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传感器毕业设计论文

引言

近年来，随着改革开放的深入发展，人民的生活水平有了很大提高。

各种高产品和贵重物品为许多家庭所拥有。

然而一些不法分子也是越来越多。

这点就是看到了大部分人防盗意识还不够强，造成偷盗现象屡见不鲜。

因此，越来越多的居民家庭对财产安全问题十分担忧。

报警器这时正为人们解决了不少问题。

但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构，价格高昂，一般人们难以接受。

如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。

由于无线传输技术具有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用，此外，在电子防盗、人体探测等领域中，无线防盗报警器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。

本文设计的摩托车防盗报警系统采用MCS-51系列单片机STC89C51作为核心控制元件。

STC89C51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，器件采用宏晶公司的高密度、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STC89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

1课题的现状及研究意义

1.1课题现状

摩托车防盗器产品是与我国民用摩托车工业同步发展壮大起来的，至今已经有二十多年的历史。

在其发展历程中，曾经为用户们做出了很大的贡献，成为了摩托车的忠实守护神。

但是，长期以来，相对于其他电子技术产品的发展，摩托车电子防盗器的发展显得相对滞后，一直都是“老面孔”，其缺点也逐渐的暴露出来，越来越难以真正发挥其防盗作用。

我们常见的防盗产品的核心防盗功能主要集中在阻吓和锁车上。

对于摩托车来说，传统意义上的防盗措施在实施过程中有着相对较大的困难，较难以实现真正意义上的有效防盗。

传统的防盗器绝大多采用震动传感器感知车体是否受到侵害，这类型的传感器的抗干扰能力十分有限，容易因为非侵害车体的外界震动，如雷电、风雨、鞭炮或其他车辆行驶干扰等均能诱发报警导致误报，误报成了传统防盗器无法逾越的障碍。

由于误报频发，用户乃至公众已经难以分辨什么是真实报警，什么是误报了。

同时频发的误报警报音已经成为了一种令公众厌恶的噪音。

同时也让防盗器持有者处于一种尴尬的地步。

某些地方甚至出现过，非盗窃行为破坏防盗装置的事件，就是公众厌恶噪声的实例。

诸多不利因素，造成以阻吓为防盗核心手段的传统防盗器已经难以发挥真正意义上的防盗功效。

1.2研究意义

遥控式汽车防盗器是随着电子技术的进步而发展起来的，是市场上推广普及最为广泛的一种。

它的特点是遥控控制防盗器的全部功能，可靠方便，可带振动。

本课题采用STC89C51单片机作为主控制器，采用SC-1型全向震动传感器作为检测元件，当SC-1震动传感器检测到较大振动信号时，能够从第三脚输出直流电压信号，经过放大接入单片机I/O端口。

单片机检测到SC-1有信号输出时，立即通过I/O口发出相应的信号驱动扬声器发出报警信号，在发出报警声响的同时，熄火继电器常闭触点断开发动机的起动电源，使发动机无法起动，防止了盗贼不顾报警声响而把车辆发动起来盗走，到防盗报警的目的。

利用PT2262无线编码电路作为遥控器来启动和关闭防盗报警系统。

1.3设计要求

本课题采用STC89C51单片机作为主控制器，利用PT2262无线发射模块作为遥控开关来启动和关闭防盗报警系统，遥控器亦可让报警器直接报警，以告知车主车辆所在。

采用SC-1型全向震动传感器作为检测元件，当SC-1震动传感器检测到较大振动信号时，能够从第三脚输出直流电压信号，经过放大接入单片机I/O端口。

完整的设计任务要求完成如下主要功能：

（1）自动警戒；

（2）具有声光报警装置；

（3）引擎锁定；

（4）可调节灵敏度。

1.4设计结构

在设计的第二部分，将介绍关于本设计课题的相关基本理论和基础知识，着重在于介绍STC89C51单片机相关理论知识、PT2262/PT2272专用编码解码芯片的原理、SC-1震动传感器的主要特性及引脚功能等。

在这一部分，还将介绍315M无线射频收发技术的相关理论知识。

在设计第三部分将着重介绍系统总体设计思想，包括硬件选择和实现的方法。

在第四部分将详细介绍硬件电路的设计，元器件参数的确定。

主要讲述STC89C51单片机及其最小系统和各个模块的实现以及和单片机的连接方式。

第五部分介绍软件编程的总体设计思想，各个模块的流程图。

第六部分将介绍硬件电路制作过程中印刷电路板的相关知识和注意事项。

最后部分为整个设计过程的总结。

2相关基础理论和基础知识概述

2.1震动传感器相关概述

2.1.1振动传感器的工作原理

在高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。

使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。

振动传感器是将振动信号（加速度、速度及位移）转换成电信号的装置，振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。

由于它也是一种机电转换装置。

所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。

振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量M，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量N，最后由机电变换部分再将N变换为电量E，因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。

振动传感器工作原理如下图所示：

图2-1振动传感器的工作原理

在工程振动测试领域中，测试手段与方法多种多样，但是按各种参数的测量方法及测量过程的物理性质来分，可以分成三类。

（1）机械式的测量方法

将工程振动的参量转换成机械信号，再经机械系统放大后，进行测量、记录，常用的仪器有杠杆式测振仪和盖格尔测振仪，它能测量的频率较低，精度也较差。

但在现场测试时较为简单方便。

（2）光学式的测量方法

将工程振动的参量转换为光学信号，经光学系统放大后显示和记录。

如读数显微镜和激光测振仪等。

（3）电测方法

将工程振动的参量转换成电信号，经电子线路放大后显示和记录。

电测法的要点在于先将机械振动量转换为电量（电动势、电荷、及其它电量），然后再对电量进行测量，从而得到所要测量的机械量。

这是目前应用得最广泛的测量方法。

常用振动传感器有以下几种：

（1）压电片谐振式：

使用压电片接收振动信号，压电片的谐振频率较高，为了降低谐振频率，使用加大压电片振动体的质量来实现，并使用弹簧球代替附加物，降低两谐振频率，增强了振动效果。

其优点是灵敏度较高，结构简单。

但是需要信号放大后送到TTL电路或者单片机电路中，不过使用一个三极管单级放大即可。

（2）机械振动式：

传统的振动检测方式，受到振动以后，弹簧球在较长的时间内进行减幅振动，这种振动便于被检测电路检测到。

振动输出开关信号，输出阻抗与配合输出的电阻阻值所决定，根据检测电路的输入阻抗，可以做成高阻抗输出方式。

（3）微型振动传感器：

将机械式振动传感器微型化，将振动体碳化并进行密封处理，其工作性能更可靠。

输出开关信号直接与TTL电路和或者单片机输入电路相连接，电路结构简单。

输出阻抗高，静态工作电流小。

2.1.2无线射频收发模块简介

（1）发射模块

无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。

发射模块原理如图所示，工作频率为315M，发射模块采用声表谐振器稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～＋85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度，SMT树脂封装，频率一致性较好，免调试，特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。

采用声表面波（SAW315M）谐振器作为频率源器件的高Q值、高频稳度的无线遥控发射和接收电路，解决了传统的LC振荡电路频稳度差及频率漂移较大的问题。

而一般LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，误差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。

具有较宽的工作电压范围及低功耗特性。

当发射电压为3V时，发射电流约为2mA，发射功率较小；12V为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约为5～8mA，大于12V时直流功耗增大，有效发射功率不再明显提高。

发射模块采用AM方式调制以降低功耗，数据信号停止发射时发射电流降为零，数据信号与发射模块之间采用电阻而不能采用电容耦合，否则发射模块将不能正常工作。

数据信号电平应接近发射模块的实际工作电压以获得较高的调制效果，发射模块对过宽的调制信号易出现调制效率下降、收发距离变近的现象。

当脉冲高电平宽度在0.08～1ms时发射效果较好，大于1ms时效率开始下降；当脉冲低电平宽度大于10ms时，接收到的数据第一位极易被干扰（即零电平干扰）而引起不解码。

图2-2315M无线发射原理图

发射模块天线长度可在0～250mm之间调节，也可无天线发射，但发射效率下降。

图2-2为改进型，体积更小，内含隔离调制电路以消除输入信号对射频电路的影响，信号直接耦合，性能更加稳定。

发射模块应垂直安装在抑制板边部，并应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影响而停振。

发射模块发射距离与调制信号频率及幅度、发射电压及电流容量、发射天线、接收机灵敏度及收发环境有关。

发射模块采用PT2262编码器加240mm小拉杆天线发射时，在开阔区最大发射距离约250m，在障碍区相对要近，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。

如需要远的可靠距离，可在发射模块的输出端增加一级射频功率放大器。

（2）接收模块

接收模块可使用超再生电路或超外差电路，超再生电路成本低，功耗小可达100uA左右，调整良好的超再生电路灵敏度和一级高放、一级振荡、一级混频以及两级中放的超外差接收机差不多。

然而，超再生电路的工作稳定性比较差，选择性差，从而降低了抗干扰能力。

下图为典型的超再生接收电路。

图2-3超再生接收电路原理图

接收模块由接收天线、输人选频回路、高频放大、超再升电路、脉冲信号放大整形电路组成。

其功能是将遥控器发出的高频载波信号进行选频、放大、解调，输出符合解码电路要求的脉宽数据信号。

接收模块接收频率为315MHz，并具有较好的频宽及温度补偿特性，可与一般精度的声表谐振器稳频的发射机及LC发射机配套使用而不需要调整接收频率，较宽的工作温度范围可适应各种工作环境。

接收模块对电源要求不太苛刻，可以使用开关电源，并具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，2V时只消耗约2mA电流，3V消耗约2.5mA电流，但5V以下供电接收灵敏度要下降3～5dBm，5V供电可处于最佳接收灵敏度状态。

电路工作原理如下，ANT为24CM的软导线，由遥控器发出的高频信号经ANT感应拾取，经L1、C2并联谐振选频后，通过C3耦合到高频放大级，经Q1放大后的高频载波信号，经C6耦合到超再升电路。

在超再升接收电路中，Q2能完成对载波信号的放大、选频以及从高频载波信号中分离出调制信号（解调）等多重任务。

Q2工作在振荡状态，其接收频率主要由C7、L2的参数决定，调整C7可以在一定范围内改变接收头的接收频率。

解调后的低频脉宽数据信号经L3、C10组成的倒“L”型低通滤波器滤除高频杂波后，送人整形放大电路。

放大整形电路由LM358内部的两个运放组成的两级不同增益的放大器来完成，U1A组成增益电压放大器，U1B组成低增益隔离放大器，通过两级运放的互补作用，即保证来自前级的低频脉宽数据信号有较高的放大增益，又兼顾放大后输出的脉宽信号有很好的电流特性（波形好）。

两级放大器之间采用直接耦合，最终从LM358的1脚输出幅度和波形符合解码处理电路要求的低频脉宽数据信号。

2.2主要元器件介绍

2.2.1STC89C51单片机

本系统中选用MCS-51单片机，它是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种功能的I/O线等一台计算机所需要的基本功能部件。

MCS-51单片机与其的前一代产品MCS-48单片机相比，结构更先进，功能更强，在MCS-48的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条。

MCS-51系列单片机主要有8031、8051和8751类型产品，这里选用的是与这三种系列类型的单片机功能都是差不多的STC89C51。

主要性能参数：

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

·1000次擦写周期

·4.0－5.5V的工作电压范围

·全静态工作模式：

0Hz－33MHz

·三级程序加密锁

·128×8字节内部RAM

·32个可编程I／O口线

·2个16位定时／计数器

·6个中断源

·全双工串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

·中断可从空闲模唤醒系统

·看门狗（WDT）及双数据指针

·掉电标识和快速编程特性

·灵活的在系统编程（ISP字节或页写模式）

图2-4STC89C51单片机引脚图

功能特性概述：

STC89C51提供以下标准功能：

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，STC89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

引脚功能说明（见图2-4）。

·Vcc：

电源电压

·GND：

地

·P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址／数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

·P1口：

Pl是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。

表2.1P3口第二功能

端口引脚

第二功能

P1.5

MOSI（用于ISP编程）

P1.6

MISO（用于ISP编程）

P1.7

SCK（用于ISP编程）

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INTO（外中断0）

P3.3

/INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时/计数器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

·P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

·P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.1所示。

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

·RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0位（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。

·ALE／PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对F1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条M0VX和M0VC指令ALE才会被激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

·PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。

·EA／VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H~FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。

·XTALl：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

·XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

·中断寄存器：

各中断允许控制位于IE寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。

2.2.2编码解码芯片PT2262/PT2272

PT2262/2272是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272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（PT2272的17脚）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

PT2262无线数据模块具有较宽的工作电压范围3～12V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。

当发射电压为3V时，空旷地传输距离约20～50米，发射功率较小，当电压5V时约100～200米，当电压9V时约300～500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700～800米，发射功率约500毫瓦。

当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。

因为无线电信号传输时收很多因素的影响，所以一般实用距离只有标称距离的20％甚至更少。

图2-5PT2262引脚图

表2.2PT2262管脚功能

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

电源正端（＋）

Vss

电源负端（－）

编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效

OSC1

振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率

OSC2

振荡电阻振荡器输出端

Dout

编码输出端（正常时为低电平）

图2-6PT2272引脚图

表2.3P2272管脚功能

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PT2262一致，否则不解码

D0~D5

7~8、10~13

地址或数据管脚，当作为数据管脚时，只有在地址码与PT2262一致，数据管脚才能输出与PT2262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

电源正端（＋）

Vss

电源负端（－）

DIN

数据信号输入端，来自接收模块输出端

OSC1

振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率

OSC2

振荡电阻振荡器输出端

Dout

解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）

地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。

PT2262每次发射时至少发射4组字码，而PT2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。

因为无线发射的特点，第一组地址码加数据码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以程序可以丢弃处理。

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才改变。

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

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