无线防盗报警装置.docx

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无线防盗报警装置

1前言

1.1课题背景

随着我国经济建设的快速发展，一些在国民经济和社会生活中特殊重要的场所越来越多，人们对居住环境，工作场所的安全要求越来越高。

如何实现准确，实时的安全防范已成为社会的重要需求。

本文设计的无线防盗报警系统既有可靠性高，成本低，可同时对多点进行安全检测。

1.2课题设计原理

近年来，随着科学技术的不断发展，和人们安防意识的提高，红外传感器在防盗报警系统中的得到越来越广泛的应用，其技术性能也在不断提高。

本文利用对射式红外线传感器，数字编译码集成电路，配合无线电收发模块等器件，设计了红外探测无线遥控数显防盗报警系统。

由于它是利用人眼观察不到的红外线光束，组成无线监控区域，所以具有极强的保密性和和可靠性，只要有人非法进入红外监控区域，人体势必会遮挡红外线光束，红外传感器输出控制信号，这时电路就会启动发射机工作，接收机就会发出响亮的报警声贸易引起值班人员的注意，同时数码管亮，显示报警地点。

该报警系统有一台接收机和若干发射机分机组成。

根据防盗要求，发射分机分布在不同的防范地点，接收机只有一台，放置在值班室里。

编译码芯片用PT2262/2272，控制芯片用AT89S51，接收报警信息并在数码管上显示出报警点地址，同时主机可以发出控制信息，控制信息是一组固定的编码，用来关闭检测点和开启监测点，可以实现在主控台完成对检测点的控制。

1.3设计任务

（1）完成监测点发射装置的设计

（2）完成集中控制台的系统规划和实际

（3）集中控制台可根据需要关闭监测点报警装置

1.4设计意义

如今市场上成熟的无线防盗报警产品有被动式的、主动式的和多技术复合式的。

但前两者都有致命的缺点就是误报率很高，而多技术复合式的防盗报警器误报率很低，也是未来发展的主要方向。

即使如此，我依旧设计的是主动式防盗报警器，因为我以目前的水准很难对已成熟的产品有所突破而设计出一流的产品。

个人认为设计无线防盗报警器的意义在于设计的过程，在设计的过程中我们才会把这几年在学校里学到的融合，同时也让自己明白我们的学习道路还很遥远。

2系统的总体设计

多路无线防盗报警器主要是由无线人体探测器（红外探测信号发射电路）、无线接收电路、数据解码电路、中央控制单元、数字显示单元、报警电路和电源电路等部分组成。

其结构如图2.1

图2.1系统的设计结构图

现在基本的模块是清晰明了，但最为重要的是每一模块的设计。

先从无线人体探测器开始，我们需要一个红外对射传感电路处理所探测的信号，然后经过编码芯片PT2262进行编码，把编好的码组给射频发射电路的输入端，控制发射电路发送报警信号，接收端采用超再生接收电路，把接收到的编码信号给解码芯片PT2272进行解码把报警信息给主控台，主控台的中央处理器采用AT89S51，主控台接收报警信号后显示报警点地址，主控台也可以发送控制信息来控制监测点。

以下会对每一模块有详叙。

3红外传感电路

3.1红外探测器的发展状况

红外防盗报警器的发展主要是基于传感器之上，所以有必要先谈谈红外传感器的发展状况.而传感器技术是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。

从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新科技之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点。

从而基于传感器技术的防盗报警系统也得到了高速发展。

3.2红外探测器的分类及其介绍

1.被动式红外传感技术是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大，处理，它能可靠的将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。

同时它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。

被动式红外入侵报警器又称热释电红外入侵报警器，由光学系统，红外传感器和信息处理三部分组成。

目前与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式、透射式和折射式。

其中反射式光学系统的灵敏度最高，其探测距离可达25～60m;透射式的灵敏度最低，探测距离为2～10m;折射式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点。

反射式系统的红外传感器要置于镜前，体积大，不好密封，在防尘、防水、抗击、隐蔽性等方面较差，尤其在防盗报警方面不宜采用。

而透射式系统的体积小，密封容易，稳定性好，其价格相对较低，因此目前国外多采用透射式系统。

其工作原理为：

由多元组合菲涅尔透镜构成一定视场和距离的警戒区，监视警戒区内红外辐射量的变化。

当警戒区内无盗贼出现时，红外辐射场处于稳定状态，红外传感器无信号输出。

当盗贼出现在警戒区时，红外辐射场发生变化，这种变化立即被经过巧妙设计的多视场组合菲涅尔透镜会聚，敏感的红外传感器接收后迅速将这种变化转为电信号，这种信号经信息处理部分放大、处理后立即输出报警信号，然后通过传输送达监控器，于是发出报警，示出事发地区。

2.主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。

分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。

红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。

接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。

主动式红外探测器遇到小动物、树叶、沙尘、雨、雪、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。

由于光束较窄，收发端安装要牢固可靠，不应受地面震动影响，而发生位移引起误报，光学系统要保持清洁，注意维护保养。

因此主动式探测器所探测的是点到点，而不是一个面的范围。

其特点是探测可靠性非常高。

但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。

主动式探测器常用于博物馆中单体贵重文物展品的布防以及工厂仓库的门窗封锁、购物中心的通道封锁、停车场的出口封锁、家居的阳台封锁等等。

主动式红外探测器有单光束、双光束、四光束之分。

以发射机与接收机设置的位置不同分为对向型安装方式和反射式按装方式，反射型安装方式的接收机不是直接接收发射机发出的红外光束，而是接收由反射镜或适当的反射物（如石灰墙、门板表面光滑的油漆层）反射回的红外光束。

当反射面的位置与方向发生变化或红外发射光束和反射光束之一被阻挡而使接收机无法接收到红外反射光束时发出报警信号。

3.3红外对射传感电路

3.3.1红外发射驱动电路

红外对射传感电路对外界信息灵敏度高，电路工作状态稳定。

发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射的功率成正比。

为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管都工作在脉冲状态，因为脉冲光的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需要尽量提高峰值，就能增加红外光的发射距离。

提高峰值电流的方法是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度，一些彩电红外遥控器，其红外发光管的工作脉冲占空比约为1/3-1/4，一些电器产品红外遥控器，其占空比是1/10。

减小脉冲占空比还可以是小功率的红外发光二极管的发射距离大大增加。

下图是红外发射驱动电路。

图3.1红外发射驱动电路

LM555时基电路内部由分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等组成，是模拟电路和数字电路的混合体。

其中6脚为阀值端（TH），是上比较器的输入。

2脚为触发端（TR），是下比较器的输入。

3脚为输出端（OUT），有0和1两种状态，它的状态由输入端所加的电平决定。

7脚为放电端（DIS），是内部放电管的输出，它有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定。

4脚为复位端（R），其上低电平（<0.3V）时可使输出端为低电平。

5脚为控制电压端（CV），可以用它来改变上下触发电平值。

8脚为电源（VCC），1脚为地（GND）。

当LM555把高电平触发端（TH）和低电平触发端（TL）连接起来，并外接电阻，电容时构成振荡器，电路工作时不断地发出矩形波信号。

3.3.2红外接收电路

电路正常工作的情况下，当红外线的传输线路没有被挡住时，接收电路能接收到一个方波信号，最后输出低电平，LED灯不亮；当红外线的传输线路被挡住时，接收电路接收不到方波信号，最后输出高电平，LED灯亮。

红外接收电路可以分成两部分，第一部分是信号的接收和放大，第二部分是信号的判断，下图是接收的第一部分。

图3.2红外接收第一部分

红外接收电路的接收由光敏二极管完成，然后在利用运算放大器的“虚地”特性，把光敏二极管产生的微弱光电流转换成电压信号，然后再接两级同相比例放大器，把电压信号放大。

经过两级放大后的电压信号，输入到红外接收电路的第二部分。

下图是红外接收的第二部分。

图3.3红外接收第二部分

第二部分主要进行信号的判断，需要把方波信号和无方波信号（只有低电平）两种情况分开。

当方波信号存在时，方波信号对电容C3不断地进行充放电，然后用运算放大器构成同相比例放大器把加载在电容C3上的电压放大，输出高电平。

这样，就可以实现接收到方波信号时，传感电路输出高电平，接收不到方波时，传感电路输出低电平的功能。

电路参数：

1.运算放大器U1A主要是进行I/V转换，R5，R6取1M。

2.运算放大器U3A，U2A对U1A输出的电压信号进行放大，同相比例放大器的放大倍数为Au=1+Rf/R。

取R7=R9=10K，R8=R10=1M，U3A，U2A的放大倍数均为101倍，电压经过两级放大后，放大倍数为10201倍，能很好的满足电路的要求。

3.三极管Q2控制电容C3的充放电。

4.R12，R13.，C3组成电容充放电电路。

有方波输入时，C3在方波为高电平时开始充电，在低电平时放电，在放电结束前，下一个高电平再次到来。

C3上的波形如图3.4所示。

取R12=10K，R13=5.1K，C3=100nF能满足要求。

5.运算放大器U4A组成电压跟随器，提高输入阻抗，起到信号隔离作用，减小后级电路对前级电路的影向。

6.U5A组成同相比例放大器，取R14=5.1K，R15=68K。

图3.4电容C1在方波驱动下的波形

4编码和解码电路

4.1编码解码芯片

由于无线信号容易受外界环境影响，因此从系统的可靠性考虑，在同一区域内要同时使用多个系统，而相互间又不影响，所以发射的控制信号采用编码的方式进行传送，无线信号经过编码后由发射电路发射出去，在接收端，信息通过解码芯片解码后，送入MCU做进一步的处理。

编码解码芯片如下图所示。

图4.1PT2262管脚图图4.2PT2272管脚图

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。

4.2监测点的编码解码电路

4.2.1监测点的编码电路

监测点的编码电路如下图所示：

图4.3监测点的信息编码电路图

从17脚DOUT端发出串行数据码，用来控制发送电路，实现对发送电路的幅度键控。

地址端（A0-A7）每一个端口通过开关都有两种状态（高电平，低电平），用这两种状态可以组成许多的地址码。

数据端口（D0-D3）用户也可以用开关来给每一个端口一个状态，从而组成不同的数据码。

SIN3输入端连接着芯片PT2262的VCC供电端，用来控制芯片工作，当VCC端有电压时，芯片工作，SIN3另一端连接着监测点解码接收端，当主控台发出不同的控制信号时，经过解码芯片解码后会有不同的动作。

当主控台发出“回执”信息时，通知监测点这次警报信息已接收，不用再发送了，下一次有警报信息时继续发送；当主控台发出“关闭”信息时，解码端会给SIN3端置低电平，芯片不供电，监测点暂停工作；当主控台发出“开启”信息时，解码端经过解码会给SIN3端置高电平，监测点继续工作。

4.2.2监测点的数据解码电路

监测点的数据解码电路如下：

图4.4监测点的数据解码电路

监测点的数据解码芯片PT2272把接收到的信息解码，把其中的控制信息从数据端口（D0-D3）传输出去。

芯片CD4013是一个4门2输入的与非门，通过连线构成了两个基本的RS触发器，用来对控制信息进行进一步的操作。

当数据端（D0-D3）=0001时，表示主控台已接收到报警信号，控制监测点不用再发送报警信息，等待处理。

当数据端（D0-D3）=0100时，表示主控台关闭该监测点的报警装置，不能给编码芯片PT2262供电，这样该监测点没有防盗报警功能。

当数据端（D0-D3）=1000时，表示主控台开启了检测台的报警装置，监测点有防盗报警功能。

5发送和接收电路

5.1发射电路原理

发射电路，有振荡电路、高频放大器，调制方式一般采用ASK和FSK。

振荡电路可以采用电容、电感的振荡特性来设计，也可加入晶振来简单获得载波信号。

一般载波信号的频率在315MHZ-433MHZ，也可实现更高的频率。

通过高频放大器，高频信号获得更高的发射能量，提高发射距离。

其结构图如下图所示

图5.1发射电路结构图

5.2接收电路原理

接收电路里面主要有：

天线，滤波电路，解调电路等几部分组成。

结构图如下图所示：

图5.2接收电路结构图

在制作报警系统实物的过程中，对发送和接收电路的制作是比较繁琐的，现在市场上已有完全集成的发送接收电路，这些集成电路已经完全调整好，工作稳定可靠，管脚少，使用方便。

5.3集成发送模块

图5.2发送集成模块F05P

【主要特点】

[1]低功耗发射

[2]频率稳定

[3]无数据时发射电流为零

[4]较宽的工作电压范围

【引脚定义】 　

1--正电源+3~12V

2--地 

3--数据信号输入 

4--外接天线  

【应用说明】

F05P采用SMT工艺，树脂封装，小体积，内部具有一级调制电路及限流电阻，适合短距离无线遥控报警及单片机无线数据传输。

F05P具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，ASK方式调制。

F05P不能任意调整发射电流，单片机的数据可直接通过串口进入F05P的数据输入端。

F05P在无数据输入时单片机必须为低电平状态；F05P+在无数据输入时单片机必须为高电平状态。

F05P需要输入数据才能发射，数据信号停止，发射电流为零。

F05P对0.1-1ms的数据脉冲发射效果较理想，过宽过窄的脉冲会引起调制效率下降，过调制或调制不足使收发距离变近。

F05P对直流电平及模拟信号不能发射。

如在数据位前加一些乱码可以抑制接收机的零电平燥声干扰。

若采用通用编码器PT2262，发射效果比单片机好，因为PT2262的数据无论怎么变，但脉宽是不变的，即使出现一点突发性的外界干扰，解码器的宽容性也会解码输出高电平。

而单片机则会出现数据错误。

所以单片机必须要工作在可靠的收发区域才能保证较低的误码率。

F05P有4个功能引脚，因为体积小，功耗低，无天线只能满足短距离使用，而天线对距离起着很大的作用，天线能否匹配，也是很关键，匹配良好的天线能增加几倍的距离，匹配不好的天线效果很差甚至会引起频率漂移。

天线的长度应取发射频率的1/4波长，可以用一根直径0.5-1毫米，长度（433M）18厘米；（315M）24厘米的漆包线代替。

但天线必须拉直，指向无所谓。

短于1/4波长或弯曲的天线效果会很差。

F05P应垂直安装在印板边部，应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影响而停振。

FO5P发射距离与输入信号，发射电压，电池容量，发射天线及发射环境有关。

在障碍区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，F05P最佳有效工作距离为100M左右。

5.4集成接收模块

图5.3集成接收模块J04V

【主要特点】

[1]输出无噪声干扰

[2]接收灵敏度高

【引脚功能】

1脚---外接天线

2脚---数据输出端

3脚---数据反相输出端

4脚---工厂测试端（悬空）

5脚---地

6脚---正电源3---3.6V

【应用说明】

J04V工作电压范围：

2.6---3.6V；2.6V时工作电流在0.15mA；3V时约0.2mA；3.5V时约在0.3mA。

J04V适合电池或线性电源，可采用3.7K-4.7K电阻从5V取得3--3.5V，再加220UF电解电容滤波，电解电容的接地点必须靠近J04V的地，J04V输出能力可驱动一支发光二极管。

如果从6V以上的电压用电阻降压会引起工作电压的不稳定。

也可以从220V用电容降压整流滤波后用7805取得5V再用3.7K-4.7K电阻降压滤波取得3.3V。

不适合用稳压管串联分压。

接收模块的电源直接影响到接收电路的稳定性，也是接收电路的主要干扰源，J04V不适合开关电源也不适合用实验室大整流电源做试验。

J04V不适合与发射用同一电源做试验。

J04V内部具有放大整形电路，只适合数据信号的接收而不适合模拟信号。

J04V在A处点可根据需要接一支470K-1M的电阻可使J04V输出更干净，但接收灵敏度会降低。

J04V应安装在印板边部并离开周围器件5mm以上，要垂直于线路板，否则会引起频率偏移。

如果器件较多还必须注意地线布局合理，如果有晶振或其他信号源，必须远离J04V，否则会引起很多无法排除的干扰致使接收电路无法正常工作。

J04V可外接天线提高接收灵敏度，天线长度不限。

6主控台电路

6.1主控台系统构架

根据设计要求，主控台能够接收到监测点发出的报警信号，进行存储，在存储报警点地址后发送回执信息，告示监测点已接收到报警信息，不用再发送了，主控台把报警地址通过LED数码管循环显示出来，提示工作人员尽快到达报警点处理警情。

在某些时段内，由于某些原因，某些报警点不需要报警工作时，主控台可根据需要暂时关闭一些监测点的报警功能，在特殊时段过后，主控台就可以重新开启那些监测点的报警功能，进行有需要的报警业务。

主控台的系统框图如下：

图6.1主控台系统框图

6.2单片机AT89S51

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，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

其主要的性能特点：

1、4kBytesFlash片内程序存储器；

2、128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；

3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；

4、5个中断优先级、2层中断嵌套中断；

5、6个中断源；

6、2个16位可编程定时器/计数器；

7、2个全双工串行通信口；

8、看门狗（WDT）电路；

9、片内振荡器和时钟电路；

10、与MCS-51兼容；

11、全静态工作：

0Hz-33MHz；

12、三级程序存储器保密锁定；

13、可编程串行通道；

14、低功耗的闲置和掉电模式。

图6.2单片机AT89S51管脚图

6.3数码管译码器74LS47

74LS47是BCD七段译码器，其管脚图如下图所示，该电路的输入A0，A1，A2，A3是4为BCD码，输出的是驱动数码管工作的七段反码。

为了增强器件的功能，集成的BCD-七段译码器74LS47增加了LT，RBI和BI/RBO辅助控制信号。

LT是试灯输入，用来测试七段数码管的好坏，当LT=0，BI/RBO=1时，不论RBI和A0，A1，A2，A3的输入为何值，数码管的七段全亮，工作时应置LT=1.RBI是灭零输入，用来熄灭不需要的显示的0.BI是熄灭信号输入，可控制数码管是否显示，RBO是灭零输出。

RBO和BI在芯片的内部是连在一起的，共用一根引脚BI/RBO引出。

电路的管脚图如图所示：

图6.374LS47管脚图

6.4键盘电路

由于在主控台可以根据需要关闭和开启监测点的报警装置，所以需要用按键来选择所要关闭和开启的监测点。

由于控制的功能比较简单，只有四个功能键，直接连接单片机，用独立按键方式，采用中断来处理按键。

对这4个按键分配相应的命令：

[1]表示查询关闭的监测点（当按键按下时产生查询位）

[2]下一个监测点（根据是否有查询位而不同，当有查询位时，按键有效时，查询下一个关闭的检测点，没有查询位时是查询所有的监测点）

[3]关闭监测点

[4]开启监测点（在结束时，把查询时所置的查询位清除）

6.5主控台接收电路和发送电路

主控台在接收电路接收到数据后把数据存储在单片机中，然后在LED数码管上循环显示报警地址。

发送电路在接收到报警信号后发送回执信息，示意接收到报警信号。

在按键产生特定编码后由发送电路发送控制信号来控制监测点。

其主控台的接收电路和发送电路的电路原理图如附图所示。

6.6电源电路

1.电源电路设计原理：

考虑采用典型的变压器降压，全波整流，电容滤波及集成电路稳压的思路进行设计。

由于单片机及后续的无线接收电路等都用5V作为工作电源，所以在经整流和滤波电路后再用三端集成稳压电路进行稳压，为后续电路提供稳定可靠的5V直流电源，三端稳压集成电路采用LM7805。

具体电路图如图

图6.4电源电路

2.电源通过变压会使输入、输出电压不同，从而达到升压或降压的目的。

在我的设计中是要求降压，如图中U1到U2的振幅的变化就是通过降压来实现的；其中U2到U3的波形图的变化就是通过整流电路实现的；再就是通过滤波电路得到的波信图如UI所示；最后为满足电路所要求的稳定的直流电压，再通过稳压芯片就可得到如UO所示。

U1U2U3UIU0

图6.5交流电压源到直流电压源电压波形图

7软件的设计

软件的设计是基于硬件电路而设计的，简单来说就是处理器怎么样处理外部电路所发送过来的信号，并发送相应的命令，从而保证相应功能的实现。

下面的两个程序流图分别是主控台的接收模块的程序流图和发送模块的程序流

主控台接收报警信息显示和控制信息发送模块的程序见附录

图7.1主控台控制信息发送程序流图

图7.2主控台接收模块的程序流图

8防盗报警系统的改进

传统的用于单向传输的安防产品主要采用固定编码集成电路，PT2262，PT2272等编解码芯片。

但由于此类编解码芯片的编码长度有限，码形格式固定不变。

十分易于在空中捕捉电波码字和扫描跟踪的等方法破解，只能用于一些对保密安全要求不高的场所。

Microchip公司的基于KEELOQ算法的HCS系列滚动码编码芯片则克服了以上系统的缺点，已成功的应用于以各种安防产品中。

由于在传输代码之前采用了先进的非线性位加密技术，产生具有极高保密性的滚动编码。

每一次发送的代码都是唯一的，不规则的，且不重复，