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电子与信息工程毕业论文:行李箱简易防盗器设计.doc

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本 科 毕 业 设 计 行李箱简易防盗器设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II 摘 要 现在人们在出行的时候,经常会带上一个行李箱,用来装上自己的生活必需品和工作用品等。但是在汽车站、火车站等公共场所,往往是偷窃事件频 发之地。为了防止人们在此事上造成经济上的损失。本课题将开发设计一款防盗报警器。用来实现对行李箱的实时监测,在必要时进行报警,达到防止行李箱被偷窃的目标。 该装置设计成由发射器和接收器两部分组成。发射部分被安装在行李箱上,而接收部分由主人随身携带。当由于外部原因导致行李箱的方向或是运动状态发生改变时,发射部分的重力感应器就会被触发,输出电压,经过信号编码等处理,再由发射器发出信号。此时主人身上的接收装置就会接收到信号,对其信号进行解码等处理,然后经报警电路发出警报。本文通过定性和定量的方法论述了该无线防盗报警 器各个电路模块的方案选择和详细设计过程。从总体方案的设计出发,分别对与信号触发模块、无线数据收发模块、报警电路模块等进行了相关的设计。当这些前期工作完成后再绘制出该设计的最终方案电路原理图,通过原理图清晰地表达出该设计中,各个工作模块元器件的连接和工作情况,并通过此原理图生成PCB 图,为 PCB 电路板的焊接奠定基础,最后根据电路图连接电路并进行硬件安装和调试。在这过程中,按照实际的情况和要求对于焊接工作和器件的挑选进行适当的改变,以求达到最终的目标。 本课题开发设计的行李箱无线防盗报警器具有体积小、结构紧凑、 成本低、技术先进、实用性强等特点,不仅适用于行李箱,还可按个人需求安装在其他可以利用的场所。 关键词 加速度传感器;无线通信;报警 III Abstract Now, when people travel, always bring along a suitcase, for carrying on the work of their own necessities and supplies. However, in bus stations, railway stations and other public places, often frequent theft of land. In order to prevent people in the matter resulting in economic losses. This project will develop design a burglar alarm. Used to achieve real-time monitoring of the trunk, the alarm when necessary, to prevent luggage theft target. The device designed by the transmitter and the receiver of two parts. Transmitter is installed in the trunk, and the receiving part by the owner to carry. When the trunk due to external causes or the state of motion changes direction, the launch will be part of the gravity sensor is triggered, the output voltage, after the signal coding and other processing, then send a signal from the transmitter. At this point the owner will receive the body of the receiver to the signal, decoding the signal processing, and alerted by the alarm circuit.This article discusses the qualitative and quantitative s of the wireless anti-theft alarm circuit module of each program selection and detailed design process. Starting from the overall program design, respectively, with the signal on the trigger module, wireless data transceiver modules, alarm circuit module was related to the design. When these pre-drawn after the completion of the final plan of the design circuit diagram, schematic diagram clearly expressed through out the design, the various working components of the connection module and work, and through this generate PCB schematic diagram for PCB circuit board welding lay the foundation for the final connection under the schematic circuit and hardware installation and commissioning. In this one, in accordance with the actual situation and requirements of the device for the welding work and make the appropriate changes in the selection, in order to achieve the ultimate goal. Project development and design of the trunk of the wireless burglar alarm is small, compact, low cost, technologically advanced, practical features, not only for the trunk, but also according to individual needs that can be used to install in other places. Key words Accelerometer; wireless communication; alarm IV 目录 摘 要 .............................................................. I Abstract.......................................................... III 第 1 章 绪论 ........................................................ 1 1.1 课题背景 .................................................... 1 1.2 国内外防盗报警器的现状比较 .................................. 1 1.3 防盗报警器的发展趋势 ........................................ 2 1.4 本课题的设计意义 ............................................ 2 第 2 章 系统方案设计 ................................................ 4 2.1 无线防盗报警器工作流程框图 ................................. 4 2.2 感知电路部分的方案选择 ..................................... 4 2.3 信号的编码和解码部分方案选择 ............................... 5 2.4 信号的传输部分方案选择 ..................................... 6 2.5 报警电路部分的方案选择 ..................................... 6 第 3 章 模块电路的详细设计 .......................................... 8 3.1 传感器电路部分的详细设计 ................................... 8 3.2 信号编码和解码电路部分的设计 .............................. 10 3.3 信号传输电路部分的设计 .................................... 13 3.4 电压信号比较处理部分的设计 ................................ 15 3.5 DC/DC 变换器控制部分的设计 ................................. 17 3.6 总原理图 .................................................. 19 第 4 章 实物制作 ................................................... 22 4.1 电路板的制作 .............................................. 22 4.2 实物的总体调试 ............................................ 23 小 结 ............................................................. 24 致 谢 ............................................. 错误 未定义书签。 [参考文献 ]......................................................... 25 附录 1编译码芯片参数介绍 ......................................... 26 附录 2 LM393 参数介绍 .............................................. 28 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 伴随现代社会不断地 发展 和进步 , 各种问题也逐渐显露出来,而安全问题尤为引人关心,人们对自己的安全问题 也更加的重视 。防盗报警装置 的出现给人们带来福音 。 在科技迅猛发展的当今,家庭起居的防盗报警装置发展飞速,传统防盗门、防盗网等防盗技术必将被智能化的防盗报警产品所取代,智能化的防盗报警产品拥有一个广阔的潜力市场,也必将拥有一个辉煌的发展前景。 1.2 国内外防盗报警器的现状比较 国内外 报警产品市场由于技术、政策、文化、市场 等 差异, 其各具 特色。 主要体现在以下几个方面 一是报警市场开发 较 早,技术 较为 成熟。国外的报警产品在 20 世纪 30 年代 便以 开始 出现,发展 十分 迅速,但 当时 功能 较 简单 。 目前西欧 和 北美的报警产品技术最 为 先进,市场发展最成熟,国内 直 到上世纪 80 年代才 对 报警产品 进行 应用 [2]; 二 是产品销售市场 和应用 不同, 目前 国内大中型安防工程的报警系统几乎被 洋 品牌所垄断, 而 国内 的 报警产品生产厂家 却是 主要占据中低端报警市场 。 虽然 功能 不及国际大品牌 强 ,但国产报警产品功能特色较 为 鲜明,能 够 吸引一部分客户,对于报警产品的市场开发 和 普及应用起到一定积极的作用 [6]; 三是在安防行业报警产品 的 地位不一样。在很多 欧美 国家,报警产品的 市场 销量 通常 是第一位的 。而 国内 在 楼宇 对讲 和 视频监控等产品的销量 往往 占主导地位; 四 是 对于 产品 的推广销售 方面 。 国外报警产品一般采用代理制, 厂家 不直接参与到具体销售环节, 只是 在本地代理商合作和市场推广层面做一些推广活动 。而 国内报警生产厂家 则一般采取直销方式, 厂家 在全国各地设立办事处 和 分公司, 有些 采取加盟合作 的 形式 。 这样在售后服务方面,国产报警品牌 具 有 一定的 优势,能 够更 快 地 把新产品推广给客户,在价格控制 和 渠道管理方面做得比一些国际品牌 相对要 好 [9]; 五 是国外 已 形成 很 多大型报警企业集团, 拥有 雄厚 的实力 。 而 国内的生产厂家由于起步晚,技术 薄弱 , 几乎不具 有竞争力的 核心技术; 六 是联网报警服务 行 业发展 更 成熟。联网报警行业作为报警产品 的 主要应用行业在国外已经 发展了很多年 。例 如北美 ADT 于 20 世纪 70 年代就已经建立了真正现代意义上的区域联网报警中心, 其 全球入网 客户已 超 1000 万户,日本 SECOM 在 1962 年公司成立以来 已经 发展成亚洲最大的报警运营服务商 。 国外报警服务商有着科学成熟的运营管理体系,成为行业巨头,配套的行业标准 和 政策规范非常完备 。而 国内联网报警运营商发展时间短,缺乏 经验 ,政策不齐备 。 但 是 行业发展速度快 , 能切合中国市场实际需求 , 行业发展潜力 很 大 [2]。 除此之外发达国家的产品已经从保护公众利益扩展到私人安全生活上来。比如早前在公共场所布满的监控设备,到现在普及的各种家庭防盗报警装置,不仅保障了人们的生活品质而且犯罪率都大大降低了。目前国外专家在个人安防问题上也研发出新型产品,比如一款小巧的防盗装置,它可以附着在任何物件上,只有当它辨别出自己主人的声音命令时,才会“安2 分”而其它任何人只要触碰到它,就会发出尖锐的噪声来报警 [7]。虽然我国防盗报警产品起步较晚,但近几年每年正以 30的速度增长,发展潜力巨大,很多的企业已看准了家庭用户和个人用户的市场。目前对于 防盗器产品在汽车,居家等方面的应用较为普遍和常见。其防盗产品的种类也十分多样如现场防盗器系列、门磁 /烟感 /燃气探测器、红外线探测器系列、监控摄像机等等。无线安防系统的技术以往遗留在人们脑海中的坏印象已经有很大一部分被消除。具体来说,在以下多个方面无线安防技术有了长足的进步高安全性、强抗干扰性、低误报率、低维护费用、智能化的系统升级。防盗报警产品在 欧美等发达国家 的家庭 普及率已达 90以上 。 可以预计防盗报警产品 将会 走入千家万户的生活 。 1.3 防盗报警器的发展趋势 防盗监控报警器与其他的电子设备一样,也经历 了从电子管、晶体管分立元件、小规模集成电路到大规模集成电路再到微电脑的发展过程,而当前也已经进入了第四代 [10]。从结构的角度上来讲,由原来的个体构造,发展到了计算机控制、区域联网;从触发方式的角度来讲,它从简单的机电开关发展到了三维(时间、生物体、动态)遥测器件;从功能的角度上来讲,已从原来的单一的报警,发展到了监控、记录、报警等多种功能。经过历史的长期沉淀,无线报警产品外观的精致化和小型化已经不能满足用户们的需要。然而更多的用户对于产品的性能的可靠性与稳定性以及功能的多样化投以更多的关注 [9]。近些年, 随着人们日常出行和社会活动的广泛,开始对于日常的生活用品的防盗意识逐日增加。如手机、钱包等的防盗产品开始在市场上得到应用。类似于此的行李箱的防盗装置也开始见诸于世,其设计思路也较多样,有单件的或是分体式的,从开始的功能单一、体积偏大、性能不稳、携带不便的防盗装置。但是随着现在科学的进步,逐渐向着体积小巧、方便携带、性能稳定、安全可靠、绿色环保、适用性广的方向发展。防盗技术正在朝数字化、网络化、智能化、民用化大步迈进。未来的无线防盗报警系统应将主要在于提升产品的科技性,提高产品精度和降低误报率等方面着手。产品 的科技应在数字化、网络化、集成化、智能化与探测方式复合化的前提下力求突破。对于应用市场方面,要朝更细化的方向推进,对于不同的市场要求,做出不同的产品。将先进科技广泛应用到社会公共安全防范中 , 做到防患于未然 ,保护人民生命财产的安全。 1.4 本课题的设计意义 当今交通的迅速发展和生活工作的需要,人们的出行日益频繁。出行时人们都习惯带上行李箱以方便装运自己所需的物品。有时候满满的行李箱又大又重,所谓“害人之心不可有,防人之心不可无”。所以为了安全起见,人们往往只好寸步不离,时刻提防着是否有人图谋不轨,伤神伤力 ,十分不便。而市场上的绝大部分的个人用防盗报警器采用的是现场声光进行报警。这样的话虽然警示了主人同时吓阻了犯罪分子,但是此种报警器在现场报警,犯罪分子很容易就会逃脱,潜在二次作案的可能性,这就是此类报警器的不足之处。所以本文针对以上的问题,设计出了此装置。本设计装置的要旨在于帮助人们能够在一定范围内,行李箱“自动监控”, 该电子装置为分体式结构,由感知器和告知器两部分组成,两者通过无线电信号联系。该电子装置具有隐蔽性,并且耗电少,抗干扰,使用方便。通信距离不小于 10 米。当有人企图盗走行李箱时起到自动报警功能 。以防人们的钱财损失,减少精神压力,同时减3 少犯罪率的发生,维护社会的安定、和谐。安全防范技术工作 ,作为社会公共安全的重要内容 ,在预防和打击犯罪 ,维护社会稳定方面发挥了积极的作用。因此,这个行李箱防盗装置的出现是十分有现实意义和市场价值的。 4 第 2 章 系统方案设计 在设计这个安装在行李箱上的防盗报警器时,由于它的特殊性,考虑到以下一些情况第一,因为行李箱是可以随处携带的,那就不能简单地把报警器安装在行李箱上,那样的话,其报警功能可能会起不到应有的效果。所以就把该报警器设计成两个装置,一个安 装在行李箱上作为发射器,另一个则随身携带作为接收器,这样就可起到随身报警的功能;第二,该设备之间要设计成无线信号传输,因为使用有线传输的话,使用起来不方便,也容易暴露报警功能。图 2.1 为行李箱防盗报警系统的组成框图。 2.1 无线防盗报警器工作流程框图 图 2.1 系统工作流程图 整个工作流程是这样的对于发射器部分,当由于外界因素的影响,触发感知电路进行工作,然后在中间的电路中对其信号经过一些处理,再对其进行编码,最后通过发射电路 发射出信号;在接收器这部分,则先通过接收端接收信号,然后经过信号解码,信号处理等处理,最后由报警电路发警报。 2.2 感知电路部分的方案选择 对于感知电路部分主要是选择出一个传感器,能够对于外界信号的变化做出判断和转化为电信号,并使后续电路进行工作。此部分可有以下几种方案选择 方案一光敏传感器光敏传感器 是 一种能够将光信号转变为电信号的器件为 最常见的传感器 ,其种类繁多。 主要有光敏电阻、红外线传感器、光敏三极管、光电倍增管、紫外线传感器、光电管、色彩传感器等。 光敏传感器 的敏感波长在可见光 的 波长附近, 有 紫外线波长 和 红外线波长。光传感器 不仅仅是对于 光的探测,它还 能作为组成其他传感器的 探测元件,对 很多 非电量进行 监测 ,只 需要把 这些非电量 的变化 转换为光信号的变化 就可以了 [5]。光传感器是目前 运用 最广 、 产量最多的传感器之一,它在非电量电测技术 和自动控制 中占有 着 非常重要的地位。 但是考虑到现实生活中,行李箱的安放位置是多样的,光敏电阻不能适用 在任何场所,所以不采用此器件。 感知电路 信号处理 信号发射 信号编码 报警电路 信号接收 信号处理 信号解码 5 方案二 干簧管 干簧管 也称干簧继电器 , 是一种磁敏的特殊 开关 。当由绕在干簧管上 面的线圈通电 之 后 ,会产生 磁场使 得 簧片磁化 。 或者 当 永磁铁靠近干簧管 的时候 , 就在此时簧片的接点就会感应出 来 极性相反的磁极。当 它所 吸引的 磁场力大过 簧片的抗力时,分开的接点便会吸合 ;然而 当磁 场 力 的大小 减到一定值时, 由于 在簧片抗力的作用下接点 将会 恢复到原来的 状态 [9]。这样 就 完成了 类似于 一个开关的作用 。所以干簧管 可以作为 一个 传感器 使 用。但是考虑到在实际应用中,此器件若是要在行李箱上使用,电路工序将较繁杂, 功耗 较 大 ,寿命较短等诸多不便,所以 不予采用。 方案三 加速度传感器 加速度传感器 的工作原理 是利用 敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号, 将其 进入前置放大电路, 再通过 信号调理电路 来 改善信号的信噪比,然后对其 进行模数转换得到 数字信号 ,最后 再 送入计算机,计算机 对其 进行数据显示 和存储。 综上所述考虑到报警装置所需的灵敏度和行李箱在实际使用场合等种种情况,认为采用三轴加速传感器较为适宜。 2.3 信号的编码和解码部分方案选择 此部分主要是把电信号转化为数字编码和解码,使之能够通过一对收发模块进行数据的传输,达到发射器和接收器之间能够进行无线遥控的功能。此部分可有以下几种方案选择 方案一采用 VD5026, VD5027 这对信号编码解码集成电路。 VD5026, VD5027 是 一对 CMOS大规模数字集成电路。前者是编码器,后者是译码器。组合应用起来 就能 构成 一对 数字 收发编译码系统。 VD5026 编码器是一种 8 位编码发射器。它的 8 个脚可以组成 6561 组 不同的编码。如果 实际 需要更多的编码, 可以 将输入端改为 4 态连接方式, 就 可以组成 16384 个编码 。 该对 编译码集成电路工作电压在 2V 至 6V 范围内,耗电极小,静态电流 仅仅 有 1uA。 此 集成电路内部含有振荡电路, 不需要 再外加晶振 [11]。它的外围电路也很简单,也容易与射频、红外线、超声等方式结合起来,组成遥控发射、接收系统。 如图 2.2 所示为 VD5026/VD5027 的引脚图。 4 态 /A0 VDD 4 态 /A0 VDD A1 数据输出 A1 输出 A2 振荡 A2 振荡 A3 振荡 A3 振荡 A4 发射指令 A4 数据输入 A5 A11/D3 A5 A11/D3 A6 A10/D2 A6 A10/D2 A7 A9/D1 A7 A9/D1 VSS A8/D0 VSS A8/D0 图 2.2 VD5026 与 VD5027 引脚图 方案二还可采用遥控编码、解码集成芯片 PT2262/PT2272 为核心器件的无线数据收发模块。 PT2262/PT2272 是 由 台湾 普城公司生产的 采用 CMOS 工艺制造的低价位 、 低功耗 数字编译码器。 PT2262/PT2272 最多可有 12 位三态地址端管脚 ,其 任意组合可提供 531441 地址码 。PT2262/72 与其他数字编译码器相比便于设计,外围元件少,电路简单,使用起来非常方便。其最突出的特点是地址编码容量特别大,目前被广泛地应用在各个遥控电路之中,因此可靠性非常好 [12]。 综上所述,考虑到实际电路设计中具体的参数应用和设置的需要,以及功能的有效利用,认为选择方案 二较为适宜。 VD5026 VD5027 6 2.4 信号的传输部分方案选择 此部分主要功能是能够把上面提到的编译完成的码进行无线发射和接收。对于此部分的要求是能够将信号进行稳定地传输,功耗要尽量小,传输距离则尽量远,灵敏度高等一系列因素。此部分可以由以下几种方案选择 方案一 XL02-232AP1 是可以工作在 433MHz 公用频段的 UART 接口半双工无线传输模块。此模块专用于各种串口设备之间的无线通讯例如单片机,电脑,各种机器设备串口等 [15]。还可以直接在原来的有线连接上升级为无线连接。 XL02-232AP1 的各项参数如 工作频率、产品 ID、输出功率、串口速率等相关参数可以通过软件来设置。但是此器件内部构成较复杂,在此设计中,部分功能无需使用,因此不予采用此器件。 方案二 NRF24L01 是一款工作于 2.4 GHz~ 2.5 GHz ISM 频段 的 新型单片射频收发器件。此器件内置 晶体振荡器、调制器 、 频率合成器 和 功率放大器等功能模块,其中通信频道 和 输出功率可 以 通过 使用 程序 来 进行 装配 。 NRF24L01 的 功耗 很 低 ,在以 -6 dBm 的功率发射时,工作电流也只有 9 mA;接收时,工作电流 也 只有 12.3 mA, 这样的 多种低 功耗的 工作模式使 它 的节能设计更 加 方便 [16]。 但此器件在利用过程中较为繁杂,再次设计中功能利用率不高,且成本也较高,所以不予采用。 方案三可采用 DF 无线数据收发模块。其中 DF 数据发射模块 是一款 采用声表谐振器 SAW稳频,工作频率为 315M, 其 频率 的 稳定度 相当之 高 。即使 环境温度在- 25 度至 + 85 度之间 变换 时, 其 频飘仅为 3ppm/度。 而其 声表谐振器的频率稳定度 和 晶体 的稳定度相差无几 ,而 对于一般的 LC 振荡器 来说其 频率 的 稳定度 和 一致性 比 较差, 就算是使用 高品质 的 微调电容, 其 振动 及温差的变化 也 难以 保证 已经 调好的频点不会 再 发生偏移。 所以 特 别适合多发一收 式的 数据传输 及无线遥控 系统。 DF 接收模块的工作电压为 5V,静态电流 4mA,为- 105dbm,它为超再生接 收电路。此 模块 自身 不带解码 的 集成电路, 因而 接收电路仅是一 块 组件,只有 当它 应用在具体 的 电路中进行 再 开发才能发挥 其 应有的作用 [19]。 这 样的 设计 其 优点 在于 ,它可以和单片机 或是 各种解码电路配合 使用 ,设计 起 电路 来相当 灵活方便。 因此综上所诉,考虑到设计难易程度、功耗大小、成本高低、运用场合等情况,认为采用方案三较为合适。 2.5 报警电路部分的方案选择 此部分主要是能够实现最终的报警功能。需要此部 分的体积小、功耗低、灵敏度高等特点。此处可有以下几种方案选择 方案一蜂鸣器蜂鸣器是采用直流电压供电的一种一体化结构的电子讯响器,被广泛地应用于报警器、计算机、复印机、打印机、电子玩具、电话机等产品中作为一款发声器件。蜂鸣器主要可分为电磁式蜂鸣器和压电式蜂鸣器两种。电磁式蜂鸣器由振荡器、磁铁、电磁线圈及外壳等组成 [9]。在接通电源之后,振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈产生磁场,而振动膜片在磁铁和电磁线圈的相互作用下,就会周期性地振动发声。压电式蜂鸣器主要由压电蜂鸣片、多谐振荡器、外壳等组成。当接通电 源后( 1.515V 直流工作电压),多谐振荡器就会起振,输出 1.52.5kHz 的音频信号,阻抗匹配器就会推动压电蜂鸣片发声。 方案二扬声器扬声器是一种可以把电信号转变为声信号的换能器件。扬声器的种类较多,按其换能原理可分为电磁式、电动式、压电式、静电式等几种;而按其频率范围可分
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