上海電機學(xué)院機械學(xué)院 王景夏 付睿云 徐棟梁 伍忠凱 辛紹杰

1.引言

學(xué)校宿舍經(jīng)常發(fā)生被盜事件，而學(xué)校從學(xué)生隱私考慮，并未在宿舍安裝監(jiān)視攝像頭來消除安全隱患。宿舍安裝的普通機械鎖結(jié)構(gòu)簡單，容易被撬開。為了增加安全保障，提出了一款基于GSM遠(yuǎn)程控制報警防盜器的設(shè)計方案。本方案以S12芯片為核心控制器，結(jié)合了TC35GSM模塊、步進(jìn)電機驅(qū)動模塊和蜂鳴器報警模塊，設(shè)計制作了新結(jié)構(gòu)的防盜電子鎖。該防盜電子鎖由機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。在使用之前需要使用防盜器專用設(shè)置軟件向控制器里面寫入需要的電話號碼，以及開門指令，假設(shè)使用者在外地使用設(shè)置好的手機向GSM里面寫入開門指令，GSM接收到信號向單片機發(fā)送開門信號，單片機控制驅(qū)動器，帶動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，從而打開門。

圖1 機械結(jié)構(gòu)圖

圖2 電路設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

圖3 單片機圖

圖4 報警器模塊

圖5 防盜器專用設(shè)置軟件界面

2.機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置的報警功能通過如下步驟實現(xiàn)：防盜裝置開啟，當(dāng)宿舍被非法入侵時，小偷撬開門鎖或者自己開門，無論何種方式宿舍門被打開的話，一律視為非法入侵。小偷開門的同時，裝置上的紅外線被阻擋，裝置內(nèi)的單片機開始運作，首先響起蜂鳴器，同時單片機上的gsm模塊開始運行，向預(yù)先設(shè)置的手機號碼上發(fā)送短信，提示報警。把手卡盤②卡在鎖的把手上面，當(dāng)短信發(fā)過來之后，信號控制電機的轉(zhuǎn)動，使其按照要求實現(xiàn)不同頻率的轉(zhuǎn)動，移動螺母③隨電機的運動進(jìn)行前后的移動并用軟鋼絲與把手卡盤②連接，拉動把手轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)門的打開和關(guān)閉。安裝時，外殼⑥可以從右側(cè)面卸下，先卸下外殼，裝上螺母導(dǎo)軌⑦，再將移動螺母③裝配上，固定住電機擋板⑤。然后組合上外殼⑥的右側(cè)。最后將自攻螺釘通過固定螺孔⑧固定在門上。

3.硬件電路設(shè)計

硬件電路包括：電源，單片機，GSM模塊，步進(jìn)電機驅(qū)動模塊和蜂鳴器報警模塊。電路設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖6 程序流程圖

在使用之前需要使用防盜器專用設(shè)置軟件向控制器里面寫入需要的電話號碼，以及開門指令，假設(shè)使用者在外地使用設(shè)置好的手機向GSM里面寫入開門指令，GSM接收到信號向單片機發(fā)送開門信號，單片機控制驅(qū)動器，帶動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，從而打開門。

3.1 電源

電源是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，電源的選擇對整個方案至關(guān)重要。本設(shè)計用電源220V，步進(jìn)電機采用12V電壓，單片機模塊和GSM模塊為5V電壓。為此，選用輸入電源170～264VAC，輸出電壓為12V，5V的電源，該電源外接220V交流電，輸出12V電壓為步進(jìn)電機供電，輸出5V為單片機和GSM模塊供電。

3.2 單片機

設(shè)計選擇的單片機型號為MC9S12XS128。該機有16個AD通道，可以配置8、10、12位精度；8路PWM；2路SCI接口；1路SPI接口；1個TIM模塊，可以配置8個輸入捕捉或輸出比較通道；4路周期中斷定時器（PIT）通道；1個CAN模塊；及其豐富的IO口，方便外部設(shè)備的接入。設(shè)計中使用SCI和上位機通訊。單片機如圖3所示。

3.3 GSM模塊

TC35是一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM模塊，該模塊從3.3V到5.5V電源供電，工作頻段GSM900MHZ和DCS1800MHZ，發(fā)射功率2W。設(shè)計中采用TC35進(jìn)行短信的接收與發(fā)射，實現(xiàn)報警與遠(yuǎn)程開門的功能。

3.4 步進(jìn)電機驅(qū)動器

步進(jìn)電機的控制器采用高性能步進(jìn)電機控制器2HD8080A，該控制器采用32bit數(shù)字處理器，引入控制理論中實時電流跟蹤控制，實現(xiàn)電流閉環(huán)。8路獨立的同相PWM無差拍輸出，獨立控制全橋的上下臂，電流控制更精確。同時加入200K的基頻，徹底消除次諧波，并加入電子阻尼技術(shù)以及實時矢量合成后的PWM輸出。使得電機的低頻、倍頻共振、高頻自激振動、電磁噪音較傳統(tǒng)開環(huán)驅(qū)動器有很大的改善。本系統(tǒng)中，采用2HD8080A控制器控制步進(jìn)電機實現(xiàn)開鎖的功能。

3.5 報警喇叭

報警喇叭用于在非正常開門時，發(fā)出報警信號。采用了報警鈴聲的模塊，并用三極管9014對其信號進(jìn)行放大，來驅(qū)動喇叭。電路如圖4所示。

4.控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 上位機軟件設(shè)計

上位機功能是進(jìn)行門禁卡號的設(shè)置，短信號碼的設(shè)置，發(fā)送短信和顯示接收的短信。上位機的軟件基于labview編寫，通過串口修改GSM中的電話號碼，發(fā)送的短信內(nèi)容和指令動作。界面如圖5所示。

4.2 下位機軟件設(shè)計

本系統(tǒng)控制軟件使用CodeWarrior5.0，并用BDM作為調(diào)試工具。系統(tǒng)程序設(shè)計由單片機初始化模塊，GSM初始化模塊和初始化模塊組成。程序流程如圖6所示。

程序啟動時對單片機硬件初始化，對GSM模塊初始化，然后一直判斷是否有開門指令，串口通訊指令和門正常打開指令，如檢測到相關(guān)指令，進(jìn)入相應(yīng)的處理程序。

5.結(jié)束語

基于GSM網(wǎng)絡(luò)通信和單片機的控制功能，實現(xiàn)了宿舍防盜電子鎖的設(shè)計與制作，通過使用GSM模塊實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及報警。該設(shè)計具有實現(xiàn)簡單、成本低廉、專用性強等優(yōu)點，具有一定的實用性。

[1]樓苗然,李光飛.單片機課程設(shè)計指導(dǎo)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[2]清源科技.Protel 2004電路原理及PCB設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.