【正文】 無線防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作 1 四路無線防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作 引 言 隨著國(guó)家智能化建筑的推廣，防盜系統(tǒng)已經(jīng)成為智能建筑的必需設(shè)備。在這樣一個(gè)日趨高度智能化、節(jié)能化的時(shí)代，人們的設(shè)計(jì)焦點(diǎn)越來越集中在單片機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用上。單片機(jī)已在工業(yè)控制、智能儀表、數(shù)控機(jī)床、數(shù)據(jù)采集和處理、通訊及多種智能家電和玩具等眾多方面得到了廣泛應(yīng)用。市場(chǎng)上的無線防盜報(bào)警器以單片機(jī)控制和無線技術(shù)居多 [1]。本設(shè)計(jì)四路防盜報(bào)警器就是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的一種實(shí)用性產(chǎn)品。具有可靠性高、操作簡(jiǎn)單、監(jiān)控范圍廣、節(jié)省人員、效率高、適用范圍廣等眾多優(yōu)點(diǎn)。無線數(shù)據(jù)傳 輸方式無需重新布線，不易被破壞，特別適合已裝修用戶及布線不方便的場(chǎng)合，能使建筑更加美觀 [2]。 無線防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作 2 第一章 四路無線防盜報(bào)警器方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)背景及意義 在目前安全防范入侵報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用中，各種各樣的建筑不同，安全防范的要求也不同，因此每一個(gè)安全防范入侵報(bào)警系統(tǒng)的構(gòu)成也都不同。從一個(gè)報(bào)警探測(cè)器和一臺(tái)報(bào)警系統(tǒng)控制主機(jī)，到幾百個(gè)以至上千個(gè)報(bào)警探測(cè)器和報(bào)警系統(tǒng)控制主機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)都有應(yīng)用。有些大型報(bào)警系統(tǒng)控制器主機(jī)功能也相當(dāng)豐富，除了安全防范報(bào)警以外，還可以作為自動(dòng)化控 制系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)使用。有的報(bào)警系統(tǒng)包括無線系統(tǒng)、時(shí)間表控制系統(tǒng)、繼電器控制系統(tǒng)，可以方便地構(gòu)成家居及辦公自動(dòng)化系統(tǒng)。 總之防盜報(bào)警系統(tǒng)在向多功能、大容量、智能化發(fā)展，越來越成為一套完整的集安全防范、自動(dòng)化控制等為一體的綜合管理系統(tǒng)體系 [3]。 縱觀當(dāng)前形勢(shì)，可以預(yù)計(jì)防盜報(bào)警產(chǎn)品即將走入千家萬戶的生活。目前防盜報(bào)警產(chǎn)品在我國(guó)的普及率只有 20%，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家高達(dá) 70%的普及率相比，我國(guó)防盜報(bào)警產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展才剛剛起步，潛在需求更是難于估計(jì)。 另一方面，在社會(huì)信息化進(jìn)程日益發(fā)展的今天，信息技術(shù)已滲 透到各個(gè)領(lǐng)域。然而收入差距的拉大也大大增加了犯罪機(jī)率。相對(duì)于國(guó)外的智能建筑來說，中國(guó)的住宅、商場(chǎng)的防盜措施不是特別完善。特別是住宅所局限的防盜窗和防盜門，雖然起到一定作用，但是當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時(shí)，也使逃生更加的困難了。無線防盜報(bào)警器的應(yīng)運(yùn)而生使許多的問題迎刃而解。未來發(fā)展越趨向于智能化發(fā)展，我們所生活的建筑物智能化便成為 21世紀(jì)的發(fā)展主流。其中安防系統(tǒng)設(shè)備是否完善、可靠將成為評(píng)價(jià)智能建筑的重要指標(biāo) [4]。 功能設(shè)計(jì) 四路無線防盜報(bào)警器的功能是：信號(hào)發(fā)射端感應(yīng)器感應(yīng)到外界的動(dòng)靜，將信號(hào)進(jìn)行放大、比較、無線 發(fā)送，信號(hào)經(jīng)無線接收由單片機(jī)作出判斷，使對(duì)應(yīng)的燈亮，并發(fā)出聲音警示。其中發(fā)射端可以設(shè)置地址，有 4 個(gè)地址可選，接收端可以做出對(duì)應(yīng)燈亮的判斷。當(dāng)有多個(gè)這樣的發(fā)射端時(shí)，將發(fā)射端移動(dòng)位置時(shí)，可以對(duì)其重新設(shè)置地址。另外這四個(gè)地址可以應(yīng)用成四個(gè)不同地址的發(fā)送端，相當(dāng)于四對(duì)一無線防盜報(bào)警器。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 前端探測(cè)器設(shè)計(jì)方案比較 主要用于防盜報(bào)警的 前端探測(cè)器有：超聲波、微波、被動(dòng) 式 紅外 探測(cè)器。 利用超聲波傳感器件作為發(fā)射頭和接收頭，發(fā)射器向被探測(cè)區(qū)域發(fā)射幅度相等的超聲波，接收器接收發(fā)射回來的超聲波 ，在沒有移動(dòng)物體進(jìn)入被探測(cè)區(qū)域時(shí)，接收發(fā)射回來的超聲波幅度是相等的。當(dāng)有活動(dòng)的物體進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，接收到發(fā)射回來的超聲波是幅度不等的，并且是不斷變化的，無線防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作 3 接收電路檢測(cè)到變化的信號(hào)時(shí)控制電路會(huì)觸發(fā)外圍報(bào)警電路來報(bào)警 [5]。 微波的探測(cè)原理以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，由發(fā)射器發(fā)射高頻電磁波，在監(jiān)視空間建立三維的交變電磁場(chǎng)。接收器與發(fā)射器安裝在同一機(jī)殼內(nèi)，用于接收從監(jiān)視內(nèi)反射回來的反射波，并將反射波的頻率與發(fā)射波頻率進(jìn)行比較而作出判斷。微波傳感器必須安裝在完全沒有震動(dòng)的墻、柱等建筑物上。它的特點(diǎn)是當(dāng)高頻電磁被遇到金屬表面或 堅(jiān)硬的混凝土表面時(shí)特別容易反射，對(duì)空氣的擾動(dòng)、溫度的變化和噪聲等均不敏感。它能夠穿透許多建筑構(gòu)件（如磚墻等），大多數(shù)的隔墻以及玻璃板。它的缺點(diǎn)是在監(jiān)視空間以外的運(yùn)動(dòng)物，轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)扇或其它有較大動(dòng)作的裝置都可以導(dǎo)致防盜報(bào)警器錯(cuò)誤報(bào)警 [6]。 被動(dòng)式紅外探測(cè)器件通過光學(xué)系統(tǒng)的配合作用，它可以探測(cè)到某一個(gè)立體防范空間內(nèi)的熱輻射的變化。當(dāng)防范區(qū)域內(nèi)沒有移動(dòng)的人體等目標(biāo)時(shí)，由于所有背景物體（如墻、家具等）在室溫下紅外輻射的能量比較小，而且基本上是穩(wěn)定的，所有不能觸發(fā)報(bào)警。當(dāng)有人體在探測(cè)區(qū)域內(nèi)走動(dòng)時(shí)，就會(huì)造成紅外熱輻射能 量的變化。紅外傳感器將接收到的活動(dòng)人體與背景物體之間的紅外熱輻射能量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗螅屯鶊?bào)警控制器，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。紅外傳感器的探測(cè)波長(zhǎng)范圍是 814μm，由于人體的紅外輻射波長(zhǎng)正好在此探測(cè)波長(zhǎng)范圍之內(nèi)，因此能較好地探測(cè)到活動(dòng)的人體。紅外傳感器前的光學(xué)系統(tǒng)可以將來自多個(gè)方向的紅外輻射能量經(jīng)反射鏡反射或特殊的透鏡透射后全都集中在紅外傳感器上。這樣，一方面可以提高紅外傳感器的熱電轉(zhuǎn)換效力，另一方面還起到了加長(zhǎng)探測(cè)距離、擴(kuò)大警戒視場(chǎng)的作用 [7]。 紅外探測(cè)器容易受到光照等帶有移動(dòng)物體的影響 ，所以具有誤報(bào)的可能，而且在 32℃ 40℃ 時(shí)，靈敏度大幅度下降。但是紅外探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)卻是微波探測(cè)器不能替代的，比如省電、功耗小、價(jià)格低、安裝方便等特點(diǎn)，另外紅外探測(cè)器的可感知距離和探測(cè)的角度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微波探測(cè)器的可探測(cè)范圍，可達(dá)到 12ｍ，水平 110 度，垂直 60 度。優(yōu)點(diǎn)：本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好、探測(cè)性能好、易于布防、價(jià)格經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠被廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)：容易受各種熱源、光源干擾。被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收。環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí) 造成短時(shí)失靈 [8]。 綜合這幾種前端探測(cè)器的優(yōu)缺點(diǎn)和市場(chǎng)上應(yīng)用廣泛度，選擇被動(dòng)式紅紅外探測(cè)器。本設(shè)計(jì)選擇熱釋電紅外傳感器 RE200B。 信息傳輸模塊設(shè)計(jì)方案比較 紅外線：只能沿直線傳播，不能有阻擋，所以若在不同房間就傳輸不了信息，且距離太近，適合遙控電視機(jī)等家用電器，而不是防盜報(bào)警器。 微波：傳輸距離遠(yuǎn)，穿透能力強(qiáng)，性能優(yōu)越 [9]。 比較這兩種方案，選擇微波傳輸。本設(shè)計(jì)選 NRF905 無線收發(fā)模塊來傳輸信息。 整體設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)采用以單片機(jī)為核心的熱釋電紅外報(bào)警，設(shè)計(jì)了報(bào)警器的硬 件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了無線防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作 4 系統(tǒng)的智能化控制。紅外熱釋電傳感器將接收到的紅外光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用無線電微波發(fā)送信號(hào)。接收端便可將接收到的無線報(bào)警信號(hào)通過單片機(jī)進(jìn)行判斷，使蜂鳴器鳴叫和對(duì)應(yīng)報(bào)警地點(diǎn)的 LED 燈亮，系統(tǒng)組成如圖 11 所示。 圖 11 四路無線防盜報(bào)警器的組成框圖 熱釋電紅外傳感器 信號(hào)放大 信號(hào)比較 單片機(jī) 四位撥碼開關(guān) NRF905 無線發(fā)送模塊 NRF905無線接收模塊 單片機(jī) 發(fā)光二極管 蜂鳴器 無線發(fā)送 無線接收 無線防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作 5 第二章 硬件電路設(shè)計(jì) 發(fā)送端 熱釋電紅外感器及其周邊電路 圖 21 電路的功能是感應(yīng)外界的紅外輻射并將信號(hào)轉(zhuǎn)化 為電信號(hào)傳輸?shù)椒糯箅娐?，該電信?hào)為脈沖信號(hào)。 圖 21 熱釋電紅外感器及其周邊電路 放大電路 LM324系列由四個(gè)獨(dú)立的，高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器組成。運(yùn)算放大器 1， 2， 3腳是一組， 5， 6， 7腳是一組， 8， 9， 10 腳是一組， 12， 13， 14腳是一組，剩下的兩個(gè)腳是電源， 1， 7，8， 14 是各組放大器的輸出腳，其它的就是輸入腳 [10]。其管 腳排列見圖 22。 圖 22 LM324管腳圖 圖 23 電路的功能主要是對(duì)紅外熱釋電所接受的信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)放大， 增大信號(hào)幅值，使接收端的現(xiàn)象反應(yīng)得更加清楚 。 無線防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作 6 圖 23 放大電路圖 比較電路 運(yùn)放 LM393是雙電壓比較器集成電路 ，即將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路，用來對(duì)輸入波形進(jìn)行整形 [11]。管腳如 圖 24所示。 圖 24 LM393管腳圖 圖 25電路的功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行整形比較。 3腳信號(hào)輸入，經(jīng)過比較由 1腳輸出。當(dāng)有信號(hào)時(shí)，則 1腳輸出高電平， LED 燈由原來的亮變?yōu)闇纾捎谛盘?hào)只是很短時(shí)間的，所以 LED 出現(xiàn)的現(xiàn)象便是閃一下。 圖 25 比較電路 無線防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作 7 單片機(jī)模塊 圖 26 電路主要是將 （與 相連）的按鍵狀態(tài)送到無線發(fā)送模塊發(fā)送。信號(hào)經(jīng)過比較從單片機(jī) 12 腳輸入，根據(jù)單片機(jī) STC89C52RC 的程序進(jìn)行判斷，由 腳輸出到無線發(fā)送模塊 NRF905。 圖 26 單片機(jī)模塊 無線發(fā)送模塊 NRF905單片無線收發(fā)器工作于 433/868/915MHz 的 ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 650μs。工作電壓為 ， 32引腳 QFN 封裝。自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和 CRC 校驗(yàn)碼，可以很容易通過 SPI 接口進(jìn)行編程配置。外圍器件連接簡(jiǎn)單，無需外部 SAW 濾波器。 NRF905 有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是 ShockBurst TM 發(fā)送模式和ShockBurst RM接收模式，兩種節(jié)能模式分別是掉電和 SPI 編程模式、 STANDBY 和 SPI編程模式。NRF905 的工作模式由 TRX_CE、 TX_EN、 PWR_UP 三個(gè)引腳的設(shè)置來決定，詳見表 21。 無線防盜報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作 8