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长春工业大学学士论文中文摘要本文在利用多传感器信息融合理论在监测领域的优势基础之上，研制了基于传感器信息融合技术的汽车防盗系统。本文首先对国内外汽车防盗领域的现状进行了调查研究，分析了现今汽车失窃的多种模式与现今汽车报警器的类型，然后利用多传感器信息融合技术构建了汽车防盗系统的结构模型。本文研究制定了应用于该防盗系统的各种传感器、微处理器、执行器件以及系统附属的多种电子元器件的选择方案。在构建的防盗模型的基础上，设计了系统的软件、硬件。 关键词：汽车防盗 信息融合 传感器 微处理器 执行器AbstractIn this paper, the use of multi-sensor fusion theory based on the field of edge detection，developed automobile anti-theft system based on information fusion technology.In this paper，firs of all the actual state on the field of vehicle anti-theft at home and abroad was studied. Analysis the current model of car theft and a variety of present-day type of car alarm.，then use the multi-sensor information fusion technology to build a car alarm system model. In this paper, developed the anti-theft system applies to a variety of sensors, microprocessors, the implementation of ancillary devices, as well as a variety of system options for electronic components，to build the security model, based on the design of the system software and hardware.Key words： car theft deterrent fusion sensor microprocessor actuators目 录第一章 绪 论11.1 汽车防盗器的发展11.2 汽车防盗报警器的研究意义21.3 汽车防盗系统的设计思想3第二章 总体方案设计42.1 系统总体介绍42.2 多传感器信息融合4第三章 汽车防盗系统的硬件结构103.1 单片机最小系统设计103.1.1 CPU113.1.2 锁存器123.1.3 扩展EPROM123.1.4 时钟电路133.1.5 复位电路143.2 防盗系统的电源设计153.2.1 防盗系统电压的一次降压163.2.2 防盗系统的电压二次降压173.3 防盗系统的监测模块173.3.1 利用微波多普勒传感器对入侵范围进行监测183.3.2 利用加速度传感器对车体振动与倾斜进行监测203.3.3 利用霍尔开关器件对车门的开关进行监测233.3.4 利用热释电红外传感器对人体入侵进行监测253.3.5 热释电红外传感器的汽车防盗应用283.4 防盗系统的报警执行模块303.4.1 GSM短信报警系统303.4.2 语音报警系统353.4.3 报警执行模块的闪光报警和汽车的自锁操作37第四章 汽车防盗系统的软件设计394.1 单片机软件设计概述394.2 系统防盗功能的软件实现40第五章抗干扰设计445.1 主要干扰渠道445.2 供电系统干扰445.3 过程通道干扰455.4 空间干扰455.5 印刷电路板的抗干扰设计455.6 软件的抗干扰设计46致 谢47参考文献4850第一章 绪 论1.1 汽车防盗器的发展1.机械式防盗器。早期的汽车防盗器材主要是机械式的防盗锁。机械锁发展至今经过了数次技术升级，钩锁、转向盘锁和变速档锁等基本属于机械式防盗器，它主要是通过锁定离合、制动、油门或转向盘、变速档来达到防盗的目的，只防盗不报警。其优点是价格便宜，只需几十元至几百元，且安装简便，可以在一定程度上吓阻盗车贼，或增加盗贼被发现的可能性。缺点是防盗不彻底，每次拆装比较麻烦，不用时还得找地方放置。目前市场上推出了一种护盘式方向盘锁。这种锁较为隐藏，有一层防锯防钻钢板保护，材质比传统的拐杖锁坚固，锁芯也设计得更加精密，因而可靠性更高。但是车主必须找一个空间藏这个拆下的转向盘；排档锁是目前车主最欣赏的防盗装置之一，这种防盗装置简便又而坚固，材质采用特殊高硬度合金钢制造，防撬、防钻、防锯，且采用同材质镍银合金锁芯和钥匙，没有原厂配备的钥匙极难打开。如果钥匙丢失，可用原厂电脑卡复制钥匙。2.机电式防盗装置。随着科学的进步，出现了机电一体式的防盗装置（中央门锁）。中央门锁是以电来控制门锁的开启或锁止，并由驾驶员集中控制所有车门门锁的锁止或开启。中央门锁系统具有下列功能：当锁住(或打开) 驾驶员侧车门门锁时，其它几个车门及行李厢都能锁止（或打开）；如钥匙锁门也可锁好（或打开）其它车门和行李厢；在车内个别门锁需要打开时，可分别拉开各自门锁的按钮。 3.电子式防盗器。为了克服机械锁只防盗不报警的缺点，电子报警防盗器应运而生。汽车电子防盗系统是在原有中央门锁的基础上加设了防盗系统的控制电路，以控制汽车移动的同时并报警。电子防盗是目前较为理想的防盗装置。如果有行窃者盗窃汽车或汽车上的物品，防盗系统不仅具有切断起动电路、点火电路、喷油电路、供油电路和变速电路、将制动锁死等的功能，同时，还会发出不同的求救的声光信号进行报警，给窃贼一个精神上的打击，以阻止窃贼行窃。插片式、按键式和遥控式等都属于电子式防盗器。遥控式汽车防盗器的特点是可遥控防盗器的全部功能，可靠方便，可带有振动侦测门控保护及微波或红外探头等功能。随着科技的快速发展，遥控式汽车防盗器还增加了许多方便实用的附加功能，如：遥控中控门锁、遥控送放冷暖风、遥控电动门窗及遥控开行李舱等。现在市场上已有双向功能的电子防盗器，这种防盗器不仅能由车主遥控车辆，车辆还能将自身状态传送给车主，例如车门被开启或车窗玻璃被破坏等。但是电子防盗器普遍存在误报警现象，而且也没有根本上解决车辆丢失问题。 4.GPS卫星定位汽车防盗系统。GPS卫星定位汽车防盗系统(或其他网络系统)，将报警信息和报警车辆所在位置无声地传送到报警中心，具有车辆定位、遥控熄火、网络查询及跟踪、车内监听、路况信息查询、人工导航等多种功能，是全方位的防盗系统。 GPS卫星定位汽车防盗系统属网络式防盗器，它主要靠锁定点火或起动达到防盗的目的，同时还可通过GPS卫星定位系统，将报警信息和报警车辆所在位置无声地传送到报警中心。可以在全国范围内实时监测车辆位置，还可以通过车载移动电话监听车内声音，必要时可以通过手机关闭车辆油路、电路并锁死所有门窗。如果GPS防盗器被非法拆卸，它会自己发出报警信息，但缺点是价格较为昂贵，所以目前车主选用的为数尚不多。以上几种防盗装置各有优劣，汽车防盗的发展方向是朝着智能程度更高的芯片式和网络式发展，而这也是我们所选择的方向目前汽车防盗器已由初期的机械控制，发展成为钥匙控制电子密码遥控呼救信息报警的汽车防盗系统，由以前单纯的机械钥匙防盗技术走向电子防盗、生物特征式电子防盗。电子防盗系统主要由电子控制的遥控器或钥匙、电子控制电路、报警装置和执行机构等组成。电子防盗系统的类型主要有:1.钥匙控制式。通过用钥匙将门锁打开或锁止，同时将防盗系统设置或解除。2.遥控式。防盗系统能够远距离控制门锁打开或锁止，也就是远距离控制汽车防盗系统的防盗或解除。3.报警式。防盗系统遇有汽车被盗窃时，只是报警但无防止汽车移动功能。4.具有防盗报警和防止车辆移动式的防盗系统。当遇有窃车时，除音响信号报警外，还要切断汽车的起动电路、点火电路或油路等，起到防止汽车移动的作用。5.电子跟踪防盗系统。该系统分为卫星定位跟踪系统（简称GPS）和利用对讲机通过中央控制中心定位监控系统。电子跟踪定位监控防盗系统是利用电波在波朗管地图上显示被盗车位置并向警方报警的追踪装置。设跟踪定位监控防盗系统，需有关单位专门设立这样一套机构和一套专用的设备，并需24小时不间断地监视，否则，即使安装了电子跟踪定位监控防盗系统还是起不到防盗作用。1.2 汽车防盗报警器的研究意义随着中国经济的蓬勃发展，人们的生活水平的日益提高，汽车的应用发展迅速，各类汽车的拥有量不断提高，已经逐渐地成为我国寻常百姓家的新成员。但是在汽车给人们的生活带来了方便的同时，汽车的使用也给人们提出了一大难题汽车防盗。虽然绝大多数汽车都装有汽车防盗器，但是抽样调查显示：在失窃的汽车中，一半以上都是装有汽车防盗系统的。在北京，被盗的机动车辆中装有防盗装置的占总数的68.6%。这些数据足以说明现有汽车防盗装置的防盗手段并不可靠。另外，现今的汽车防盗警报器多使用的是语音报警。为了使警报声有别于环境中的背景声，汽车警报器的音量常常高达125分贝。这种报警声音极具穿透力，给居民生活带来了很大的困扰，某些居民区甚至因此禁止安装汽车报警器。由此看来，现有的汽车防盗系统不但不能满足汽车防盗的需求，同时还存在着噪声污染、功耗高、作用距离短、误报率高等诸多缺欠。因此，设计新一代的更为可靠、环保的汽车防盗系统是汽车制造业发展一种必然趋势。目前国际上通用的汽车防盗的核心思想是防止“汽车整车”被盗：也就是说即使盗贼将车门打开进入车内，却仍然无法将车开走。这些防盗装置常用的防盗手段为：机械式防盗、电子式防盗、芯片式数码防盗、GPS网络式防盗以及利用车载电话系统实现防盗功能。1.3 汽车防盗系统的设计思想多方调研结果表明现有的汽车防盗系统存在着一些共同的缺欠：由于只被动地侧重于汽车遇警情况的处理，对报警器判定盗窃行为的可靠性未有足够重视。生产厂家多采用扩大报警置信区间的方法减少漏报警的发生，报警器的误报率居高不下。另外，由于报警手段多采用语音报警，并且误报率较高，致使报警声也成为环境噪声污染的来源。基于多传感器信息融合技术的汽车防盗系统，在综合分析窃贼盗窃汽车多种常用手法的基础上，选择多种适于汽车防盗的传感器件构成系统的监测模块。由于监测模块可以充分地利用多种传感器在性能上的差异性与互补性、以及多个同类而不同位置的传感器在空间上的差异性，使得其收集来的来自各个传感器的传感信息极具针对性。在获得传感信息后，监测模块将采集到的信息送至微处理器，微处理器利用数据融合的方式进行数据分析，以判定汽车的状态。由此可见，基于信息融合技术的汽车防盗系统在警报监测方面充分地利用了现代传感器技术、微控制器技术和信息融合技术，系统可以主动而准确地判断汽车的状态，提高了系统报警的可靠性。另外，在防盗系统确定汽车处于遇警状况后，微处理器采用直接阻断汽车发动机的点火电路的方法使汽车无法开动。防盗系统报警的警报是采用GSM等无线网络，即时直接传送给车主的。同时，车主还可以通过网络对防盗系统进行控制。这样，不但能够做到报警及时，也消除了噪声扰民现象的发生。“安全、可靠、环保、便捷”应该是新一代汽车电子产品的趋势。也是汽车安防产品的未来发展方向。第二章 总体方案设计2.1 系统总体介绍本文采用了多传感器信息融合的技术，应用多种传感器来实现汽车防盗系统的设计。应用了如微波多普勒传感器来对入侵范围进行检测，利用加速度传感器对车体的震动与车体的倾斜进行检测，利用霍尔开关器件对车门的开关进行检测，利用传感器的多信息融合技术将以上的技术融合，使得汽车防盗系统更加的安全。2.2 多传感器信息融合多传感器信息融合是指协同使用多种传感器，并将各种传感信息有效地结合起来，形成高性能感知系统来获取对环境的一致性描述的过程。任何一种传感器都有其独特的优越性，也有一定的局限性。迄今为止，没有任何一种传感器能够同时满足高可靠性、高稳定性、高精度和低成本的要求。但是各种传感器在性能上的差异与互补性却提示我们通过综合分析来自各个传感器的信息，来获取有效、可靠、完整的信息。采用这种方法，即使各个传感器所提供的信息有一定的误差和不确定性，但通过对它们提供的信息进行有效的综合，可以比任何单一传感器获取的信息更可靠、更完整。多传感器信息融合实际上是对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟。在多传感器系统中，各种传感器提供的信息可能具有不同的特征：时变的或者非时变的，实时的或者非实时的，快变的或者缓变的，模糊的或者确定的，精确的或者不完整的，可靠的或者非可靠的，相互支持的或者互补的，也可能是相互矛盾冲突的。多传感器信息融合的基本原理就像人脑综合处理信息的过程一样，它充分地利用多个传感器的资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则组合起来，产生对观测环境的一致性解释和描述。信息融合的目标是基于各传感器分离观测目标，通过对信息的优化组合导出更多的有效信息。这是最佳协同作用的结果，它的最终目的是利用多个传感器共同或联合操作的优势，来提高整个传感系统的有效性。1、 信息融合的特点同单一传感器相比，多传感器信息融合有以下几个方面的独特优势：(1)获取更准确的信息。多传感器对环境进行测量，获取大量信息，这些信息有很大的冗余性。对这些冗余信息进行融合可在总体上降低信息的不确定性。(2)获取更精确的信息。对多个传感器获取的大量信息进行融合，可有效地克服随机误差和外界干扰，提高了系统获取信息的精确度。(3)获取复杂的信息。多传感器协调使用可获取环境或物体的各种特征信息，通过融合可得到多特征、高层次的描述，即得到任何一种单一传感器很难获取或无法获取的信息。 (4)降低系统成本。使用大量低成本传感器而不是少量高成本传感器，通过信息融合方法获取高质量信息，降低了系统成本。(5)提高系统运行速度。使用多传感器，由于其信息的互补性、准确性和精确性，可大大地提高系统的反应能力。(6)提高系统的可靠性。同时使用多传感器不仅增加了信息的冗余度，也增加了系统的可靠性，即使某一个传感器或某几个传感器失效，系统仍能正常工作。2、 信息融合的级别按照信息抽象的五个层次，融合可分为五级，即检测级融合、位置级融合、属性(目标)级融合、态势评估与威胁估计。(1)检测级融合。检测级融合是直接在多传感器分布检测系统中检测判决或是信号层上进行的融合。在经典的多传感器检测中，所有局部传感器将检测到的原始观测信号全部直接送给中心处理器，然后利用由经典的统计推断理论设计的算法完成最优目标检测任务。在多传感器分布检测系统中，每个传感器对所获得的观测先进行一定的预处理，然后将压缩的信息传送给其他传感器，最后在某一中心汇总和融合这些信息，产生全局检测判决。通常有两种信号处理形式：一是硬判决融合，即融合中心处理0、1形式的局部判决。另一种是软判决融合，中心除了处理硬判决信息外，还处理来自节点的统计量。在分布检测系统中，对信息的压缩性预处理降低了对通讯带宽的要求。分布式多传感器结构可以降低对单个传感器的性能要求，降低造价。分散的信号处理方式可以增加计算容量。统计推理理论可以粗略地分为假设检测和估计。相应地，分布式信号处理也可分为分布式检测和分布式估计。在分布式检测系统中，由于融合中心只能得到经过压缩后的观测信息，因此相对于集中式检测会有性能损失。通过对传感器信息的最优局部处理和融合可以减小性能损失。(2)位置级融合。位置级融合是直接在传感器的观测报告或测量点迹和传感器的状态估计上进行的融合，包括时间和空间上的融合，是跟踪级的融合，属于中间层侧，也是最重要的融合。对于单传感器跟踪系统来说，主要是按时间先后对目标在不同的时间的观测值即检测报告的融合，主要有集中式、分布式、混合式和多级式结构。在集中式多传感器跟踪系统中，首先按对目标观测的时间先后对测量点迹进行时间融合，然后对各个传感器在同一时刻对同一目标进行空间融合，它包括了多传感器综合跟踪与状态估计全过程。在分布式多传感器跟踪系统中，各传感器首先完成单个传感器的多个目标跟踪与状态估计，也就是完成时间上的信息融合，接下来各传感器把获得的目标信息送入融合节点，并在融合节点完成坐标变换、时间校正或对准，然后基于这些传感器的目标状态估计进行关联处理，最后对来自同一目标的估计进行融合处理。混合式位置信息融合是集中式和分布式多传感器系统相组合的混合结构。传感器的检测报告和目标状态估计都被送入融合中心，在那里进行时间和空间的融合。由于这种结构要同时处理检测报告和状态估计，并进行优化组合，它需要复杂的处理逻辑。混合式方法也可以根据所运行问题的需要，在集中式和分布式结构中进行选择变换。这种结构的通信和计算量都比其他结构大。(3)目标识别级的融合。目标识别亦称属性分类或身分估计，这个层次的信息融合有三种方法，即决策级融合、特征级融合和数据级融合。在决策级融合方法中，每个传感器都完成变换以获得独立的身份估计，然后对来自每个传感器的属性分别进行融合。用于融合身份估计的技术包括表决法、Bayes推理、Dumpsters-Shafer证据理论、推广的证据理论、模糊集法等。在特征级融合方法中，每个传感器观测一个目标并完成特征提取以获得来自每个传感器的特征向量。然后融合这些特征向量并基于获得的联合特征向量来产生身份估计。在这种方法中，必需使用关联处理把特征向量分成有意义的组群。由于特征向量很可能是有巨大差别的量，因而位置级的融合信息在这一关联过程中通常是有用的。在数据级融合方法中，对于同等量级的传感器原始数据直接进行融合，然后基于融合的传感器数据进行特征提取和身份估计。为了实现这种数据级的信息融合，所有传感器必须是同类型的。通过对原始信息的关联，来确定已融合的数据是否与目标或者实体有关。有了融合的传感器数据之后就可以完成象单传感器一样的识别处理过程。对于图像传感器，数据融合一般涉及到图像画面元素级的融合，因而数据级融合也常成为像素级融合。(4)态势评估和威胁估计。态势评估是一个动态的按时序处理的过程，其结果水平将随时间增长而提高。态势评估是分层假设描述和评估处理的结果，每个被选假设(态势)都有一个不确定性关联值，通常认为不确定性最小的假设是最好的，并用当前最好的态势要素值来描述。威胁估计是利用态势评估估计的将要发生和已经发生的事件和一些先验知识，对事件出现的程度和事态的严重性的判断。3、 信息融合的结构模型结构模型从信息融合的组成出发，主要说明信息融合系统的软、硬件组成，相关数据流，系统与外部环境的人机界面等要素的构成。由于融合主要发生在检测级、位置级和属性级，因此在讨论结构模型时只考虑这三级的融合结构。(1)检测级融合结构。从分布检测的角度看，检测级融合的结构主要有分散式结构、并行结构、串行结构、树状结构和带反馈并行结构。分散式空间结构的分布检测系统如图2.1所示。这种结构的每个局部判决U。 ( i=1,2,，N)又都是最终决策。在具体应用中，可按照某种规则将这些分离的字系统联系起来，看成一个大系统，并遵循大系统中的某种最优化准则来确定每个子系统的工作点。图2.1 检测级融合的分散式结构图2.2 检测级融合的并行结构并行式结构的分布检测系统如图2.2所示。N个局部节点S1,S2，SN的传感器在收到未经处理的原始数据Y1,Y2,，YN之后，在局部节点分别作出局部判决U1，U2,UN，然后，它们在检测中心通过融合得到全局判决U0。这种结构在分布检测系统中应用较为普遍。图2.3为串行结构，N个局部节点S1, S2,，SN分别接受各自的检测后，首先S1节做出局部判决U1,然后将它通信到节点S2，而S2则将它本身的检测与U1融合形成自己的判决U2，以后，重复前面的过程，信息继续传递、融合，直道节点SN。最后，由SN将它的检测YN与UN-1，融合做出判决UN，即U0。图2.3 检测级融合的单行结构4、 系统防盗信息的处理模型多传感器信息融合汽车防盗系统的各个传感器组构成了一个分布式检测系统，该系统中所进行的信号处理属于传感器信息融合的功能模型中的检测级融合。在这一层次中的融合处理的策略通常是根据所选择的检测准则形成优化门限，以产生最终的检测输出。为了减小传输数据的带宽，我们在监测模块中利用硬件进行该级别的融合处理。监测模块中的各个传感器组分别提取各自监测目标的特征向量，然后在本地进行监测目标的属性判决。属性判断形成的“电平上跳沿”、“PWM调制波形”等结果送交中央处理模块，由中央处理模块根据其中的关联属性进行属性级的决策层融合处理。最终的融合结果是将警报划分为“整车搬运”、“车体破坏”、“非法开启”和“入车盗窃”四个等级，每一报警级别的确定都是根据不同的信息融合模型加以判断的结果。系统首先将微波多普勒传感器作为第一级监测器件。由于微波多普勒传感器可以确定移动物体的距离，并且该传感器在理论上可测量范围为360度。无监测死角，所以可以作为其它传感器件的触发器件使用。其作用是当有人进入到监测范围时，传感器触发信号，由中央处理模块开启其它传感器模块，以便进行防盗监测。“整车搬运”和“车体破坏”这两个警报等级属于信息融合中的检测级融合，可以利用串行结构进行描述：距离检测节点S1接收到检测信息后，做出有“人或物体接近”的局部判决U1，然后分别根据各自的S2节点(倾斜检测节点、振动检测节点)的局部判决U2，可以得出融合判决的结果U0，对应各自的监测范围，做出“整车搬运”或“车体破坏”的判断。这两种串行结构框图见图2.4。图2.4 倾角检测与振动检测串行结构图警报等级“非法开启”也属于信息融合中的检测级融合，但其需要利用并行结构进行描述，并行结构框图如图2.5所示：四个开关检测节点S1, S2, S3和S4接收到检测信息后，做出是否有车门被非法开启的局部判决U1, U2, U3及U4，然后将所有的局部判决结果送至检测中心，由中心判定车门“非法开启”的位置。图2.5 霍尔器件检测并行结构图警报等级“人体入侵”属于属性级的特征层融合。在这种方法中，每个传感器观测一个目标：距离传感器监测入侵的距离，振动传感器监测是否有车体的破坏，霍尔器件监测是否有车门的开启，热释电红外传感器监测人体的红外信息。并且在分别提取来自每个传感器的特征向量的基础上进行融合处理，最后基于联合特征向量做出属性判决。判决过程如图2.6所示。图2.6 特征层属性融合第三章 汽车防盗系统的硬件结构采用多传感器信息融合技术的汽车防盗系统硬件部分主要由电源模块、监测模块、中央处理模块及警报执行模块组成。其中电源模块与汽车蓄电池相连，为系统提供所需的能量来源。监测模块由多种传感器组组成，用于汽车防盗信息的采集。中央处理模块用于整个系统的控制，以及执行对监测模块采集的信息进行融合处理过程。警报执行模块主要用于系统确认警情后，进行报警以及执行汽车锁死等操作。系统在硬件设计中遵循了以下的基本设计原则：(1)尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。(2)系统的扩展与外围设备配置的水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行二次开发。(3)硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得长，而且占用CPU的时间(比如延时程序)。(4)整个系统的性能要尽量做到性能匹配，例如选用晶振频率较高时，存储器的存取时间有限，应该选择允许存取速度较高的芯片：选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有的芯片都应该选择低功耗的产品。 (5)可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器件选择、去祸滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。(6)单片机外接电路较多时，必须考虑器件驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠。3.1 单片机最小系统设计本设计课题对控制精度要求不高，控制功能一般，程序并不复杂。因此选80C31BH作为CPU，选用2732（4KB）作为EPROM，74LS373作低8位地址锁存器。设计的主机系统电路即单片机的最小系统图如下所示：图31 主机系统电路图3.1.1 CPU80C31BH型单片机是Intel公司推出的MCS-51系列单片机产品，它由因特尔公司可靠的CHMOS工艺制作而成，并在功能上与标准的MCS51系列HMOS单片机产品兼容。这种技术结合了HMOS高速度、高密度的特性和CHMOS低功耗的特质。这种结合扩展了强大的MCS-51系列单片机的结构和指令设置的效率。同MCS51系列HMOS单片机产品一样，80C31BH也有以下特点： 128字节的RAM；32条I/O线；两个16位的定时/计数器；带有2个中断优先级的5个中断源；一个全双工串行口；还有片内振荡器和时钟电路。此外，它还表现出低运行功耗的特点，同时具有两种软件可选择模式，减少运行来更进一步节省功耗这就是等待和掉电工作方式。单片机80C31BH的引脚图如下所示：图3280C31BH引脚排列图3.1.2 锁存器74LS373是三态输出的8D透明锁存器，它有20个引脚，用来锁存单片机输出的低8位地址信号，是使用非常普遍的一种锁存器。74LS373的引脚图如下所示：图33 74LS373引脚排列图3.1.3 扩展EPROM由于80C31内部没有ROM，所以需要外扩一片ROM，而用EPROM作为单片机外部程序存储器是最为常用的程序存储器扩展方法。随着集成电路的发展，EPROM的容量越来越大，通常只需要扩展一片或两片EPROM芯片，大大地简化了扩展电路的结构。在本设计中，由于程序不是很复杂，所以选择2732A作为扩展的EPROM。它是4K8位的紫外线擦抹的可编程只读存储器（EPROM），也是较常使用的一种芯片。程序存储器扩展时，一般扩展容量都大于256字节，因此，EPROM片内地址线除了由P0口经锁存器提供低8位地址线外，还需由P2口提供若干地址线。EPROM所需的地址线数决定于EPROM的容量，在本设计课题中，选取的2732EPROM为4K字节，它的地址线为12根（4K=212），所需要的高4位地址由P2口提供。如果系统中只扩展一片EPROM时，无须片选控制，因此EPROM的片选端CE接地即可。本设计课题中就是如此。其中2732A的引脚图如下所示：图34 2732A引脚排列图3.1.4 时钟电路80C31BH内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。MCS-51单片机的时钟产生方法有两种：内部时钟方式：利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体（在频率稳定性要求不高而希望尽可能廉价时，可选择陶瓷谐振器）和电容组成的并联谐振电路，不论是HMOS还是CHMOS型单片机其并联谐振回路及参数相同。振荡晶体可在1.2MHZ12MHZ之间选择。其内部时钟方式接线电路图如下图所示：图35 使用片内振荡器的时钟电路电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20PF100PF之间取值，但在60PF70PF时振荡器有较高的频率稳定性。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。外部时钟方式：外部时钟方式是利用外部振荡信号源直接接入XTAL1或XTAL2。由于HMOS和CHMOS单片机内部时钟进入的引脚不同（CHMOS型单片机由XTAL1进入，HMOS型单片机由XTAL2进入），其外部振荡信号源接入的方式也不同。HMOS型单片机的外部振荡信号源接至XTAL2，而内部的反相放大器的输入端XTAL1应接地。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上拉电阻。其外部时钟方式接线电路如下图所示：图36 HMOS型单片机的外部振荡信号源接入方法在CHMOS电路中，因内部时钟引入端取自反相放大器的输入端（即与非门的一个输入端），故采用外部振荡信号源时，接线方式与HMOS型有所不同，外部信号接至XTAL1，而XTAL2可不接地，外部振荡信号通过一个2分频的触发器而成为内部时钟信号。故对外部信号的占空比没有什么要求，但高电平持续时间和低电平持续时间应大于20ms。图37 CHMOS型单片机外部振荡信号源的接入方法在本设计课题中，单片机80C31BH的时钟电路所采用的是内部时钟方式，即利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接晶体和电容组成的并联谐振回路，晶体的振荡频率选用6MHZ晶振，电容C1、C2都选用20PF的NPO电容。3.1.5 复位电路在设计单片机应用系统时，必须了解单片机的复位状态。因为单片机应用系统工作时，会经常进入复位工作状态。应用系统的复位状态与单片机的复位状态密切相关。单片机的复位都是靠外部电路来实现的。复位是使CPU和系统中其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。它是在振荡器正在运行的情况下，靠在RST/VPD或RST引脚加持续二个机器周期的高电平来实现的。在RST引脚出现高电平后的第二个周期执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至RST端变成低电平。单片机的复位状态不影响片内RAM的状态，在复位有效期间，ALE、PSEN输出高电平。单片机内部的各个功能部件均受特殊功能寄存器控制，因此寄存器复位状态决定了单片机内有关功能部件的初始状态。其中，复位后的P1、P2、P3口锁存器全为1状态，使这些准双向口皆处于输入状态。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的复位电路就是由一个与电源相接的电容和一个接地电阻所组成，在上电瞬间，RC电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。图38 上电复位图39 上电与按钮复位在实际的应用系统中，有些外围芯片也需要复位。如果这些复位端的复位电平要求与单片机复位要求一致，则可以与之相连。在简单的复位电路中，干扰易串入复位端。在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。这时，可在RESET引脚上接一去耦电容。3.2 防盗系统的电源设计汽车防盗系统是利用车载蓄电池作为供电来源，目前车载电源为12V/24V和42V系统。所以系统设计时应充分考虑到兼容性及可扩展性的问题，尤其是在器件选型时应充分考虑到器件的可替换性能等。系统选用的微处理器(MSP43OF149APM )、各种传感器的敏感元件(微波多普勒传感器、倾斜传感器、振动传感器、热释电红外传感器、霍尔器件等)及其处理电路、报警执行模块所需电压值为5V或3.3V，需要电压转换电路为各种器件提供稳定可靠的电源。3.2.1 防盗系统电压的一次降压由于汽车目前采用12V、24V、42V电源系统，防盗系统所需求的电压为5V及3.3V，我们通过采取二次降压的办法实现系统电压的转换。转换方案如图3.10所示。图3-10 电压转换方案示意图考虑到系统的兼容性及可扩充性，第一次降压采用集成电源管理芯片LM25761/LM2576HV作为电压转换芯片。LM2576系列芯片输入电压范围为1.23V37V，有3.3V, 5V, 12V, 15V四种固定电压输出类型，以及一种电压输出可调节类型，输出电压变化范围小于4%。输出电流可达3A。具有T0220-5和T0263-5两种封装形式。LM2576仅需要四个外部元件就可以完成电压的转换，并还具有休眠、热保护、限流保护等功能。而LM2576HV系列除了最高输入电压可达60V外，其封装形式及所需外接器件种类、数量与LM2576系列中其他类别芯片均相同，这样就能够适应汽车系统电源变化的需求。我们选用LM2576系列中输出电压可调节型的LM2576-ADJ作为一次降压的电源管理芯片，以12V的汽车系统电源为例进行设计，实现12V到9V的第一次电压转换，器件选择过程如下：(1)电阻的确定由输出电压公式：VOUT VREF (1R2/R1) 得到：R2 (VOUT/VREF1) 其中，VOUT预设值为9V。 VREF1.23V。 Rl选用的精度为1%的金属膜电阻，阻值为1K。可以得到R2的计算阻值约为6.32K，并根据实际产品型号，确定R2的阻值为6.34K，则根据公式可得最终输出电压为9.03V。(2)电感的确定：由微秒计算常数公式ET（VINVOUT）VOUT/VIN1000/F（Vs） 确定微秒常数43Vs，并查表得到所需电感值68H。(3)输出电容的选择：根据公式OUT13300(F)VIN(MAX)/VOUTL(H) 可知输出电容OUT304F，可选择的电解电容。(4)根据负载电流、反向电压，确定二极管型号为1N5822。(5)输入电容的选择：在IN引脚和GND引脚之间、尽量贴近器件的位置处，设置一个铝电解电容作为输入电容，100F就足以实现旁路电容的作用。通过LM2576-ADJ电压转换电路，可以将汽车蓄电池提供的系统电压转换为9V电压提供给防盗系统，以供防盗系统二次降压使用。3.2.2 防盗系统的电压二次降压二次降压选用ADP3330系列线性电源管理芯片。将其集成在各个传感器电路的线路板上，不但可以为传感器提供可靠的电源供给，而且通过ADP3330的SB引脚可以控制ADP3330的开启与关闭，进而能够实现对传感器的开闭控制。图3-11 汽车防盗系统电源二次降压的实现ADP3330的输入电压范围在2.9V 12V之间，有2.5V,2.75V, 2.85V,3V,3.3V,3.6V,SV,12V,15V九种固定输出电压型号，25oC时负载误差小于0.7%，温度于1.4%,输出电流可达200mA，能够满足各个传感器组的输入电源的要求。ADP3330的封装形式为SOT23-6，并且ADP3330外围电路只须两个0.47F的电容就能实现所需的电压转换。 通过ADP3330-XX线性电压转换电路，可以将一次降压提供的9V电压转换为系统中央处理器、以及各个传感器电路所需电压，以供各部作为电源使用。3.3 防盗系统的监测模块防盗系统的监测模块由微波多普勒传感器组、振动传感器组、霍尔器件组和热释电红外传感器组组成，用于汽车防盗信息的采集以及数据的初步融合处理。3.3.1 利用微波多普勒传感器对入侵范围进行监测微波是电磁波辐射的一种形式，在电磁波谱中微波就介于无线电波和红外线之间，频率为300MHz到300GHz，相应波长1mm到1 m.。它以波的形式向四周辐射，当波长远小于物体尺寸时，微波具有似光性。当波长和物体尺寸有相同量级时，微波又近似于声学特性。微波传感器的基本原理是根据微波反射、透射、散射、干涉等物理特性的改变以及被测材料的电磁特性的相对变化，通过对微波基本参数变化的测量，实现对非电量的转换。由于波源或观察者的相对运动，而出现的观测频率与波源频率不同的现象被称为多普勒效应。多普勒效应可以发生在波的各个频段，如光波、声波以及微波频段等，其主要现象是：当波源与观测者靠近时频率升高，两者远离时频率降低。微波多普勒传感器是利用微波的反射特性和多普勒效应制成的传感器件。当波源的发射波投射到运动的物体上时，由于多普勒效应，反射波或散射波的频率会发生变化。若将发射波与反射波混频，取出频差，即可检测物体的运动状态。由于微波相干性好，多普勒法测量在原则上没有死区的存在，可对360度的一个圆区域进行探测。利用微波多普勒测速传感器可以测量电磁场中物体的运动，将检测到的人运动引起的电磁波频率之变化量作为控制信号，进而对步行的人进行非接触式的有效监控。因此将微波多普勒测速传感器用于汽车防盗系统，就可以在汽车周围设置一个全方位的预警监测空间。微波多普勒传感器采用Agilis通讯技术公司的HB100微波运动传感器模块。HB100的多普勒效应收发机模块利用介质谐振振荡器和微带接插天线技术，可以实现低电流消耗、高温稳定性、高灵敏度和扁平外形。HB100的介绍：HB100微波探测传感器应用Doppler Radar原理，发射一个低功率微波接受物体反射过来的能量。一旦物体的运动被其探测到。发射频率就被反射回的微波频率所替代，替代的微波与发射的微波混合在一起，结果一个低频率的电压从传感器输出技术参数：发射: 1发射频率 : 10.525 GHz2频率设置精度 : 3MHz3输出功率(最小): 13dBm EIRP4工作电压 : 5V0.25V5工作电流(CW): 60mA max., 37mA typical6谐波发射: -10dBm7脉冲工作模式:8平均电流 (5DC) : 2mA typ.9脉冲宽度(Min.): 5uSec10负载循环(Min.): 1接收:1灵敏度(10dB S/N ratio)3Hz至80Hz 带宽: -86dBm3Hz至80Hz带宽杂波 10uV2天线增益: 8dBi3垂直面3dB波束宽度: 36度4水平面 3dB 波束宽度: 72度5重量: 8 克6PCB规格: 45378mm图3-12 微波多普勒监测模块原理图微波多普勒监测模块的电路原理如图3-12所示。其中，1图为HB100信号采集及处理电路，U1为微波多普勒发生/接收模块，U2为相关阻容器件构成滤波、放大电路，Rd5, Rd6, Cd5用于设定输出电压信号的中心值，并将监测电路的上电时间进行延迟以防止系统由于过早启动引起误报警。2图为模块电源输入接口。3图为模块控制信号和信号输出端口。为窗口式比较器，用以实现传感信息的初步融合：即将HB100输出的电压信号与设定的闭值相比较，比较的结果是把模拟信号转换为数字信号并送入中央处理模块。这样不但能够实现传感器信息的初步融合，而且该信号可以作为其它传感器的开启信号，与开关电源联合使用能够实现降低系统功耗的功能。E图为开关电源，采用电源管理芯片ADP3330-5.0, ADP3330-5.0不但能为传感器及其信号处理电路提供高精度的电源电压，而且微处理器通过向其SD引脚输入高低电平控制电源输出的开闭，进而可以控制整个模块的开启与关闭。微波多普勒监测模块是整个防盗系统的第一级模块，可以实现对设定的预警范围内运动物体的监测。当预警范围内有特定速率的运动物体时，模块向中央输出警报信号，由中央处理器进行数据处理。3.3.2 利用加速度传感器对车体振动与倾斜进行监测对车体的振动与倾斜状况进行测量，可以对窃贼采用拖吊法盗窃车辆以及破坏车体的现象进行预警。由于加速度传感器ADXL202E能够测量05kHz，2g范围内动态或静态加速度。动态加速度的测量可以用于振动检测，利用静态的重力加速度作为输入矢量，就可以确定物体的空间方向。因此可以利用ADXL202E同时对车体的振动和倾斜角度进行监测。ADXL202E采用LCC-8 ( 8 pins Leadless Chip Carrier)封装，体积仅为5 mm 5mm 2mm，其封装和引脚如图3-13所示图3-13 ADXL202E封装引脚结构图图3-14 ADXL202E电路图（1）ADXL202E简介ADXL202E是Analog Device公司设计生产一种低成本、低功耗、功能完善的、集双轴加速度传感器与一体的单块集成电路。它即可测量动态加速度，又可测量静态加速度，其测量范围为2G。它既具有墨迹信号输出又有脉宽占空比输出。ADXL202E最大可承受1000G的剧烈冲击。35.25V单电源供电，工作电流小于6mA，可以测量0-5kHz，2g范围内动态或静态加速度，60Hz时分辨率为2mg，可以输出数字信号和模拟信号，应用温度范围为-40+125oC。（2）测量原理ADXL202E是基于单块集成电路的完善的双轴加速度测量系统。它是一个以多晶硅为表面的微电机传感器和信号控制环路来执行操作的开环加速测量结构。对每根轴而言，输出环路将模拟信号换