基于GSM的汽車防盜報(bào)警器設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展，家庭及公用汽車越來越多，而被盜車輛的數(shù)量也在逐年增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的汽車防盜器存在很多弊端，如作用距離短,可產(chǎn)生噪聲污染,不能遠(yuǎn)程報(bào)警,需要安裝等。這些弊端給居民生活帶來了很大的不便，一些居民區(qū)甚至禁止安裝汽車防盜報(bào)警器。

GSM(Global System for Mobile Communication)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，覆蓋范圍廣是已被廣泛應(yīng)用的通信網(wǎng)絡(luò)體系。近幾年來，GSM網(wǎng)絡(luò)的短信、通話等基礎(chǔ)服務(wù)技術(shù)也得到越來越多的電路設(shè)計(jì)工程師的重視[1]。將目前汽車防盜器的設(shè)計(jì)思想和GSM網(wǎng)絡(luò)的功能相結(jié)合,便可實(shí)現(xiàn)防盜器的遠(yuǎn)程報(bào)警功能，解決傳統(tǒng)防盜器的弊端。

1 防盜系統(tǒng)與防盜器的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

防盜系統(tǒng)有遙控器、防盜器、GSM網(wǎng)絡(luò)以及用戶手機(jī)組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

防盜器可置于汽車內(nèi)任意位置，通過專用遙控器控制防盜器的開關(guān)狀態(tài)。開啟狀態(tài)下，當(dāng)傳感器檢測(cè)到異常信號(hào)時(shí)，防盜器可通過GSM網(wǎng)絡(luò)給用戶撥打電話，達(dá)到遠(yuǎn)程防盜的目的。

1.2 防盜器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防盜器內(nèi)部由5個(gè)模塊組成：主控模塊、GSM模塊、檢測(cè)模塊、遙控模塊與電源模塊。防盜器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控模塊負(fù)責(zé)接收、處理遙控模塊、GSM模塊和檢測(cè)模塊發(fā)送的信號(hào)以及向GSM模塊發(fā)送控制指令等。

遙控模塊用來控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。當(dāng)遙控器有按鍵按下時(shí)，接收模塊相應(yīng)管腳會(huì)輸出信號(hào)，該信號(hào)通過單片機(jī)的外部中斷接口發(fā)送給CPU，CPU接收到信號(hào)后進(jìn)入中斷程序進(jìn)行開、關(guān)操作。

GSM模塊負(fù)責(zé)按照CPU的指令向用戶手機(jī)發(fā)送呼叫信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。

檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)汽車的異常振動(dòng)信號(hào)。

電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)防盜器供電，設(shè)計(jì)時(shí)需要解決電源模塊的工作時(shí)間長(zhǎng)短問題。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

針對(duì)各個(gè)模塊的功能以及設(shè)計(jì)要求，對(duì)系統(tǒng)各模塊的主要元件進(jìn)行了選型，并設(shè)計(jì)了具體電路。

2.1 主控模塊

系統(tǒng)對(duì)CPU的要求為：2個(gè)支持掉電喚醒的中斷；一對(duì)串口以便與GSM模塊通信；4個(gè)I/O端口以控制聲光以及GSM模塊的使能；一定容量的EEPROM空間以存儲(chǔ)用戶電話號(hào)碼等信息，及一個(gè)帶A/D轉(zhuǎn)換的I/O端口以測(cè)量電池充電的完成狀態(tài)。

為了在達(dá)到以上要求的同時(shí)盡量縮小防盜器體積，設(shè)計(jì)選用了宏晶科技的SOP型芯片STC12LE5402AD作為防盜器的CPU。它只有20個(gè)管腳，工作電壓為2.2 V～3.8 V，工作頻率為0～35 MHz，1 KB的EEPROM，2個(gè)支持掉電喚醒的外部中斷，一對(duì)串口，15個(gè)I/O端口，8路10位A/D轉(zhuǎn)換I/O端口，內(nèi)置復(fù)位電路且功耗低，完全符合設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)主控模塊的電路如圖3所示。

遙控接收模塊檢測(cè)遙控器的開啟信號(hào)，并將信號(hào)通過外部中斷口傳送給CPU，防盜器進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)振動(dòng)檢測(cè)模塊檢測(cè)到異常振動(dòng)信號(hào)時(shí)，CPU通過I/O端口將SIM900B開啟，并向GSM模塊發(fā)送AT指令，將SIM900B模塊初始化。GSM模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)送呼叫提示信號(hào)。

遙控接收模塊檢測(cè)到遙控器的關(guān)閉信號(hào)時(shí)，CPU將通過特定指令使系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。遙控器發(fā)送開關(guān)信號(hào)時(shí)，遙控信號(hào)指示電路會(huì)進(jìn)行聲光提示。

2.2 GSM模塊簡(jiǎn)介

GSM模塊選用的是SIMCOM公司的SIM900B模塊，該模塊體積小巧、性能穩(wěn)定，自帶天線扣，性價(jià)比高，有四種工作頻率：GSM/GPRS 850/900/1800/1900 MHz，可以實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的低功耗傳輸[2]，滿足系統(tǒng)對(duì)GSM模塊的要求。

SIM900B的電路連接簡(jiǎn)圖如圖4所示。U3為SIM卡，SIM900B通過自有的SIM卡接口為SIM卡提供電源并向其發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)SMS、呼叫等功能。D4～D7是為了防止靜電損害，而在SIM卡座附近放置的瞬變電壓抑制二極管。

PWKEY管腳為SIM900B的使能端，軟件使該管腳拉低至少100 ms后，SIM900B進(jìn)入使能狀態(tài),此時(shí)CPU可通過串口向SIM900B發(fā)送指令。

2.3檢測(cè)模塊

考慮到大部分車被盜時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)，設(shè)計(jì)選用振動(dòng)傳感器為信號(hào)檢測(cè)器件。振動(dòng)傳感器也稱振動(dòng)開關(guān)，它一般有滾珠式與彈簧片式兩種。滾珠式振動(dòng)開關(guān)帶有傾斜感應(yīng)且只能單方向性觸發(fā)；彈簧片式振動(dòng)開關(guān)無方向性限制，任何角度均可觸發(fā)[3]。針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)選用了彈簧片式振動(dòng)開關(guān)SW-58010S作為振動(dòng)檢測(cè)器件。

彈簧片式振動(dòng)開關(guān)在靜止時(shí)為開路OFF狀態(tài)，當(dāng)受到外力碰觸而達(dá)到相應(yīng)振動(dòng)力，或移動(dòng)速度達(dá)到適當(dāng)離(偏)心力時(shí)，導(dǎo)電接腳會(huì)瞬間導(dǎo)通呈瞬間ON狀態(tài)；當(dāng)外力消失時(shí)，開關(guān)恢復(fù)為開路OFF狀態(tài)。電路中振動(dòng)開關(guān)一端接地，另一端經(jīng)上拉接單片機(jī)的I/O口，振動(dòng)開關(guān)受到外力振動(dòng)時(shí)，I/O口接收到低電平信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷并執(zhí)行相應(yīng)程序[4]。

2.4 遙控模塊

系統(tǒng)采用XD-YK04無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)防盜器的開關(guān)控制。遙控器采用SC2260芯片固定碼編碼，遙控距離為30 m～50 m。遙控接收模塊工作電壓為3 V～5 V，解碼芯片采用的是SC2272-M4。當(dāng)遙控器按鍵按下時(shí)，遙控接收模塊會(huì)將信號(hào)通過外部中端口傳送給CPU。由于CPU中斷采用下降沿觸發(fā)，而遙控模塊輸出為高電平信號(hào),因此必須對(duì)遙控接收模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行反相操作。

遙控接收模塊信號(hào)處理電路圖如圖5所示。當(dāng)遙控器“開”鍵被按下時(shí)，D0口輸出高電平，三極管Q4導(dǎo)通，模塊輸出端由原來的高電平變?yōu)榈碗娖?，CPU外部中斷觸發(fā)并執(zhí)行中斷程序，系統(tǒng)被喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)。同理，當(dāng)“關(guān)”鍵下被按下時(shí)，防盜器會(huì)進(jìn)入掉電狀態(tài)。

2.5電源模塊

考慮到防盜器體積小、待機(jī)時(shí)間要求較長(zhǎng)以及內(nèi)部元件在3.7 V以下均可正常工作，設(shè)計(jì)選用手機(jī)鋰電池作為系統(tǒng)電源。手機(jī)電池容量比一般紐扣電池大，體積相對(duì)小，供電時(shí)間長(zhǎng)。因此，當(dāng)電池容量為1 500 mA/h時(shí)，一次充電可使用20天左右。

防盜器內(nèi)CPU工作電壓為2.2 V～3.8 V，其他模塊工作電壓為3.7 V左右，因此鋰電池經(jīng)過降壓處理后才可給CPU及其外圍電路供電。

外部充電器可提供5 V電壓對(duì)防盜器內(nèi)電池進(jìn)行充電并給各模塊供電。具體電源電路如圖6所示。圖中，3.7 V電池為鋰電池。如虛線框內(nèi)電路所示，當(dāng)有外接5 V電源時(shí)，電池經(jīng)過R13、R16分壓得到4.3 V電壓，此電壓給截止電壓為4.2 V的鋰電池充電,此時(shí)Q2導(dǎo)通，LED1亮紅燈以指示系統(tǒng)處于充電狀態(tài)。通過R14、R15組成的電位器可測(cè)知電池的充電完成狀態(tài)，電池充滿后，CPU控制電源充電指示燈變?yōu)榫G色。無外接電源時(shí),鋰電池供防盜器用電,此時(shí)Q2不導(dǎo)通，LED1燈滅。

工作狀態(tài)下，鋰電池輸出的電壓為3.7 V。二極管D2與D3為鍺二極管,工作時(shí)壓降為0.2 V～0.3 V，3.7 V電壓經(jīng)過降壓后,可得3.1 V～3.3 V的電壓,此電壓為CPU供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有開、關(guān)兩種狀態(tài)。系統(tǒng)程序流程如圖7所示。系統(tǒng)處于“開”工作狀態(tài)下，按下“關(guān)”鍵，系統(tǒng)執(zhí)行“關(guān)”鍵的中斷程序。在程序中將寄存器PCON賦值為0x02后系統(tǒng)便會(huì)進(jìn)入掉電模式。該模式下CPU外部時(shí)鐘停振，CPU、定時(shí)器、串行口全部停止工作，但外部中斷仍正常工作，可將CPU從掉電模式中喚醒，從而節(jié)省了防盜器的功耗。

系統(tǒng)處于掉電模式時(shí)，遙控器“開”鍵按下后，系統(tǒng)由外部中斷被喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)。系統(tǒng)從掉電模式被喚醒后，首先執(zhí)行掉電命令后的指令然后才會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)程序。因此在編寫程序時(shí)一般會(huì)在使系統(tǒng)進(jìn)入掉電模式的指令后面加一條nop指令，例如：

PCON=0X02;
_nop_();

防盜器存儲(chǔ)單元可儲(chǔ)存一個(gè)電話號(hào)碼。用戶用手機(jī)撥打防盜器號(hào)碼一次，用戶的手機(jī)號(hào)碼便會(huì)將防盜器之前所存儲(chǔ)的號(hào)碼覆蓋。工作狀態(tài)下，防盜器周圍出現(xiàn)異常振動(dòng)信號(hào)后，CPU將控制GSM模塊,并利用SIM卡通過GSM網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)存儲(chǔ)的號(hào)碼自動(dòng)撥號(hào)以提示用戶，用戶獲知后掛斷即可。

本文以STC12LE5402AD為主控芯片，以SIM900B為GSM模塊，以振動(dòng)傳感器為信號(hào)檢測(cè)器設(shè)計(jì)了一個(gè)小型汽車防盜器。該防盜器可實(shí)現(xiàn)的功能有：車輛被非法啟動(dòng)或挪移時(shí)可及時(shí)通知車主，有效防止車輛被盜情況；車輛被盜后，只要汽車被啟動(dòng)，公安部門便可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控被盜車輛的位置。防盜器體積小、無需安裝,無噪音污染且成本低，易于推廣。