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电子设计创新和制作设计汇报

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10月20日

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1. 方案设计和论证
宿舍智能防火防盗报警系统应用于学生宿舍，能够自动监视宿舍内安全情况，如有发生火灾、非法入室等异常情况能够立即发出报警和求援信息。图1所表示为该系统总体设计框图。

信号1

信号2

信号3

房间1
房间2
房间3
总控台
无线通讯

ATmega
16
单
片
机
热释电传感器
烟雾传感器
光电开关
EAS
声光报警
显示电路
无线收发

ATmega
16
单
片
机
无线收发
声光报警
显示电路
上位机
TC35
键盘输入
键盘输入

图1 总体设计框图
以总体设计框图为根本，根据设计总体要求和电路功效实际需要，下面对关键功效模块选择应用进行对比和论证。
1.1稳压电源模块
方案一：采取LM7805和LM1117稳压芯片。优点：LM7805和LM1117能够分别提供5V、3.3V稳定电压，使用方便，价格廉价，输出电压比较稳定。缺点：输入输出压差大，热稳定性差。
方案二：采取AS1015开关稳压芯片。优点：其工作电压高达38V，经过精密电阻能够实现输出电压0.8V至输入电压可调，输入输出压差为零，热稳定性优异，转换效率达95%以上。驱动能力强，最大输出电流为5A。缺点：需要考虑EMC(电磁兼容性)，需配合电感及优质电容（如钽电容）工作。
考虑以上两种方案优缺点，因本系统中TC35手机通讯模块对电压稳定性高，且语音模块BMP5008和无线编解码器PT2262/2272等工作电压要求多元化。经比较，我们选择了方案二。
1.2主控器模块
方案一：采取AT89S52单片机作为主控芯片。优点：AT89S52是一个低功耗，高性能COMS8位微控制器。作为一个比较成熟单片机型号，广泛应用于各领域，技术比较成熟，价格相对廉价。缺点：其内部集成资源偏少，功效不够强大，中止源和定时器较少。
方案二：采取ATmega16单片机作为主控芯片。优点：AVR是高速嵌入式单片机，含有高速、低耗、保密优点。其内部集成资源丰富，含有功效强大定时/计数器和A/D转换功效及通讯接口。
考虑到项目标实际需求和可操作性，本系统选择AVR系列中ATmega16作为主控芯片。
1.3异地监控电路模块
方案一：采取PT2262/2272编解码电路。PT2262/2272是一个CMOS工艺制造低功耗低价位通用编解码电路，其外部元器件少，电压工作范围较宽，焊接、编码操作简单，成本较低。不过其编解码数据量较小，不能实现多通道控制，抗干扰能力和传输距离较差，相对于单片机传输速度慢，不适于实时大量数据传输。
方案二：采取NRF24L01射频收发器。NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，内置集成功效模块丰富。功耗低，有多个低功率工作模式使节能设计更方便。拥有自动应答和跳频功效，并含有CRC数据校对和错包重发功效，能够很好实现数据保护和躲避干扰能力。
在本系统实际应用中，应使得总控台和子系统无线通讯和控制总控台和子系统无线通讯和控制，且实时信息传输需要大量数据，考虑以上几点故此选择方案二。
２．硬件设计
2.1总控台设计
总控台是全系统控制关键，总控台以ATmega16为主控芯片，经过多通道无线射频收发器NRF24L01完成了对各房间子系统实时监控。而且以TC35手机通信模块为通信中介实现了手机对本系统实时监控。能够使用串口通信完成和上位机连接，实现上位机控制。并配有声光报警电路和显示电路，以完成对子系统全局掌控和定位。
2.1.1电源电路设计
在本系统中采取了以AS1015开关稳压芯片电源电路，因为AS1015稳压芯片对电路EMC(电磁兼容性)要求较高，我们配合使用了电感及正确度高、滤高频谐波性能极好钽电容工作。实现了高稳定性、高开关频率和高转换效率高品质稳压电源。

图2 AS1015稳压电源电路图
由理论推导可得电路输出电压表示式以下：

系统需要3.3v、5v、12v优质电压源，另据技术文档R3选择1k金属膜电阻，R1选择15k精密可调电阻调制出上述电压。
蓄能电感选定是开关电源电路设计关键。控制开关关断期间才产生反电动势向负载提供能量，所以，流过负载电流只有流过储能电感电流四分之一。
(K关短前瞬间)
式中输出电流Io为流过负载电流，当占空比D = 0.5时，其大小等于最大电流ILM四分之一；T为开关电源工作周期，T恰好等于2倍Ton。由此求得：
(D = 0.5)
依据芯片资料得悉T=3.33us；输入电压Ui=12v；要求输出电流Io=2A,求得L=2.4 uH。故在此电感选择10 uH。
2.1.2 ATmega16总控制电路设计

图3 ATmega16总控制电路电路图
ATmega16作为总控台主控芯片，处理来自宿舍监控子系统各类有效信号数据，同时接收上位机和运程控制手机控制命令，并将处理数据发送给输出设备或将控制命令发送回子系统，实现了信息实时监控和处理。
2.1.3无线通讯GSM模块TC35应用
GSM是全球移动通讯系统，采取了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术，使系统含有高频谱效率。且其防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清楚、稳定性强不易受干扰信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。
本系统在总控台部分创新使用了无线通讯GSM模块TC35，其自带RS232通讯接口，能够方便地和PC机和单片机联机通讯。能够快速、安全、可靠地实现系统数据传输、语音传输、SMS（短消息服务）和传真。在本系统中TC35实现了系统和手机GSM通讯。完成了短信报警、短信控制等功效。
2.1.4总控台输入输出设备
人机界面输入设备为矩阵键盘，其功效是实现了按键控制、密码解警等。输出设备关键包含声光报警和显示电路。声光报警电路实现了异常情况立即报警，显示电路实现了具体情况显示和异常情况发生房间追踪定位。
2.2宿舍监控子系统设计
宿舍监控子系统是该报警系统基础监控部分，子系统以ATmega16为主控芯片，经过烟雾传感器、热释电传感器、光电开关和EAS系统对安全情况实时监测，并将异常情况和统计数据经过nRF24L01传送给总控台，同时控制声光报警电路报警，并在误报情况下能够实现密码解警功效。
2.2.1 珍贵物品检测电路设计
在子系统中，应用了以PT2262/2272为检测器和解码器组成EAS（电子商品防窃（盗）系统）来实现珍贵物品监控。编码芯片PT2262发出编码信号由：地址码、数据码、同时码组成一个完整码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较查对后，VT脚才输出高电平，和此同时对应数据脚也输出高电平，假如发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。
图5 PT2272工作原理图
图4 PT2262工作原理图

图4为子系统PT2262实际应用电路图。PT2262作为信号发射源，连续发射编码信号。本电路能够经过调整电位器Radj改变了发射天线功率，进而实现了信号覆盖范围可调整功效。
图5为子系统中PT2272实际应用电路图。PT2272作为信号接收器和检测器，实时接收编码信号，并在信号强度小于限定值即离开设定距离时时触发MCU发生警报信息。
2.2.2 宿舍监控子系统输入输出设备
宿舍监控子系统输入设备关键包含热释电传感器BIS001、烟雾传感器MQ-2、光电开关E3F-5N1、矩阵键盘、12864LED及EAS检验装置。热释电传感器BIS001最远检测距离大于5m，实现了5m左右范围人体检测；烟雾传感器MQ-2能够有效地检测可燃气体和 300 to 10000ppm范围烟雾，实现火灾时异常安全情况信号报警；光电开关E3F-5N1最大对射检测宽度为5m，经过两组光电开关前后检测，完成人体进出情况检测，并将数据保留于ATmega16内部EEPROM，进而实现了人数统计功效；矩阵键盘，实现了按键控制和密码解警相关功效；EAS系统关键功效见2.2.2具体介绍。
2.3无线通讯电路设计
nRF24L01射频收发器作为本系统无线通讯设备，有效地将总控台和宿舍监控子系统连接起来。其强大CRC数据校对、错包重发和跳频功效，使得二者之间无线通讯快速、高效、免干扰进行。同时其多通道无线通讯功效实现了总控台对多个宿舍监控子系统网络管理，形成了一个以总控台为中心小型局域监控网。

图6 nRF24L01射频收发器电路图
3．软件设计
全系统软件设计步骤以下所表示。分别为宿舍子系统控制步骤和总控台控制步骤。
图7 宿舍子系统程序步骤图
图8 总控台程序步骤图
4．系统测试
4.1测试仪器：
米尺，万用表
4.2测试方法
a) 将热释电传感器固定于密闭无人环境中，人由远及近靠近，分别在一天不一样时刻用米尺测出热释电传感器6组最大检测距离。
b) 使用万用表测得图4中滑动变阻器Radj阻值，并用米尺测得不一样阻值下EAS发射接收器有效感应距离。
4.3测试数据
a) 热释电传感器最大检测距离实际测量表:
次数
1
2
3
4
5
6
最大检测距离（m）
4．7
4.9
5.2
5.1
4.9
5.3
b) Radj和感应距离对应关系图（X轴为Radj阻值，单位欧姆；距离：米）

4.4误差分析
1) 热释电传感器轻易受外界环境光强和温度影响，使其灵敏度和正确度下降。
2) 测量工具正确度局限造成了一部分偶然误差，再者PT2262信号发射电路发射能量强度在空间中随距离扩大而衰减形成了一部分不可避免系统误差。
5．设计总结
该系统成功实现了宿舍防火、防盗、报警及异地监控等功效。大量传感器使用实现了外界安全环境实时监测。并以其独特无线控制实现了异地控制网络化。经过对上位机技术应用成功实现了PC机对系统智能管理和控制。同时创新使用了GSM网络完成了系统和手机SMS通信，实现了目标手机对系统实时监控。本系统在实现基础要求功效基础上实现了多元远程控制、无线防丢等创新。
6．参考文件
[1] 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京理工大学出版社.
[2] 刘海成. AVR单片机原理及测控工程应用[M].北京航空航天大学出版社.
[3] 凌振宝, 王君. 基于GSM 技术智能家居系统设计和实现, 自动化和仪器仪表[J]. (9)
[4] 崔逊学，左从菊.无线传感器网络简明教程[M]. 清华大学出版社.
[5] ANISEM Proprietary Information. AS1015 Preliminary[P].