科研项目总体规划.docx
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科研项目总体规划
汽车多功能防盗报警器方+总的外围声光控报警器
汽车多功能防盗报警器的总体框图
汽车多功能防盗报警器由电源电路、传感器检测电路、遥控电路、声光报警器电路、点火系统电源切断电路、无线报警电路和单片机组成。
图1为汽车多功能防盗报警器方框图。
图1汽车多功能防盗报警器方框图
中央处理单元设计
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL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ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
电源电路设计
汽车报警器的电源采用汽车蓄电池供电，汽车蓄电池提供12V的直流电压，12V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，作为汽车报警器器的主电源。
电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。
同样电容C3为滤波电容，C4为高频旁路电容。
R1为限流电阻，LED1为5V电源指示灯。
电源电路原理图如图4所示。
图4电源电路
（1）单片机AT89S51正常工作所需的+5V电压。
该电源电路的输出电流应该不低于100mA，试验证明，当电流低于100mA时，外围电路不能正常工作，甚至导致单片机中程序的误动作。
（2）报警驱动电路正常工作时所需要的+12V工作电压。
该电压一方面作为PWM输出电路的工作电压，单片机输出的矩形波进行足够的放大。
另一方面为报报警驱动电路提供正常工作电压。
遥控模块设计
本系统的遥控模块主要完成报警状态的切换功能。
报警状态的切换功能是当用户在车上时可以将报警器设为撤防状态，以免误操作；当用户离开车时将报警器设为设防状态，实现无人时的报警。
本文采用PT2262/PT2272红外编码/解码芯片组实现对系统的遥控功能[3]。
PT2262/PT2272介绍
PT2262/PT2272是台湾普城公司生产的一种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。
（1）编码芯片PT2262
PT2262的外形图和引脚如图5所示。
图5PT2262外形图和引脚
表3PT2262管脚说明
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）；
D0-D5
7-8、10-13
数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
TE
14
编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端；
Dout
17
编码输出端（正常时为低电平）
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。
（2）解码芯片PT2272
PT2272的外形图和引脚如图6所示。
图6PT2272外形图和引脚
表4PT2272管脚说明
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-D5
7-8、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
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
DIN
14
数据信号输入端，来自接收模块输出端
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端；
VT
17
解码有效确认,输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）
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。
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，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的1～8脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。
当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1～D4端输出约4V互锁高电平控制号信，同时VT端也输出解码有效高电平信号。
用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。
遥控控制电路设计
遥控模块电路设计如图7和图8所示。
图7发射电路
发射电路如图7所示，编码芯片PT2262的发射位使能端TE始终接地，使数据在任何时刻输入均有效、当按下S1、S2、S3和S4键时，DOUT端正常输出，不受任何限制。
接收电路如图8所示，红外接收选用SBX1610。
它是红外放大、解调一体化组件成品，当SBX1610的感光窗接收到由发射器发来的红外线调制信号时，经内部电路处理后，从AI的OUT端输出，经三极管VT2放大倒相后，送到解码芯片PT2272的DIN端，本设计的解码芯片PT2272采用具有锁存输出的有PT2272L4芯片，解码正确时，VT端输出。
此时，解码芯片PT2272L4的数据输出端与编码芯片PT2262的输入相一致。
本设计采用S1作为汽车报警器的防盗设置按键，任意按下S2、S3和S4中的一个键是汽车报警器的撤防操作，单片机定时检测P1.2口线，当检测到有信号输入时，就停止主程序的循检工作，再次检测到信号时恢复主程序工作。
因为，系统的遥控电路只用来完成设防撤防的切换，硬件电路可以简化。
图8接收电路
汽车防盗报警设计
当车辆停放时，车主用遥控器启动汽车报警器的防盗设置，报警器处于设防状态。
如果有人企图打开车门进入车内启动汽车时，汽车报警器的震动传感器和热释电红外探测传感器两路传感器同时采集到警情信号，经与非门电路输出警情信息给89S51单片机，单片机通过判断处理后，输出信号进行声光报警，同时切断点火系统的电源，并把报警信息通过无线信号发射电路发给车主报警；当报警器处于撤防状态时，不响应此报警信息[4]。
本设计采用的震动传感器是国产T968A型“一体化”微震动传感器。
国产T968A型“一体化”微震动传感器采用塑料壳封装，外形如同半个椭圆体，见图9（a）所示在外壳正面右上角有一发光二极管，用作通电指示；左上角有一灵敏度调节孔，里面实际上是一个微调电位器，调节它的阻值可改变探测震动的灵敏度，以满足不同场合需求。
引出线为一根长约1.2m的双芯屏蔽线，红色线接电源“+”极，白色线为输出端OUT，屏蔽皮网线（套有一小段黑色塑管）接电源“-”极，T968A的内部电路功能框图见图9（b）所示，其特点是：
灵敏度高，并可随时调节探侧震动的灵敏度，以满足不同场合需求；能全方位探测，无死角；输出为正极性高电平脉冲，能直接与晶体管及数字逻辑电路接口；外壳小巧坚固，能在各种恶劣环境下使用。
T968A的主要电参数为工作电压5-12V，静态工作电流≦2.5mA；传输方式为正为正极性震动脉冲，输出电平≧Vcc（工作电压0）－1V，可探测震动的频率范围100-3000Hz。
图9T968A型“一体化”微震动传感器
红外探测传感器选用新型热释电红外探测模块HN911L。
采用新工艺制作的HN911系列红外传探测模块，由于在结构上采用了微型化、设计上突出了对信号处理电路和抗干扰能力的改善，其抗干扰性能，特别是在抗电磁波性能方面，得到很大提高。
HN911L模块的静电流仅为20uA，电源电压为DC5V±10％，电源不大于VDD±0.02V,传感响应度大于2500V/W，传感水平角度大于100°，传感垂直角度大于80°。
HN911L内电路包括高灵敏度红外传感器、放大器、信号处理电路、输出电路等。
当防范区无人移动，即红外探测器件没有接到移动人体辐射出的红外信号时，整个模块处于静止状态，此时耗能极少，其输出端①脚呈低电平，②脚呈高电平；当有人接近汽车进入车内时，移动人体发出的红外线，热释电红外传感器遥测移动人体发出的该微热红外信号，送入HN911L，通过放大、滤波后，由比较电路进行比价鉴别，再经信号处理电路处理和延时后，由驱动级在输出端输出放大后的高、低电平信号。
该模块中的放大器具有“增益调节”功能和温度补偿功能。
这主要是考虑到在红外探测器工作过程中，周围环境的红外线（波长为0.3～20μm）辐射能量与移动人体辐射出的红外射线一起被接收，当空气升高时，背景红外辐射会增强，将会影响到对人体辐射的红外线（中心波长为8～11μm）的检测。
设置温度补偿电路，可使放大器通带（0.3～7Hz）内的增益随环境温度的升高而自动提升，以保证探测器的温度稳定性。
汽车轮胎欠压检测设计
汽车在行驶中，若轮胎气压不足，则会导致轮胎磨损加剧、行驶阻力增加、油耗增加。
且在紧急制动时，若某侧轮胎压力偏低，就会造成车身偏转，甚至酿成事故。
如果轮胎气压在低于某一设定值时，能发出报警信号，告知驾驶员应及时补气，对提高行车安全性和经济性具有十分重要的意义[5]。
汽车轮胎欠压报警器的设计难点及其解决办法
汽车轮胎欠压报警器的设计必须解决两个难题：
一是压力传感器的能源，通常压力传感器工作时将压力转换为电信号必须要有电源，电源如果取自汽车交流发电机或蓄电池，则需安装电刷和集电环组件，因为车轮工作时是旋转的，如果在车轮上加装交流发电机或安置电池，则其结构复杂、成本高。
二是信号的传输问题，若信号采用接触式传输，因汽车车轮工作环境恶劣，这样势必会降低信号传输的可靠性：
如果采用电信号发射和接收方式实现耦合，则电路复杂、维护困难。
本文设计的汽车轮胎欠压报警器，采用轮胎内气体压力作为动力，巧妙地利用轮胎内气压变化差使弹性元件（弹簧与波纹管组件）产生压缩和拉伸变化，并使磁钢产生位移，从而改变磁感应强度，即由轮胎内空气作为传递信号的介质，从而减少了动力消耗；再利用空间磁场实现信号耦合。
该汽车轮胎欠压报警器，可通过调整螺钉调整在0.13～0.15MPa内的任一气压报警，适用于不同型号的车辆，试验时重复报警率误差在50kPa以内。
该种汽车轮胎欠压报警器结构简单，性能稳定可靠。
压力传感器的结构和工作原理
压力传感器的结构如图10所示。
压力传感器固定安装在汽车轮毂上，随车轮一起转动，由接口通过铜管与气门心连通。
当轮胎内压力充足时，在气体压力作用下，波纹管和弹簧被压缩，由导杆带动磁钢右移；当欠压时，气体压力减少，波纹管与弹簧伸长，通过导杆推动磁钢左移，因此由轮胎内气体的压力变化可实现磁钢的左右移动。
弹簧的初始压力可以通过调节调整螺钉来调节，整个工作过程中弹簧始终处于压缩状态，波纹管在轮胎欠压时，因弹簧伸长而处于拉伸状态；在非欠压状态下，其处于压缩状态[2]。
波纹管和弹簧组件的钢度为:
K=Kt±K
（1）
式中；Kt———弹簧钢度
Kb———波纹管的钢度,压缩时Kb>0,拉伸时Kb<0
在欠压状态下，波纹管和弹簧组件的钢度为:
K=Kt-Kb
（2）
灵敏度S=1/K。
设弹簧输入功率谱密度为Sx=SO,弹簧的阻尼系数C为常数,则系统的传递函数：
H（i）=K∕（K+iC）（3）
图10汽车轮胎欠压报警器压力传感器结构
霍尔效应开关
霍尔效应开关固定安装在制动底板上，霍尔元件与压力传感器中磁钢的安装距离为3～5mm。
霍尔效应开关工作原理图如图11所示。
图11中H为霍尔元件，A为运算放大器，D为触发器，R为温度补偿电阻。
R远远大于霍尔元件输入电阻，这样温度变化时，霍尔元件控制电流几乎不变。
霍尔电势En=KHBI（KH为霍尔常数），控制电流不变时，霍尔电势En正比于磁钢的磁感应强度B。
当轮胎气压低于某一设定值时，磁钢移向霍尔元件，从而产生电压输出。
输出的电压信号经运算放大器A放大，并由触发器D将其转移变为脉冲信号输出，使三极管工作在开关状态，再将三极管输出的信号给单片机；也可使扬声器工作发出报警信号，告知驾驶员应及时补气。
触发器D可保证三极管可靠地工作在开关状态。
图11霍尔开关工作原理
对轮胎欠压的检测，采用由特制压力传感器和霍尔效应开关组合实现检测。
它们的原理为，让轮胎内气压变化作为动力，通过压力传感器中的弹簧与波纹管组件压缩、拉伸，使磁钢产生位移，以改变磁感应强度，再利用空间磁场实现信号耦合。
在控制电流不变时，霍尔电势正比于磁钢的磁感应强度。
当轮胎气压低于某一设定值时，磁钢移向霍尔元件，霍尔元件产生输出电压信号。
输出电压信号经放大器放大输出给模数转换电路，并由A/D转换器将信号传送给AT89S51单片机。
压力传感器固定安装在汽车轮毂上，随车轮一起转动，由接口通过铜管与气门芯连通。
而霍尔效应开关固定安装在制动底板上，霍尔元件与压力传感器中磁钢的安装距离为3～5mm。
冷却系统温度检测设计
目前,汽车上用温度传感器有热电阻式、热敏电阻式和热电偶式三种主要类型。
三种类型传感器各有特点,其应用场合也略有区别。
热电阻式温度传感器测量精度高,稳定性好。
热敏电阻式温度传感器灵敏度高,响应特性好,但线性差,适应温度较低。
热电偶式温度传感器的精度高,测量温度范围宽,但需要配合放大器和冷端处理一起使用[6]。
本系统采用的是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测度数，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。
DSl8B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线（和地线）。
DSl8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。
因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。
DSl8B20的测量范围从-55摄氏度到+125摄氏度，增量值为0.5摄氏度，可在ls（典型值）内把温度变换成数字。
每一个DSl8B20包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DSl8B20内部的ROM（只读存贮器）中。
开始8位是产品类型编（DSl8B20编码均为10H）。
接着的48位是每个器件唯一的序号。
最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。
DSl8B20中还有用于存储测得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号为0号和1号。
1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负（摄氏度），则1号存贮器8位全为1，否则全为0。
0号存贮器用于存放温度值的补码，LSB（最低位）的1表示0.5摄氏度。
将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值（-55摄氏度-125摄氏度）。
每只D518B20都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。
采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长，采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。
其内部结构图如图12所示。
图12DS18B20内部结构图
DS18B20主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM）、用于存储用户设定的温度上下限值TH和TL的触发器、存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器8部分。
DS18S20既可以采用寄生供电，也可以采用外部5V电源供电，本电路的设计采用的是外部5V电源供电。
光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
64位激光ROM的结构图如图7所示。
DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时UCC、GND接地，I/O接单片机I/O。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5k左右的上拉电阻。
CPU对DS18B20的访问流程是：
先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。
DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。
如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
其软件设置程序的流程图如图13所示。
DS18B20把检测到的温度信号输入单片机AT89S51的P1.3口。
当发动机预热及正常工作时，检测到数据与单片机中数据存储器中存放的数据进行比较，若小于参考值，报警电路无声光报警。
当发动机工作异常，检测的水温数据超过参考值时，单片机驱动报警电路进行报警。
图13DS18B20的软件设置程序
报警驱动电路、切断点火系统电源设计
声音报警系统的设计采用发光二极管和扬声器组成，该报警驱动电路是以分立元件组成的多谐自激振荡升压电路，其电路原理图如图14所示。
图14声报警驱动电路
当89S51的P2.0有信号变化时，送入本报警驱动电路，经Q1基极输入，如果信号电压达到三极管Q1导通放大条件，Q1开始工作，集电极输出电平通过C2耦合到Q2的基极，使Q2进入工作状态，同时Q2集电极输出电压通过C1耦合到Q1基极，完成自激振荡。
Q3和Q4的工作原理与Q1和Q2的工作原理是一样的，Q4的集电极同时输出信号电压加在由Q5和Q6组成的NPN复合三极管上，对信号电压进行高倍放大，送入升压变压器初级，耦合到次级加给扬声器，产生大功率报警声音。
光报警电路、切断点火系统电源电路如图15所示，发光二极管D3-D5分别与单片机的P2.1-P2.3端口相连，D3表示防盗报警；D4表示汽车轮胎欠压报警；D5表示汽车冷却系统温度报警；切断点火系统和控制油路由单片机控制继电器KM1，通过继电器KM1的触点的开关和闭合实现对汽车点火系统和控制油路的控制。
图15光报警电路、切断点火系统和控制油路
无线报警设计
无线信号发射电路的设计以MICRF102为核心,如图16所示。
MICRF102是Micrel公司推出的一个单片UHFASK发射器，MICRF102采用SOP（M）-8封装,芯片内包括由基准振荡器、相位检波器、分频器、带通滤波器、压控振荡器构成的合成器;发射偏置控制;RF功率放大器;无线调谐控制和变容二极管等电路,是一个真正的“数据输入-无线输出”的单片无线发射器件。
由它给驾驶员发送无线信号。
UHF合成器产生载频和正交信号输出。
输入相位信号（I）用来驱动RF功率放大器。
天线调谐正交信号（Q）用来比较天线信号相位。
天线调谐控制部分检测天线通道中发射信号的相位和控制变容二极管的电容，以调谐天线，实现天线自动调谐。
功率放大器输出受发射偏置控制单元控制。
ASK/OOK调制，提供低功耗模式，数据传输速率为20kb/s。
MICRF102使用中应注意的问题是：
（1）REFOSC（引脚4）是基准振荡端，连接晶振到地，或采用AC耦合方式输入峰-峰值为0.5V的时钟脉冲。
发射频率是基准振荡器频率的32倍：
基准振荡频率×32=发射频率。
如果使用外接时钟信号，须采用AC耦合方式，输入信号幅度峰-峰值为200~500mV。
（2）MICRF102使用差分输出去驱动天线负载。
功率放大器输出级包含有一个变容二极管，它自动与天线的电感调谐，以保证谐振在发射频率上。
典型的PCB导线天线的电感与回路的尺寸、天线导线的宽度、PCB铜泊的厚度和接地板的位置有关。
设计时一般选择变容二极管的电容值为6.5pF。
天线电感L由公式L=1/（4π2f2C）计算。
（3）功率放大器的输出功率与PC端（引脚1）上的电压有关。
正常工作时，该引脚端上的电压被设置在0.2~0.4V之间。
PC端上的电压上升，输出功率加大；但是，如果PC端上的电压超过0.4V，功率放大器被限流，输出功率不再增加。
减少PC端的电压可降低电源功率消耗，同时也会减少RF输出功率。
（4）STBY端（引脚5）是待机模式控制。
接VDD为发射方式，接VSS为待机模式。
（5）MICRF102芯片对电源纹波敏感，正确地电源旁路是必需的，一般使用4.7μF、0.1μF、100pF3个电容并联在VDD和VSS之间[7]。
图16无线信号发送电路
无线接收电路是以MICRF007为核心，如图17所示。
MICRF007是Micrel公司推出的单片UHFASK/OOK（导通-关断键控）超外差无线电接收芯
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