 超再生电路成本低 功耗小 可达100uA左 右 调整良好的超再生电路灵敏度和一级高放 一级振荡 一级混频以及两级中放的 超外差接收机差不多 然而 超再生电路的工作稳定性比较差 选择性差 从而降低 了抗干扰能力 主要由接收天线 输人选频回路 高频放大 超再升电路 脉冲信号 放大整形电路组成 其功能是将遥控器发出的高频载波信号进行选频 放大 解调 输出符合解码电路要求的脉宽数据信号 接收模块采用高精度带骨架的铜芯电感将频率调整到315MHz后封固 这与采用可 调电容调整接收频率的电路相比 温度 湿度稳定性及抗机械振动性能都有极大改善 可调电容调整精度较低 只有3 4圈的调整范围 而可调电感可以做到多圈调整 可调 电容调整完毕后无法封固 因为无论导体还是绝缘体 各种介质的靠近或侵入都会使 电容的容量发生变化 进而影响接收频率 另外未经封固的可调电容在受到振动时定 片和动片之间发生位移 温度变化时热胀冷缩会使定片和动片间距离改变 湿度变化 因介质变化改变容量 长期工作在潮湿环境中还会因定片和动片的氧化改变容量 这 些都会严重影响接收频率的稳定性 而采用可调电感就可解决这些问题 因为电感可 以在调整完毕后进行封固 绝缘体封固剂不会使电感量发生变化 而且由于采用贴片 工艺 所以即使强烈震动也不必担心接收频点漂移 接收电路的接收带宽约500KHz 制作时经将中心频率调整在315MHz 超再生接收模块有七根引脚 分别为10 11 12 13 GND VT VCC 其中 VCC为5V供电端 GND为接地端 VT端为解码有效输出端 10 11 12 13是解码芯 PT2272 SC2272 集成电路的10 13脚为四位数据输出端 有信号时能输出5V左右的高 电平 驱动电流约2mA 与发射器上的四为个按键一一相对应 这里用的是M4锁存芯 片 所以数据输出不能锁存 当发射模块停止发射时 VT 10 13脚的输出均为低电 平 无线接收模块PT2272与单片机的具体连接方式为 P18 VCC P09 GND P17 VT P3 0 P10 D0 P3 1 P11 D1 P3 2 P12 D2 P3 3 P13 D3 P3 4 图 4 7 PT2272 无线解码电路 4 5 继电器输出控制模块 继电器输出控制模块主要由中功率三极管 S8050 和工作电压为 12V 的继电器构成 NPN 型三极管 S8050 作为继电器的驱动 采用上拉电阻保证继电器可靠接通与关断 继电器电路中一般都要在继电器的线圈两头加一个二极管以吸收继电器线圈断电时产 生的反电势 防止干扰 单片机 P2 2 脚与一个 NPN 型三极管基极相连 经三极管电流