【文章內(nèi)容簡介】 絡(luò) ——GSM 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計基于 GSM 網(wǎng)絡(luò)短消息的報警系統(tǒng)，可以將報警信號以發(fā)送短消息的方式傳輸?shù)饺魏?GSM 網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋的地方，具有成本低、報警范圍大、系統(tǒng)靈活性和可靠性高的特點。 GSM是目前發(fā)展較成熟的一種數(shù)字移動通信系統(tǒng)，其中 短消息是利用最廣泛的通信方案，把需要發(fā)的信息加上目的地址發(fā)送到短消息服務(wù)中心，由服務(wù)中心轉(zhuǎn)發(fā)給目的地址，具有實現(xiàn)簡單、通信成本低、頻譜利用率高和保密性好等特點。因此，基于 GSM 的報警系統(tǒng)，充分利用了 GSM 無線移動通信網(wǎng)絡(luò)平臺，不僅實時、自動、可靠及方便地實現(xiàn)了遠(yuǎn)程通信報警的監(jiān)控，而且打破了防盜報警地域的限制。 本課題主要研究內(nèi)容 設(shè)計內(nèi)容 本設(shè)計利用熱釋電紅外傳感器感應(yīng)外界信號，由于熱釋電傳感器輸出的探測信號十分微弱（通常僅有 1mV 左右）而且是一個變化的信號，所以需要和放大電路相配合 ，將信號放大 70 分貝以上，這樣就可以測出 10~20 米范圍內(nèi)人的行動。當(dāng)有人接近時，通過蜂鳴器、 LED 報警，或者通過單片機(jī)控制 GSM 模塊向手機(jī)發(fā)送報警短信。要求： （ 1）能夠感應(yīng)到 10~20 米范圍內(nèi)人的行動； （ 2）編寫單片機(jī) c 程序代碼，實現(xiàn) RS232 串口與 GSM 模塊通信，控制 GSM模塊發(fā)出報警信號； （ 3）對電路和程序進(jìn)行調(diào)試，最終實現(xiàn)短信報警功能。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 4 頁 共 II 頁 設(shè)計方法 該系統(tǒng)利用熱釋電紅外傳感器 感應(yīng)外界信號 ，單片機(jī)是整個系統(tǒng)的核心控制部件，傳感器觸發(fā)的報警信號經(jīng)過信號處理電路后輸入到單片機(jī) ，單片機(jī)對信號加以判斷，然后發(fā)出命令，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)使系統(tǒng)按照一定的順序進(jìn)行工作。這里包括：當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)有人時，一方面采用現(xiàn)場聲、光報警；另一方面引入先進(jìn)的GSM 通訊技術(shù)，利用 GSM 無線通訊網(wǎng)絡(luò)，將來人這個信息傳遞給戶主，戶主在得到信息后，可以采取相應(yīng)的措施。 本課題可以分為單片機(jī)基本電路模塊、信號檢測與處理模塊、聲光報警模塊、GSM 通信模塊、單片機(jī)控制模塊五個模塊： 單片機(jī)基本電路模塊主要包括電源電路、復(fù)位電路、時序產(chǎn)生電路，即構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)的基本電路； 信號檢測與處理模塊主要包括信號檢測電路、信號處理 電路（信號放大濾波等）； 聲光報警模塊主要是基于發(fā)光二極管以及揚聲器的驅(qū)動電路； GSM 通信模塊是基于西門子公司 TC35 模塊和單片機(jī)之間的通信； 單片機(jī)控制模塊主要是通過單片機(jī)控制 GSM 模塊發(fā)出短信以及聲光報警。 本章小結(jié) 本節(jié)主要介紹了課題研究的背景和意義，以及研究內(nèi)容和要求，同時對課題的研究方法進(jìn)行了簡單介紹。 2 報警電路 設(shè)計 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 II 頁 系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括信號采集與處理電路、單片機(jī)基本電路、聲光報警電路、 GSM 模塊與單片機(jī)連接電路 ，總體框圖如圖 所示。 圖 報警電路總體框圖 信號采 集與處理電路 熱釋電傳感器 熱釋電紅外傳感器（ Pyroelectric Infrared Detector,PIR）就是利用熱釋電效應(yīng)的原理，將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電能的一種元件，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極而構(gòu)成響應(yīng)元。它通常由兩個極性相反的傳感元件串聯(lián)連接，并于一個高阻和一個場效應(yīng)晶體管組裝在一起。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 。當(dāng)傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有變化時，因熱 釋電效應(yīng)會在兩個電極上產(chǎn)生電荷，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷會跟空氣中的離子結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，傳感器無輸出。與所有熱傳感器一樣，熱釋電傳感器的工作原理可以用 3 個過程來描述：由輻射轉(zhuǎn)化為熱的吸收過程：由熱轉(zhuǎn)化為溫度的加熱過程：由溫度轉(zhuǎn)化電的測溫過程。 圖 熱釋電紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 熱釋電傳感器 LHI778 外形 紅外輻射在自然界中無處不在，任何高于絕對零度 （－ 273℃ ）的物體都會有紅外線向周圍空間輻射，其本質(zhì)是熱輻射。物體溫度越高，則輻射的紅外線越多，紅外輻射能量就越強(qiáng)。而人體都有恒定的體溫，一般在 37 度，根據(jù)維恩位89C52 單片機(jī)外圍電路 信號采集與處理電路 聲光報警電路 GSM 通信模塊 S D G 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 6 頁 共 II 頁 移定律： m? T = K,所以會發(fā)出波長約 10um 左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的 10um左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10um 左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。根據(jù)熱釋電效應(yīng)，當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，而紅外感應(yīng)源采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。 近年來熱釋電紅外傳感器除了用于遙感、制導(dǎo)、夜視、主動雷達(dá)、熱成像、氣體分析、輻射計、測溫等軍事和工業(yè)場合外，它在消費電子電器產(chǎn)品中的應(yīng)用正迅速增長。目前應(yīng)用最多的是檢測人的傳感器，比如用于防盜報警系統(tǒng)。 熱釋電紅外 信號采集及調(diào)理電路 本設(shè)計選用 PerkinElmer 公司的 LHI778 熱釋電紅外傳感器，它是雙元傳感器，由硅窗、敏感材料、高值電阻 Rg、場效應(yīng)管 以及 為增強(qiáng)抗干擾能力 而并的一個電容組成。其外形結(jié)構(gòu)如圖 所示。 D 腳和 S 腳分別為內(nèi)部場效應(yīng)管的漏極和源極的引出端， G 腳為內(nèi)部敏感元接地引出端。因 S 和 G 之間懸空，故使用時在這兩個引腳之間應(yīng)接入一個輸出電阻 Ro，才能輸出傳感信號。 熱釋電紅外傳感器是一種高阻抗的器件，容易引入噪聲，所以與它相連的第一級前置放大電路必須采用高輸入阻抗、低噪聲的場效應(yīng)晶體管，并把它封裝在熱釋電探測器管殼內(nèi)。這樣可以有效地降低干擾、防止外界干擾及機(jī)械振動的影響。高值電阻 Rg 的作用是釋放柵極電荷，使場效應(yīng)管安全正常工作。 熱釋電紅外傳 感器輸出的信號很微弱，容易受到噪聲的干擾，甚至有效信號被淹沒在噪聲中。研究發(fā)現(xiàn)傳感器上輸出信號的干擾源主要來自傳感器的熱噪聲、固有噪聲、放大器的電壓和電流噪聲等。熱噪聲是由探測器材料中的電荷載流子的隨機(jī)熱運動而產(chǎn)生的。要減小熱噪聲帶來的影響，應(yīng)盡量縮短熱釋電傳感器和前置放大電路之間的距離，減少外界熱干擾，并在前置放大電路中串入低通濾波電路，限制噪聲帶寬。傳感器的固有噪聲電壓峰峰值約為 50uv，室外熱空氣流動能夠產(chǎn)生接近 250uV 的噪聲，在室內(nèi)也接近 180uV。其他可能存在的干擾，如空間電磁波干擾和機(jī)械振動等 ，噪聲幅值接近 100uV，三種噪聲疊加最大幅值接近 300uV。所以需要對其進(jìn)行放大處理，同時還要濾波以去除干擾和噪聲。因此，本設(shè)計采用的信號調(diào)理電路包括兩級增益放大、帶通濾波、比較電路組成，其電路如圖 所示。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁 共 II 頁 圖 中傳感器 D 端和 5V電源之間串聯(lián)一個 10K 的電阻，用于降低射頻干擾。G 端接地， S 端接 47K 的負(fù)載電阻。傳感器輸出直接耦合至低噪聲運放（ LM324）構(gòu)成的帶通濾波和第一級放大電路的反向輸入端，然后再經(jīng)過電阻 R電容 C4耦合至第二級放大電路進(jìn)行進(jìn)一步濾波放大。 圖 熱釋電紅外傳感器信 號調(diào)理電路 根據(jù)濾波器的特點，其截止頻率公式為： RCf ?2 1? （ 式） 可得在本設(shè)計帶通濾波電路中 ，上限截止頻率為 ，下限截止頻率為；在放大電路中第一級放大增益為 100，第二級放大增益大約為 20，因此經(jīng)過兩級放大后電路總增益可達(dá)到 66dB。 雙限電壓比較器由四運放 (LM324)的另兩個放大器構(gòu)成。由于 噪聲源最大幅值接近 300uV，經(jīng)兩級放大電 路后，最大噪聲幅值達(dá)到 600 mV。第二級放大電路偏置在 VCC／ 2，即 V，因此，雙限電壓比較器的高低閾值應(yīng)設(shè)置為 V和 V 時才能有效抗噪聲干擾，即當(dāng)放 大器輸出信號電平大于 V 或者小于 時，比較器輸出高電平，表示探測到移動人體。 GSM 模塊 TC35 概述 TC35 模塊是 Sielnens 公司推出的新一代 GSM 無線通信模塊，它可以快速可靠的實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù) SMS(Short Message Service)和傳真。模塊工作電壓為 （典型值為 ）， 可工作在 900MHz 和 180OMHz 兩個頻中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁 共 II 頁 段，它提供 RS232 數(shù)據(jù)口，符合 和 標(biāo)準(zhǔn)，模塊采用 AT Command 接口，支持文本和 PDU 模式的短消息。通過 40 引腳的 ZIF 連接器，實現(xiàn)指令、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸。 TC35模塊主要由 GSM基帶處理器、 GSM射頻模塊、供電模塊 (ASIC)、 FLASH存儲器、 40芯 ZIF插座、天線接口等六部分組成。 GSM基帶處理器是整個模塊的核心，主要處理 GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字功能。射頻 天線部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，實現(xiàn)外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換，供電模塊為處理器以及射頻部分提供所需的電源， 40芯的 ZIF插座為用戶提供包括電源、數(shù)據(jù)輸入輸出、 SIM卡接口、音頻接口和控制等的接口。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 。 TC35 帶有 RS232 數(shù)據(jù)口，符合 ETSI 標(biāo)準(zhǔn) 和 ,且易于升級為 GPRS 模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體 ,向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的 AT 命令接口 ,為數(shù)據(jù)、語音和短消息提供快速、可靠、安全的傳輸 ,方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計。本設(shè)計就是利用該模塊中串口 實現(xiàn)與單片機(jī)的通信。 圖 TC35 結(jié)構(gòu)框圖 TC35 模塊共有 40 引腳，通過一個 ZIF（ Zero Insertion Force 零阻力）連接器引出。這 40 個引腳主要包括 電源、數(shù)據(jù)輸入 /輸出、 SIM 卡、語音接口和控制引腳。其引腳分布如圖 所示。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9 頁 共 II 頁 圖 TC35 引腳分布圖 各管腳功能如下： 1～ 14 引腳為電源部分，其中 l～ 5 引腳為電源電壓輸入端 VBATT+； 6～ 10引腳為電源地 GND， 11～ 12 引腳為充電端， 13 引腳為對外輸出電 壓 (供外部電路使用 ) ， 14 引腳 ACCU／ TEMP 接負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻； 24～ 29 引腳為 SIM 卡連接端分別為 CCIN、 CCRST、 CCIO、 CCCLK、CCVCC 和 CCGND； 1 31 和 32 引腳為控制部分， 15 引腳為啟動線 IGT(Ignition)。當(dāng) TC35通電后必須給 IGT 一個大于 100 mV 的低電平，模塊才能啟動。 30 引腳為 RTC backup（后備電池）； 31 引腳為掉電控制 Power down； 32 引腳為 SYNC， 16～23 引腳為數(shù)據(jù)輸入 /輸出端分別為 DSR0、 RING0、 RxD0、 TxD0、 CTS0、 RTS0、DTR0 和 DCD0。 33～ 40 引腳為語音接口用來接電話手柄。 TC35 的數(shù)據(jù)輸入 /輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，它符合ITUTRS232 接口標(biāo)準(zhǔn)，它有固定的參數(shù)： 8 位數(shù)據(jù)位和 1 位停止位，無校驗位，波特率在 300bps115kbps 之間可選，硬件握手信號用 RTS0/CTS0，軟件流量控制用 XON/XOFF,CMOS 電平，支持標(biāo)準(zhǔn)的 AT 命令集。通過這一接口可以用 AT 命令切換操作模式，可以使它處于語音、數(shù)據(jù)、短消息或傳真模式。 聲光報警電路 本 設(shè)計中聲光報警電路是利用三極管、發(fā)光二極管以及揚聲器進(jìn)行設(shè)計其設(shè)計電路如圖 所示。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 共 II 頁 D1LED0200R1Q1PNP100R2VCCLS1SpeakerGNDP11 圖 聲光報警電路 該電路工作原理為當(dāng)有人經(jīng)過時， 傳感器輸出 信號 經(jīng)過信號處理電路和電壓比較電路后， 給單片機(jī) 輸入 一個 高電平 信號，進(jìn)而單片機(jī) 作出響應(yīng) 將 口置低，從而該電路開始工作 ，即發(fā)出聲光報警 。 單片機(jī)控制電路設(shè)計 89C52 單片機(jī)概述 本設(shè)計選用 STC89C52 單片機(jī)， 它是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（ FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能 COMOS8 的微處理器。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 89C52 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 單片機(jī) 引 腳說明 時鐘電路 程序計數(shù)器 PC 4KB 程序存儲器 數(shù)據(jù)存儲器 定時 /計數(shù)器 T0/T1 CPU 總線控制 中斷系統(tǒng) 5 中斷源、 2 優(yōu)先級 4 個可編程 并行 I/O 口 串行口 全雙工 1 個 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 共 II 頁 本設(shè)計選用 STC89C52 單片機(jī)采用 DIP40 封裝，共有 40 個引腳，包括電源引腳、外接晶體引腳、并行 I/O 引腳、控制引腳。其引腳分布如圖 所示。 圖 51 單片機(jī)管腳分布圖 VCC：供電電壓 +5V。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位三態(tài) I/O 口，每腳可吸收 8 個 TTL 門電流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。在作為驅(qū)動時， P0 外部必須被拉高。 P1口： P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4個 TTL門電流。 P1口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口： P2口為一個內(nèi) 部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口，當(dāng)作為 I/O口使用時，可直接連接外部 I/O設(shè)備。它是地址總線的高 8位復(fù)用，可驅(qū)動 4個 TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展地址總線的高 8位使用。 P3口： P3口管腳是 8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O口，是雙功能復(fù)用口。 P3口也可作為 AT89S51的一些特殊功能口，各位定義如下： /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖） RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩 器運行時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間，復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為小于或等于 。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 共 II 頁 ALE/ PROG ：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低 8 位。平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，其頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE脈沖。 PSEN ：外部程序存儲器的讀選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA /VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，只訪問外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 單片機(jī) 外圍 電路 單片機(jī)基本電路主要包括時鐘電路、復(fù)位電路以及一些基本設(shè)置。 STC89C52 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益 反相放大器，引腳 XTAL1和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生，本設(shè)計采用內(nèi)部方式產(chǎn)生時鐘。內(nèi)部方式的時鐘電路如圖 所示，在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。晶體振蕩頻率可以在 ～12MHz 之間選擇，電容值在 5～ 30pF 之間選擇，電容值的大小可對頻率起微調(diào)的作用。 圖 時鐘電路 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁 共 II 頁 動。 在 STC89C52 中 RST 引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，其有效時間應(yīng)持續(xù) 24 個振蕩周期 (即二個機(jī)器周期 )以上。整個