基于多种传感器及89c51单片机的汽车多重防盗系统设计论文学位论文.docx
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基于多种传感器及89c51单片机的汽车多重防盗系统设计论文学位论文
硕士研究生课程
《智能传感器技术》（考查）
自选课题
题目：
基于传感器的汽车防盗控制系统设计
学院：
自动化工程学院
年级专业：
2012级信号与信息处理
2013年5月12日
基于传感器的汽车防盗控制系统设计
DesignofCarWirelessAlarmControlSystemBasedonSensor
摘要
随着科学技术的进步，为对付不断升级的盗车手段，人们研制开发了不同方式结构的防盗器。
本设计以单片机AT89S52作为控制核心，从单片机最小系统设计、防人接近热释电检测电路的设计、玻璃防震、车身防击的振动检测电路的设计、防车门开启检测电路的设计、防接近驾驶座电路、汽车点火闭锁电路的设计、无线遥控电路及无线报警电路的设计等几个方面出发，详细研究和设计了汽车防盗报警器的各个部分内容，设计了单片机及其外围电路，并结合一套经典的程序算法。
给出了一套合理的汽车防盗报警器软硬件解决方案。
关键词单片机热释电多普勒效应无线报警
Abstract
Withthedevelopmentofscientifictechnology,inordertocopewiththeescalating,peopledevelopthedifferentwaysofstructurealarms.ThisdesignuseAT89S52ascontrolcore,singlechipmicrocomputersystemdesign,thesmallestpeopleclosetopyroelectricdetectioncircuitdesign,bodyofthestrikevibrationtestingcircuitdesign,openingthedoorsofthedetectioncircuitdesignandclosetothedriver'scircuitdesign,wirelessremotecontrolcircuitandwirelessalarmcircuitdesignandsoonseveralaspect,givesareasonablesetofguardagainsttheftalarmhardwareandsoftwaresolutions.
KeywordsSCMPyroelectricDopplereffectWirelessAlarmKeilC51AT89S51
第一章绪论
1.1课题提出的背景
随着人民生活水平的不断提高，汽车以成为人们生活中不可缺少交通工具之一。
而随着汽车数量的增加，特别是轿车正以很快的速度步入家庭，车辆被盗的数量逐年上升，这给社会带来极大的不安定因素，担心车辆被盗，成为困扰每一位汽车用户的难题。
人们为了车辆的安全大都安装了汽车防盗报警系统。
随着经济与科技的发展，国内外汽车防盗新技术和新产品不断涌现。
法国将GPS卫星监控技术应用于汽车防盗装置并已进入实用化阶段，这为国内防盗技术的发展开辟了一条新思路。
中国加入WTO后.随着国外防盗产品不断涌入国内市场.国内在汽车防盗法规方面也制定了更为严格的标准，并投入大量资金积极开发新产品。
因此，国内各大厂商应把握时机，合理利用国外先进防盗技术，建立行之有效的汽车防盗技术开发体系，以促进国内汽车防盗技术的快速发展。
1.1.1车辆防盗发展趋势分析
1.新的发展机遇
随着经济与科技的发展，国内外汽车防盗新技术和新产品不断涌现。
法国将GPS卫星监控技术应用于汽车防盗装置并已进入实用化阶段，这为国内防盗技术的发展开辟了一条新思路。
中国加入WTO后.随着国外防盗产品不断涌入国内市场.国内在汽车防盗法规方面也制定了更为严格的标准，并投入大量资金积极开发新产品。
因此，国内各大厂商应把握时机，合理利用国外先进防盗技术，建立行之有效的汽车防盗技术开发体系，以促进国内汽车防盗技术的快速发展。
2.必然的较长发展时期
由于国内经济、科技发展不平衡及地区性差异的存在，不同档次的汽车用户对防盗产品和技术的需求各异，使汽车防盗新技术和新产品在国内大面积推广还需要一段时间。
目前，虽然国内外汽车防盗技术发展相当迅速，但对于汽车防盗方面的核心技术，世界各国普遍存在对外封闭的现象，造成国内汽车防盗技术的发展速度相对缓慢，需要一个长期的发展过程去赶超发达国家。
3.朝着安全、简单、智能化和功能多样化的方向发展
目前，国内外广泛应用的汽车防盗装置普遍存在结构复杂、价格昂贵、功能单一和可靠性差等缺点，并不能实现真正的防盗。
要实现真正的防盗，需进一步提高产品的灵活性和适用性，应将控制技术、数据通讯及网络技术等应用到汽车防盗领域，使汽车防盗装置朝着安全、简单、高智能化及功能多样化方向发展。
近年来流行的遥控无锁系统只是智能化、功能多样化的初步体现，未来汽车防盗装置还将向电子密码等多样化识别方向发展。
汽车防盗技术的发展水平体现了一个国家科技发展水平和文明程度，要尽快提高国内汽车防盗的技术水平，缩小与世界发达国家的差距。
结合国内实际情况，坚持自主研究开发，同时引进国外先进技术及设备，重视对汽车防盗技术的研究和推广，逐步提高汽车防盗科技水平。
1.1.2车辆防盗报警技术剖解
车辆的防盗报警由于巨大的市场前景，出现了许多不同类型的产品，且其产品的结构和特点各不相同。
1.机械式防盗装置
一种比较常见的防盗装置，主要利用简单的机械式原理锁住车上的某一部件，使其不能有效发挥应有的作用，以达到防盗的目的。
优点是价格便宜，安装简便；缺点是使用不隐蔽，防盗不彻底，拆装麻烦。
其在经历数次技术升级后，目前有了较可靠的方向盘锁和排挡锁等。
此外，为增加防盗安全系数，给车辆安装数种机械式防盗装置，可在一定程度上吓走盗车贼，增加盗贼被发现的可能性。
2.电子防盗报警装置
克服了机械锁只能防盗不能报警的缺点，主要靠锁定点火或起动装置来达到防盗的目的，同时具有声音报警等功能。
电子防盗装置设计较为先进、结构复杂，包括起动控制、遥控车门和报警部分，主要由防盗控制单元、识读线圈、警告灯、遥控钥匙等元件组成。
电子防盗器一般都具有遥控功能，安装隐蔽，操作简便。
缺点是容易误报，不能从根本上解决车辆丢失问题。
当然随着科技的发展，电子防盗器也增加了许多方便、实用的附加功能。
现在市场上出现了具有双向功能的电子防盗器，不仅能由车主遥控车辆，车辆还能将自身状态传送给车主。
3.芯片式防盗装置
通过锁住制动装置、电路和方向盘达到防盗目的，若没有芯片钥匙便无法起动车辆。
数字化的密码重码率极低，而且要用密码钥匙接触车上的密码锁才能开锁，杜绝了被扫描的可能。
由于特点突出且使用方便，大多数轿车均采用它作为原配防盗器。
目前国产大众、广州本田、派力奥等车型都装用原J1的芯片防盗系统。
其已经发展到第四代，具有特殊诊断功能，不仅比电子防盗系统更有效，还具有其他先进之处：
电子芯片钥匙和数码锁之间采用独特的射频识别技术可保证系统在任何情况下都能正确识别驾驶者，当驾驶者接近或远离车辆时可自动识别其身份，打开或关闭车锁。
无论在车内还是车外，独创的TMS37211器件能够探测到电子钥匙的位置。
4.网络式防盗系统
它通过网络实现车辆的起动、截停、定位，并可根据车主要求提供远程车况报告等功能。
主要使用的网络有CPS，它是靠锁定点火或起动发动机达到防盗的目的。
网络式防盗突破了距离的限制，覆盖范围广，可用于被盗车辆的追踪侦查，可全天候应用，破案速度快，监测定位精度高。
GPS防盗技术可以说是一场技术革命，它一改传统防盗器的被动、孤立无助的被动式服务，能为车主提供全方位的主动式服务，是目前其他类型防盗系统所不能比拟的。
但我国的网络式防盗技术的发展水平比较落后，与发达国家还有明显差距。
5.其它防盗系统
我国吉林某发明家现已研制成功一种D816型全方位遥控汽车防盗器。
这种防盗器适用于各种车型，有全车、全方位防盗、报警和锁定功能。
除车主之外，任何人想开动或撬、拆、击打汽车、盗窃轮胎或车上货物，都会发出不小于120分贝的强力报警声。
其遥控器可随身携带。
1.2国内外发展现状
目前防盗报警产品市场约占安防市场的15％左右。
初步统计，截止2007年底，全国防盗报警器从业企业约6000家，其中生产厂商约100家，工程商约3000家，代理商1300家，经销商约1000家，研发商约300家，生产汽车防盗报警器的厂家约300家，2007年行业年产值（或营业收入）达150亿元。
从业人员数为42万人，平均每家企业约70人。
我国防盗报警行业呈现快速发展，防盗报警器的销售数量和总销售额均以30～60％的幅度高速攀升。
从国内市场占有率来看，目前国内高端市场上的防盗报警系统大部分是国外品牌，无论在资金和技术上，都具备很强的优势。
在中低端市场，我们权且不以代理商做比较标准，仅以达到一定规模的生产商作为考量依据，则形成了慑力、金冕王、豪恩、欧安、嘉宝等为代表的“粤军”与隆泰、宏泰、安达、科立信、时刻、酷狗等为代表的“闽军”对垒的局面。
其中“粤军”以深圳为中心，“闽军”以福建泉州为中心。
另据调查，北京市场上至少有50个品牌，以外埠产品为主，月销量为3-5万台。
汽车防盗报警器的使用在很大程度上有效地保护了国家和人民生命财产的安全。
使人们有了安全的依靠。
同时车辆防盗报警器的使用也减少了盗窃犯罪事件的发生，起到了一定的威慑作用。
1.3目前汽车防盗技术中存在的问题
由于国内经济、科技发展不平衡及地区性差异的存在，不同档次的汽车用户对防盗产品和技术的需求各异，使汽车防盗新技术和新产品在国内大面积推广还需要一段时间。
目前，虽然国内外汽车防盗技术发展相当迅速，但对于汽车防盗方面的核心技术，世界各国普遍存在对外封闭的现象，造成国内汽车防盗技术的发展速度相对缓慢，需要一个长期的发展过程去赶超发达国家。
目前，国内外广泛应用的汽车防盗装置普遍存在结构复杂、价格昂贵、功能单一和可靠性差等缺点，并不能实现真正的防盗。
要实现真正的防盗，需进一步提高产品的灵活性和适用性，应将控制技术、数据通讯及网络技术等应用到汽车防盗领域，使汽车防盗装置朝着安全、简单、高智能化及功能多样化方向发展。
近年来流行的遥控无锁系统只是智能化、功能多样化的初步体现，未来汽车防盗装置还将向电子密码等多样化识别方向发展。
汽车防盗技术的发展水平体现了一个国家科技发展水平和文明程度，要尽快提高国内汽车防盗的技术水平，缩小与世界发达国家的差距。
结合国内实际情况，坚持自主研究开发，同时引进国外先进技术及设备，重视对汽车防盗技术的研究和推广，逐步提高汽车防盗科技水平。
1.4课题研究任务
本设计以单片机作为控制核心，需要设计单片机最小系统设计、玻璃防震、车身防击的检测电路设计、防车门开启检测电路的设计、汽车点火闭锁电路的设计、无线遥控电路及无线报警电路的设计等，需要设计单片机及其外围电路，完成系统硬件设计和软件编程。
具体的设计要求包括：
1、汽车玻璃振动，车受外力冲击,触发报警。
2、车门与门框距离>5mm,触发报警。
3、车主可以在一定的范围接受到报警信号。
报警信号发射距离>200m,用户所持的微型遥控器接收报警信号，发出声光报警信号。
第二章汽车防盗原理及总体设计
2.1各监测模块电路方案的确定
2.1.1车门开启检测传感器—干簧管
本系统中车门开启检测采用干簧管与永磁铁的配合[3]。
干簧管是一种磁敏的特殊开关。
它通常由两个或三个既导磁又导电材料做成的簧片触点，被封装在充有惰性气体（如氮、氦等）或真空的玻璃管里，玻璃管内管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成开关的常开或常闭接点。
当永久磁铁靠近干簧管时，或者由绕在干簧管上面的线圈通电后形成磁场使簧片磁化时，簧片的接点就会感应出极性相反的磁极。
由于磁极极性相反而相互吸引，当吸引的磁力超过簧片的抗力时，分开的接点便会吸合;当磁力减小到一定值时，在簧片抗力的作用下接点又恢复到初始状态。
这样便完成了一个开关的作用。
因此可以作为传感器用于计数，限位等等。
将其装在车门上，可作为汽车车门开启的检测的传感器。
2.1.2车身冲击振动检测传感器—压电陶瓷传感器
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。
当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器[2]。
图2-1压电陶瓷传感器结构原理图
图2-1所示为压电陶瓷传感器结构原理图，压电元件一般由两片压电片组成。
在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。
在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。
整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。
测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。
当传感器感受到振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用。
这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。
由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生了交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。
输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动加速度或位移。
利用压电传感器的这个效应，可以做成用于检测振动的传感器。
本设计玻璃振动、车身振动的检测传感器采用压电陶瓷传感器。
2.2电路总体设计方案的确定
综合以上的考虑，汽车防盗报警器采用两种方式进行报警信号的检测：
玻璃撞击、车身冲击振动检测采用压电陶瓷传感器；汽车车门的异常开启检测传感器采用干簧管作为传感器。
这两种检测电路监测汽车内外的安全状态，并送入单片机进行综合处理。
有任一路检测电路检测到报警信号时，系统将发出声光报警，这就需要设计声光报警电路。
系统能够通过遥控器按键操作设置布防和解除布防状态，这就需要设计遥控编码发射和接收解码电路。
此外，主机的报警信号需要能够通过无线发射，用户所持的遥控器要接收报警信号,遥控器也将发出声光报警信号，需要设计报警信号的编码发射电路和接收解码电路以及遥控器上的声光报警信号。
系统的主机部分总体设计框图如图所示：
图2-2系统主机部分总体设计框图
系统的遥控器部分设计框图如图2-2所示：
图2-3系统遥控器部分设计框图
报警器通过遥控器上设计的按键电路来设置系统处于布防状态还是解除布防状态。
按键的操作通过编码电路进行地址编码，通过射频发射模块发射。
经主机的遥控接收解码电路接收和处理后送入单片机，由单片机处理。
在系统处于布防状态下时，系统将启动发动机点火闭锁电路，防止发动机被点火。
当有任一路检测电路检测到报警信号时，系统将发出声光报警，并且报警信号通过主机报警编码发射电路无线发射，经过用户所持的微型遥控器射频接收电路接收、再经过解码电路解码，产生报警信号,在遥控器上也将发出声光报警信号。
第三章系统的硬件电路设计
3.1报警检测电路的设计
3.1.1干簧管车门开启检测电路的设计
本设计车门开启检测电路采用干簧管。
干簧管是把两片即导电又导磁的材料组成的簧片平行的封入充有撱性气体的玻璃管中组成的开关元件。
两簧片一端重叠并有一定的空隙，便于形成接点。
当永久磁铁靠近单簧管或者有绕在单簧管的线圈通电形成的磁场使簧片磁化，簧片的接点部分就感应出极性相反的磁极。
异性相吸，当吸引力大于弹簧的弹力时，接点就会吸合；当磁力较小到一定程度时，接点被弹簧的弹力打开。
干簧管的接点形式有两种:
一是常开接点（H）型，平时打开，只有簧片被磁化时，接点才结合；二是转换接点的单簧管：
结构上有三个簧片，第一片用只导电不导磁的材料做成，第二第三用即导电又导磁的材料做成，上中下依次是1，3，2。
平时，由于弹力的作用，1、3相连；当有外界磁力，2、3磁化，相吸。
形成一个转换开关。
干簧管体积小，质量轻，簧片轻而短，有固有频率，可提高接点的通断速度，通断的时间仅为1～3ms，比一般的电磁继电器快5～10倍。
接点与大气隔绝，管内有稀有气体，可减少接点的氧化合碳化；并且由于密封，可防止外界有机蒸气和尘埃杂质对接点的侵蚀。
图3-1干簧管结构图
车门开启检测电路如下图所示。
控制干簧管接点闭合、打开的磁铁这里用电磁铁来实现，由三极管Q3来完成电磁线圈的驱动，三极管的基极通过限流电阻R12与单片机的I/O端口相连，电磁线圈是否带磁性由单片机来控制。
二极管D6这里是续流二极管，起到保护三极管的目的。
干簧管通过上拉电阻R11接到高电平，干簧管的另一端接地，这样干簧管闭合时，通过限流电阻R10送到单片机端口的就是低电平，当干簧管打开时，送到单片机端口的就是高电平。
在布防状态下，单片机控制引脚输出高电平，三极管Q3导通，电磁线圈带电，也就有了磁性；车门关闭时，干簧管的常开接点也就闭合，这时送到单片机端口的就是低电平。
如果车门被人恶意开启，干簧管闭合的接点就会打开，送到单片机端口的就是高电平。
单片机通过判断输入电平的状态就可以判断车门的开关状态。
图3-2车门开启检测电路
3.1.2压电陶瓷振动检测电路的设计
系统振动检测电路如下图所示。
压电陶瓷传感器[6]通过上拉电阻接到VCC，它将接收到的振动信号装换成微弱电信号。
这一微弱电信号经过共射极三极管放大电路放大后送到由LM393构成的比较器电路的输入端，比较器的门限电压取决于可调电阻R15和电阻R16，当检测到的信号电压超过门限电压时，比较器将输出状态将发生变化，这一变化送到单片机I/O端口，供单片机处理判断。
图3-3振动检测电路设计
LM393作为专用比较器集成电路[7]，其输出为集电极开路输出，两个比较器的输出可直接并联，共用外接电阻，它可以双电源供电，也可以单电源供电。
该比较器的电源电压是2~36V，输出电流大，可直接驱动TTL和LED。
类似型号是LM219，四电压比较器LM319。
LM139、LM239和LM339与LM119的功能基本相同。
LM393的符号见图3-4。
其中11脚为正电源，6脚为电源地，3脚为比较器1的地线，8脚为比较器2的地线。
图3-4LM393的符图
3.2无线发射和接收电路的设计
3.2.1编码芯片HS2262
1、HS2262概述
HS2262是CMOS工艺制造的低功耗通用编码电路，编码由用户可灵活改变的地址码和数据码组成[8]。
HS2262具有省电模式，可用于无线电和红外线遥控发射；其外围应用电路元器件少，振荡电路只需外接一个电阻即可构成振荡回路；它的数据最多可达6位，地址码最多可达531441（312）种；同时HS2262具有多种封装形式和很宽的工作电压范围，它在1.3V到12V之间都可以正常工作。
2、其各个引脚的功能说明见下表
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
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
TE
14
编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端
Dout
17
编码输出端（正常时为低电平）
表3-1HS2262引脚功能说明
3、HS2262的工作过程
HS2262将A0-A11，D5-D0引脚端的状态（包括地址和数据）编码为一个特殊的波形并且在TE脚为0时输出波形到Dout口。
这个波形送到RF调制器或IR发送器处理后进行发送。
对方的RF解调器或IR接收器收到发送过来的无线频率信号或红外线信号后将之整形为对应的波形，然后HS2272就可以对这个波形进行解码输出。
这样就完成了遥控编码和解码的过程，下图为HS2262工作流程图:
图3-5HS2262工作流程图
3.2.2解码芯片HS2272
1、HS2272概述
解码芯片HS2272是与HS2262编码芯片配对使用的遥控解码器[9],采用CMOS工艺制造.它具有12位三态地址引脚,可提供最多531441（312）种地址码,因此可以显著得减少码间冲突和恶意码扫描的可能性。
HS2272可在多种设置下使用,以适合各种应用需要:
数据输出引脚数可改变,数据输出形式可为锁存输出或即时输出。
HS2272具有以下特点：
1）CMOS工艺制造，低功耗2）很高的抗噪声度3）可达12个三态地址引脚4）可达6个数据引脚5）工作电压范围宽:
VCC=4～15V6）单电阻振荡器7）锁存或即时输出形式8）使用DIP和SOP封装，HS2272的应用范围很广泛，主要包括：
汽车防盗系统、遥控风扇、车库门控制器、住宅防盗/自动化系统、遥控玩具、工业方面的遥控应用等。
2、HS2272的功能框图及引脚说明
HS2272解码芯片的功能框图如下图所示。
主要包括三态地址数据检测、系统时钟、振荡器、控制逻辑、比较逻辑、输出逻辑、数据检测和同步检测等几个部分。
图3-6HS2272解码芯片的功能框图
其各个引脚的功能说明见下表
名称
管脚
说明
A0-A5
1-6
地址引脚A0-A5.三态引脚（"0","1"或"f"）,对应编码波形中的bit0-bit5
A6/D5-A11/D0
7-810-13
地址引脚A6-A11/数据引脚D5～D0.用作高地址位还是数据输出取决于HS2272的使用型号.用于地址输入时,为三态引脚（"0","1"或"F"）,对应编码波形中的bit6-bit11;用于数据输出时,如果收到波形的解码地址与地址引脚的地址设置相匹配,且收到的相应的数据位为"1"时,引脚升至Vcc.否则降为Vss.锁存型只有在接收到下一数据才能转换
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
DIN
14
数据信号输入端，来自接收模块输出端
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端
VT
17
解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高
表3-2HS2272引脚
3、HS2272的功能描述
HS2272解码接收送入DIN引脚的波形，将输入的波形解码成包括地址,数据和同步位的码字，将解码的地址位与地址输入引脚设置的地址进行比较.如果2个连续的码字都匹配,HS2272置数据位对应的数据输出引脚为"1",并将VT输出置为高电平。
HS2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有Lx/Mx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
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