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年电子设计创新与制作设计报告

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2020年4月19日
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电子设计创新与制作设计报告

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10月20日

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1. 方案的设计与论证
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的安全情况,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助信息。如图1所示为该系统的总体设计框图。

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,按照设计的总体要求和电路功能的实际需要,下面对主要的功能模块的选择应用进行对比与论证。
1.1稳压电源模块
方案一:采用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,价格便宜,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:采用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,热稳定性优秀,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。
考虑以上两种方案的优缺点,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,我们选用了方案二。
1.2主控器模块
方案一:采用AT89S52单片机作为主控芯片。优点:AT89S52是一种低功耗,高性能的COMS8位微控制器。作为一种比较成熟的单片机型号,广泛的应用于各领域,技术比较成熟,价格相对便宜。缺点:其内部集成资源偏少,功能不够强大,中断源和定时器较少。
方案二:采用ATmega16单片机作为主控芯片。优点:AVR是高速嵌入式单片机,具有高速、低耗、保密的优点。其内部集成资源丰富,具有功能强大的定时/计数器和A/D转换功能及通讯接口。
考虑到项目的实际需求和可操作性,本系统选用AVR系列中的ATmega16作为主控芯片。
1.3异地监控电路模块
方案一采用PT2262/2272编解码电路。PT2262/2272是一种CMOS工艺制造的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。可是其编解码的数据量较小,不能实现多通道控制,抗干扰能力和传输距离较差,相对于单片机的传输速度慢,不适于实时大量的数据传输。
方案二:采用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,内置集成功能模块丰富。功耗低,有多种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能,并具有CRC数据校对和错包重发功能,能够很好的实现数据保护和躲避干扰的能力。
在本系统的实际应用中,应使得总控台与子系统的无线通讯与控制总控台与子系统的无线通讯与控制,且实时的信息传递需要大量的数据,考虑以上几点故此选用方案二。
２．硬件设计
2.1总控台设计
总控台是全系统的控制核心,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的实时监控。能够使用串口通信完成与上位机的连接,实现上位机控制。并配有声光报警电路和显示电路,以完成对子系统的全局掌控与定位。
2.1.1电源电路设计
在本系统中采用了以AS1015开关稳压芯片的电源电路,由于AS1015稳压芯片对电路的EMC(电磁兼容性)要求较高,我们配合使用了电感及准确度高、滤高频谐波性能极好的钽电容工作。实现了高稳定性、高开关频率和高转换效率的高品质稳压电源。

图2 AS1015稳压电源电路图
由理论推导可得电路的输出电压表示式如下:

系统需要3.3v、5v、12v优质电压源,另据技术文档R3选用1k金属膜电阻,R1选用15k的精密可调电阻调制出上述电压。
蓄能电感的选定是开关电源电路的设计关键。控制开关关断期间才产生反电动势向负载提供能量,因此,流过负载的电流只有流过储能电感电流的四分之一。
(K关短前的瞬间)
式中输出电流Io为流过负载的电流,当占空比D = 0.5时,其大小等于最大电流ILM的四分之一;T为开关电源的工作周期,T正好等于2倍Ton。由此求得:
(D = 0.5)
根据芯片资料得知T=3.33us;输入电压Ui=12v;要求输出电流Io=2A,求得L=2.4 uH。故在此电感选用10 uH。
2.1.2 ATmega16总控制电路的设计

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的各类有效信号数据,同时接受上位机和运程控制手机控制命令,并将处理的数据发送给输出设备或将控制命令发送回子系统,实现了信息的实时监控与处理。
2.13无线通讯GSM模块TC35的应用
GSM是全球移动通讯系统,采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术,使系统具有高频谱效率。且其防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、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,能够方便地与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实现了系统与手机的GSM通讯。完成了短信报警、短信控制等功能。
2.1.4总控台的输入输出设备
人机界面输入设备为矩阵键盘,其功能是实现了按键控制、密码解警等。输出设备主要包括声光报警和显示电路。声光报警电路实现了异常情况的及时报警,显示电路实现了详细情况的显示和异常情况发生房间的追踪定位。
2.2宿舍监控子系统的设计
宿舍监控子系统是该报警系统的基础监控部分,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,并在误报的情况下能够实现密码解警功能。
2.2.1 贵重物品检测电路的设计
在子系统中,应用了以PT2262/2272为检测器和解码器组成的EAS(电子商品防窃(盗)系统)来实现贵重物品的监控。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。
图5 PT2272工作原理图
图4 PT2262工作原理图

图4为子系统的PT2262实际应用电路图。PT2262作为信号发射源,持续的发射编码信号。本电路能够经过调节电位器Radj改变了发射天线的功率,进而实现了信号覆盖范围可调节功能。
图5为子系统中PT2272的实际应用电路图。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 宿舍监控子系统的输入输出设备
宿舍监控子系统的输入设备主要包括热释电传感器BIS001、烟雾传感器MQ-2、光电开关E3F-5N1、矩阵键盘、12864LED及EAS检查装置。热释电传感器BIS001的最远检测距离大于5m,实现了5m左右范围的人体检测;烟雾传感器MQ-2能够有效地检测可燃气体和 300 to 10000ppm范围的烟雾,实现火灾时的异常安全情况信号报警;光电开关E3F-5N1的最大对射检测宽度为5m,经过两组光电开关的先后检测,完成人体进出的情况检测,并将数据保存于ATmega16内部EEPROM,进而实现了人数记录功能;矩阵键盘,实现了按键控制和密码解警的相关功能;EAS系统的主要功能见2.2.2的详细介绍。
2.3无线通讯电路设计
nRF24L01射频收发器作为本系统的无线通讯设备,有效地将总控台和宿舍监控子系统连接起来。其强大的CRC数据校对、错包重发和跳频功能,使得两者之间的无线通讯快速、高效、免干扰的进行。同时其多通道无线通讯功能实现了总控台对多个宿舍监控子系统的网络管理,形成了一个以总控台为中心的小型的局域监控网。

图6 nRF24L01射频收发器电路图
3．软件设计
全系统的软件设计流程如下所示。分别为宿舍子系统控制流程和总控台控制流程。
图7 宿舍子系统程序流程图
图8 总控台程序流程图
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的环境中,人由远及近靠近,分别在一天的不同时刻用米尺测出热释电传感器的6组最大检测距离。
b) 使用万用表测得图4中的滑动变阻器Radj的阻值,并用米尺测得不同阻值下的EAS发射接收器的有效感应距离。
4.3测试数据
a) 热释电传感器的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与感应距离的对应关系图(X轴为Radj的阻值,单位欧姆;距离:米)

4.4误差分析
1) 热释电传感器容易受外界环境的光强和温度的影响,使其灵敏度和精确度下降。
2) 测量工具的精确度的局限造成了一部分的偶然误差,再者PT2262信号发射电路发射的能量强度在空间中随距离的扩大而衰减形成了一部分不可避免的系统误差。
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能。大量传感器的使用实现了外界安全环境的实时监测。并以其独特的无线控制实现了异地控制网络化。经过对上位机技术的应用成功实现了PC机对系统的智能管理和控制。同时创新使用了GSM网络完成了系统与手机的SMS通信,实现了目的手机对系统的实时监控。本系统在实现基本要求功能的基础上实现了多元远程控制、无线防丢等创新。
6．参考文献
[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 技术的智能家居系统的设计与实现, 自动化与仪器仪表[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].