顧葉虎，金琦淳，任俊，丁高升

(1. 無(wú)錫開放大學(xué) 機(jī)電工程系，江蘇 無(wú)錫 214011；2. 江蘇科技大學(xué)張家港校區(qū) 機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

0 引言

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2014年底，中國(guó)的電動(dòng)車保有量超過(guò)2億輛[1]，但是其防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)卻十分簡(jiǎn)單。目前，市場(chǎng)現(xiàn)有的電動(dòng)車防盜裝置，僅能實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警功能，不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)車實(shí)時(shí)位置信息的獲取，無(wú)法有效減少電動(dòng)車失竊案件的發(fā)生。因此，對(duì)電動(dòng)車防盜裝置的更新升級(jí)，成為電動(dòng)車廠商關(guān)注的熱點(diǎn)，且用戶也迫切期待一種安全可靠、實(shí)用經(jīng)濟(jì)的新型防盜裝置問(wèn)世。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)是一種新型電動(dòng)車防盜裝置，以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制器，利用震動(dòng)傳感器采集外界信號(hào)，并將信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)依據(jù)接收到的有效信號(hào)，控制蜂鳴器與發(fā)光二極管的開啟，從而實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警；利用紅外遙控可對(duì)防盜裝置進(jìn)行布控或解控，當(dāng)開啟布控時(shí)，裝置處于正常工作狀態(tài)，解除布控則使裝置處于休眠狀態(tài)；此外，設(shè)計(jì)巧妙地將GPS與GSM功能融入到系統(tǒng)中，可以通過(guò)短信通訊實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)定位。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)組成

根據(jù)各個(gè)模塊的工作原理設(shè)計(jì)出整體的電路圖，單片機(jī)主控部分、聲光報(bào)警部分以及紅外遙控部分的電路圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路圖

2.2 STC12C5A60S2單片機(jī)

STC12C5A60S2單片機(jī)是一種兼容51內(nèi)核的8位單片機(jī)，內(nèi)含有1 280字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)和60K字節(jié)的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器(FlashROM)，擁有2路PWM(脈沖寬度調(diào)制)和8路A/D轉(zhuǎn)換，具有工作功耗低、執(zhí)行速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于電子行業(yè)中[2]。

2.3 SW-420震動(dòng)傳感器

震動(dòng)傳感器是報(bào)警系統(tǒng)的核心裝置，該傳感器能夠?qū)④囕v的靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電信號(hào)。設(shè)計(jì)采用SW-420常閉型震動(dòng)傳感器，該傳感器是一種單滾軸型全方位感應(yīng)觸發(fā)開關(guān)，可以全方位感受傾斜和震動(dòng)，它具有高穩(wěn)定性，高靈敏度，適應(yīng)范圍廣等特點(diǎn)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 SW-420內(nèi)部結(jié)構(gòu)

傳感器接入電路后即可以立即開始工作。在處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，震動(dòng)軸靜止，電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)傳感器感受到震動(dòng)時(shí)，震動(dòng)軸位移，電路瞬時(shí)斷開，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)震動(dòng)的觸發(fā)功能。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到傳感器單獨(dú)工作輸出電壓不穩(wěn)定，為了保證模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量時(shí)信號(hào)不失真，因此采用了LM393電壓比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾。同時(shí)為增強(qiáng)裝置的適應(yīng)性，提高靈敏度，在設(shè)計(jì)電路時(shí)采用了調(diào)節(jié)電位器，可以通過(guò)自主調(diào)節(jié)電阻值大小改變傳感器的靈敏度[3]。

2.4 紅外遙控

設(shè)計(jì)采用SAA3010 紅外編碼芯片的紅外遙控器以及HX1838紅外接收頭。遙控器與HX1838之間的通信采用NECProtocol的PWM(脈沖寬度調(diào)制)標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)是根據(jù)脈沖的寬度來(lái)判斷傳輸?shù)男盘?hào)是“0”或“1”[4]。遙控編碼的脈沖由引導(dǎo)碼、用戶碼和數(shù)據(jù)碼組成，其中引導(dǎo)碼用于標(biāo)志遙控編碼脈沖信號(hào)的起始位，用戶碼用于識(shí)別遙控系統(tǒng)的種類，數(shù)據(jù)碼用于存儲(chǔ)操作指令信息。在數(shù)據(jù)碼中，“0”首先為0.56ms高電平，然后是0.56ms低電平；“1”首先為0.56ms高電平，然后是1.69ms低電平[5]，單片機(jī)通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)短的判斷，解碼出傳遞的信息，具體時(shí)序圖如圖4。

2.5 聲光報(bào)警

設(shè)計(jì)中聲光報(bào)警裝置由5V有源蜂鳴器以及發(fā)光二極管組成。其中單片機(jī)P3.7口連接控制蜂鳴器，并使用1個(gè)NPN三極管進(jìn)行電流放大，單片機(jī)通過(guò)改變?nèi)龢O管基極的電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)蜂鳴器的控制[6]。對(duì)于發(fā)光二極管電路，單片機(jī)的P2.0-P2.7口各自串聯(lián)500Ω的限流電阻來(lái)保證安全，防止元器件過(guò)載[7]。工作時(shí)單片機(jī)根據(jù)震動(dòng)傳感器的反饋，分析車輛是否發(fā)生異常運(yùn)動(dòng)，從而決定聲光報(bào)警的開啟或關(guān)閉。

3 定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 SIM908模塊

設(shè)計(jì)采用SIM908芯片作為定位追蹤裝置。SIM908是一款高性能的四頻GSM/GPRS/GPS工業(yè)級(jí)模塊，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，工作電壓為3V～5V。它的功能非常全面，不僅擁有通信功能，而且芯片內(nèi)部整合了GPS模塊，可以通過(guò)GPS進(jìn)行全球定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的實(shí)時(shí)追蹤。

SIM908模塊與單片機(jī)的串口通訊依靠AT指令集實(shí)現(xiàn)，工作時(shí)由單片機(jī)通過(guò)發(fā)送指令對(duì)模塊進(jìn)行控制，同時(shí)模塊也通過(guò)AT指令集進(jìn)行短信通訊，實(shí)時(shí)收發(fā)信息[8]。GPS數(shù)據(jù)的接收和解碼依靠NMEA-0183協(xié)議，該協(xié)議在GPS接收機(jī)上使用最為廣泛，芯片根據(jù)NMEA-0183協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將位置、速度等信息通過(guò)串口通訊發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析得到具體經(jīng)緯度[9]。

3.2 卡槽電路

SIM卡槽電路如圖5所示，SIM卡槽各引腳與芯片引腳相連接，在模塊開機(jī)后從SIM-RST引腳和SIM-CLK引腳發(fā)送芯片自動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)，同時(shí)SIM-VDD引腳輸出電壓對(duì)SIM卡供電，當(dāng)供電、時(shí)鐘、復(fù)位信號(hào)響應(yīng)后，芯片數(shù)據(jù)接口與卡槽I/O口建立通信[10]。

圖5 卡槽電路

在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)為了減少電源對(duì)信號(hào)的影響，在SIM-RST和SIM-CLK引腳兩端加入了100pf的濾波電容以增強(qiáng)穩(wěn)定性。同時(shí)為了節(jié)約空間，SIM卡槽設(shè)計(jì)在PCB板背面，既美觀大方，又減少布線的長(zhǎng)度。

3.3 供電電路

考慮到裝置使用場(chǎng)合的多樣性，在設(shè)計(jì)電路時(shí)芯片采用鋰電池供電，供電電路如圖6所示。鋰電池供電時(shí)將電池與芯片VCC直接相連，簡(jiǎn)單便捷。交流電供電電路設(shè)計(jì)中為保證電流穩(wěn)定，電路采用MIC29302BU電源穩(wěn)壓芯片，該芯片具有穩(wěn)定性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高、穩(wěn)壓范圍大等優(yōu)點(diǎn)，其輸入電壓最高26V，輸出電壓范圍1.25V～ 26V，輸出最大電流為3A，在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。

圖6 供電電路

4 軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)上電后單片機(jī)對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，震動(dòng)傳感器、蜂鳴器、發(fā)光二極管、紅外遙控處于關(guān)閉狀態(tài)，SIM908模塊進(jìn)行初始化，開啟GPS和GSM功能。通過(guò)紅外遙控器發(fā)送布控指令，HX1838紅外接收頭接收到指令后，SW-420震動(dòng)傳感器將車輛當(dāng)前情況實(shí)時(shí)反饋給單片機(jī)處理。單片機(jī)通過(guò)對(duì)電平的判斷，確定車輛目前的情況，從而決定是否開啟聲光報(bào)警，當(dāng)發(fā)生誤觸時(shí)，控制者也可通過(guò)紅外遙控器手動(dòng)關(guān)閉報(bào)警。當(dāng)車輛被盜后可以通過(guò)短信發(fā)送指令，控制SIM908模塊發(fā)送車輛的實(shí)時(shí)地理位置信息。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種基于單片機(jī)的電動(dòng)車防盜裝置設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)創(chuàng)新性地將GPS和GSM功能與傳統(tǒng)報(bào)警裝置結(jié)合，使其防盜功能得到大幅提升。不僅可以對(duì)可疑行為進(jìn)行聲光報(bào)警，還能通過(guò)追蹤定位，實(shí)現(xiàn)被盜車輛的迅速找回；系統(tǒng)同時(shí)具備智能化、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、安全系數(shù)高和可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，給用戶帶來(lái)極大的便利。該產(chǎn)品還可以運(yùn)用于其他各領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)貴重物品的監(jiān)控，具有廣闊的市場(chǎng)前景。