壓電發(fā)電電源門報警器設(shè)計

廖智舟

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州，545000）

0 引言

當(dāng)今住宅防盜主要方法是在入戶門設(shè)置防盜措施。盜賊要入戶盜竊，首先就是要撬門或者撬鎖，這些對門的破壞不可避免的產(chǎn)生門體的震動。本設(shè)計的震動感應(yīng)模塊能靈敏的識別這些震動，并向單片機發(fā)出信號。單片機收到信號能及時的控制揚聲器發(fā)出報警聲，同時能向主人手機發(fā)送報警短信，讓當(dāng)時不在家的主人知道盜賊入侵消息，從而減少損失。另外，本設(shè)計運用壓電發(fā)電原理，將許多壓電陶瓷片并聯(lián)連接后平放內(nèi)置于墊子內(nèi)，然后將墊子放在室內(nèi)人行走經(jīng)過最多的地方，利用人們自然行走踩踏發(fā)電，并通過電源模塊將發(fā)出的電儲存在電瓶中，用電瓶為整個裝置送電。這種供電方式符合綠色環(huán)保的理念。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計使用單片機作為控制器，控制、協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)運行。用震動感應(yīng)模塊感應(yīng)撬門或者撬鎖產(chǎn)生的震動，并在感應(yīng)到震動的時候及時向單片機發(fā)送信號。揚聲器模塊與GSM 模塊分別與單片機的相應(yīng)I/O 口連接。單片機收到信號之后立即控制揚聲器模塊發(fā)出報警聲，同時與GSM 模塊通訊，并控制GSM 模塊向主人手機發(fā)送報警短信。其中，單片機需安裝設(shè)計好的軟件包括對震動感應(yīng)模塊信號接收程序，控制揚聲器模塊報警程序，與GSM 模塊串行通訊程序以及控制GSM 模塊發(fā)送報警短信程序。本設(shè)計電源模塊運用壓電發(fā)電原理發(fā)電，并將發(fā)出的電通過恒壓電路恒壓充電到電瓶中，再用電瓶向其他模塊供電。

2 系統(tǒng)硬件

本設(shè)計硬件部分由單片機模塊、電源模塊、震動感應(yīng)模塊和揚聲器模塊與GSM 模塊組成。

■2.1 單片機模塊

單片機模塊是本設(shè)計的核心部分，是整個系統(tǒng)的中樞。該模塊能接收震動感應(yīng)模塊發(fā)出的信號，還能向揚聲器模塊與GSM 模塊發(fā)出控制信號。

該模塊使用的主要器件是單片機AT89C51。這種單片機是一種將多功能8 位微處理器和閃速存儲器組合在單個芯片中的高效微控制器。它與MCS-51 指令集相兼容。其包含的128×8 位內(nèi)部RAM 能夠滿足本設(shè)計的數(shù)據(jù)處理要求。它的32 個可編程I/O 線能夠滿足該模塊與其它模塊進行信號交換，其中包括兩個串口可以與其他模塊進行串行通信[1]。

該模塊除了與其他模塊連接的電路以外，本身具有單片機最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)包括晶振電路、復(fù)位電路、電源、接地等。本設(shè)計使用LM2576T 5.0 芯片將12V 電瓶電壓降壓為5V 作為單片機模塊和其他模塊電源。電路如圖1 所示。

圖1

■2.2 電源模塊

本設(shè)計使用12V 電瓶作為電源。電瓶的電能從對壓電陶瓷片的踩踏而來。電路如圖2 所示。該電路首先使用許多壓電陶瓷片收集能量，再使用橋式整流電路整流，然后使用超級電容蓄能，最后使用恒壓充電電路將電壓穩(wěn)定在12V給電瓶充電。這許多片壓電陶瓷片分正負(fù)極并聯(lián)連接在一起，安裝在墊子內(nèi)，墊子放置在室內(nèi)人們行走經(jīng)過最頻繁的路徑上，如客廳至臥室的路上，以便獲得最多的踩踏能量。通過踩踏使得壓電陶瓷由于正壓電效應(yīng)在其兩端出現(xiàn)電壓，這就產(chǎn)生了可利用電能[2]。超級電容可以吸收壓電陶瓷產(chǎn)生的電能，又能使恒壓充電電路進行電能傳輸時效率最高。恒壓充電電路主要由集成開關(guān)穩(wěn)壓器LM2575HTV-12V 組成，該電路能將超級電容中的電能以12V 電壓恒壓充電的方式轉(zhuǎn)換為電瓶的化學(xué)能。

圖2

■2.3 震動感應(yīng)模塊

該模塊主要由震動開關(guān)SW-18010P 和電壓比較器LM393 組成。電路如圖3 所示。震動開關(guān)安裝在門背，在靈敏的感應(yīng)撬門或撬鎖產(chǎn)生的震動后，開關(guān)由斷開變?yōu)殚]合。這時電壓比較器由原來2、3 腳同為高電位，變?yōu)? 腳為低電位、3 腳為高電位。這種情況下電壓比較器OUT 腳就會向單片機I/O 口輸出高電平，從而實現(xiàn)震動感應(yīng)功能。當(dāng)震動停止后，震動開關(guān)SW-18010P 會由閉合恢復(fù)為斷開，直到感應(yīng)到下一次震動。電壓比較器會時時刻刻比較2、3腳電位的高低，一旦3 腳電位高于2 腳，就通過OUT 腳向單片機I/O 口輸出高電平[3]。由于入戶門在門框邊緣安裝有防振墊片，所以一般的開、關(guān)門不會引起太大的震動，不會引起震動感應(yīng)模塊誤發(fā)信號。

圖3

■2.4 揚聲器模塊與GSM 模塊

揚聲器模塊與GSM 模塊都是起到被盜賊入侵后向主人報警的作用，揚聲器模塊通過發(fā)聲報警，GSM 模塊通過向主人手機發(fā)送短信告知被盜消息。電路如圖4 所示。當(dāng)震動傳感器感應(yīng)到震動，單片機收到震動感應(yīng)模塊的信號之后，就通過I/O 口向中間繼電器輸出高電平。這樣中間繼電器得電常開觸點閉合，讓12V 電瓶能夠為揚聲器供電，使揚聲器發(fā)出報警聲。

圖4

GSM 模塊需要在單片機的控制下才能及時發(fā)送信息。單片機的串行通信I/O 口P3.0 和P3.1 分別與GSM 模塊的TX 和RX 腳連接，以便單片機用串行通信方式向GSM 模塊發(fā)送相關(guān)指令控制它的行為。GSM 模塊還需插上能正常使用的SIM 卡，才能發(fā)出短信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計軟件使用C 語言編寫。單片機上電啟動后會不斷運行程序。程序流程圖如圖5 所示。一旦震動感應(yīng)模塊向單片機輸入感應(yīng)信號，單片機在短時間接收到該信號后就馬上控制GSM 模塊向主人的手機發(fā)送報警短信，接著就控制揚聲器模塊發(fā)出報警聲。

圖5

控制GSM 模塊向主人的手機發(fā)送報警短信，需要編寫單片機P3.0 和P3.1 串口與GSM 模塊的串口通信程序。單片機存有主人的手機號碼和報警短信的內(nèi)容，并通過向GSM模塊發(fā)送AT 命令控制它向主人的手機發(fā)送報警短信。這個過程還會使用到GSM 移動通信系統(tǒng)，特別是其中的GSM 移動通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器。AT 命令主要起到控制調(diào)制解調(diào)器的響應(yīng)、撥號等功能。在GSM 模塊發(fā)送報警信息時，首先由單片機向和GSM 模塊連接的串口緩沖區(qū)寫入相應(yīng)的AT 命令來設(shè)置GSM 模塊的工作狀態(tài)，然后單片機把存有的手機號和報警短信內(nèi)容寫入串口緩沖區(qū)完成發(fā)送。GSM 模塊的SIM90.0A芯片用于發(fā)送短信的編碼模式有文本和PDU模式。文本模式只能發(fā)送英文信息。PDU 模式可以發(fā)送英文和中文信息，其編碼方式有7 位、8 位和UCS2 編碼[4]。本設(shè)計需要發(fā)中文報警信息，因此選擇PUD 模式中的8 位編碼方式。

控制揚聲器模塊報警時，單片機將向I/O 口P3.2 腳輸出3 分鐘的高電平信號，之后恢復(fù)低電平，這樣可以使得中間繼電器常開觸點吸合3 分鐘，然后斷開，于是揚聲器得電發(fā)出報警聲3 分鐘，然后停止。

4 結(jié)束語

本設(shè)計的門報警器適合于安裝使用在有門鈴的入戶門上。這樣來客使用門鈴而不是拍門就能避免因拍門震動引起門報警器誤報警。另外，本設(shè)計使用的電源為壓電發(fā)電電源，不用普通220V 電源供電，這樣可以避免因停電或盜賊破壞電路造成無法報警的情況發(fā)生，并且可以節(jié)約電能，是一種綠色節(jié)能裝置。同時，本設(shè)計考慮到主人在家與不在家的兩種情況，即使主人不在家，也能及時通過手機短信報警，起到全面防護報警的作用。