壓電發(fā)電電源門報(bào)警器設(shè)計(jì)

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(dòng)。本設(shè)計(jì)的震動(dòng)感應(yīng)模塊能靈敏的識(shí)別這些震動(dòng)，并向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)。單片機(jī)收到信號(hào)能及時(shí)的控制揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)能向主人手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，讓當(dāng)時(shí)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(jì)運(yùn)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(chǔ)存在電瓶中，用電瓶為整個(gè)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(jì)

本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為控制器，控制、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。用震動(dòng)感應(yīng)模塊感應(yīng)撬門或者撬鎖產(chǎn)生的震動(dòng)，并在感應(yīng)到震動(dòng)的時(shí)候及時(shí)向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)。揚(yáng)聲器模塊與GSM模塊分別與單片機(jī)的相應(yīng)I/O口連接。單片機(jī)收到信號(hào)之后立即控制揚(yáng)聲器模塊發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)與GSM模塊通訊，并控制GSM模塊向主人手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。其中，單片機(jī)需安裝設(shè)計(jì)好的軟件包括對震動(dòng)感應(yīng)模塊信號(hào)接收程序，控制揚(yáng)聲器模塊報(bào)警程序，與GSM模塊串行通訊程序以及控制GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信程序。本設(shè)計(jì)電源模塊運(yùn)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(jì)硬件部分由單片機(jī)模塊、電源模塊、震動(dòng)感應(yīng)模塊和揚(yáng)聲器模塊與GSM模塊組成。

■2.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊是本設(shè)計(jì)的核心部分，是整個(gè)系統(tǒng)的中樞。該模塊能接收震動(dòng)感應(yīng)模塊發(fā)出的信號(hào)，還能向揚(yáng)聲器模塊與GSM模塊發(fā)出控制信號(hào)。

該模塊使用的主要器件是單片機(jī)AT89C51。這種單片機(jī)是一種將多功能8位微處理器和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)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(jì)的數(shù)據(jù)處理要求。它的32個(gè)可編程I/O線能夠滿足該模塊與其它模塊進(jìn)行信號(hào)交換，其中包括兩個(gè)串口可以與其他模塊進(jìn)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(jī)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(jì)使用LM2576T 5.0芯片將12V電瓶電壓降壓為5V作為單片機(jī)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(jì)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(jìn)行電能傳輸時(shí)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(dòng)感應(yīng)模塊

該模塊主要由震動(dòng)開關(guān)SW-18010P和電壓比較器LM393組成。電路如圖3所示。震動(dòng)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(dòng)后，開關(guān)由斷開變?yōu)殚]合。這時(shí)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(huì)向單片機(jī)I/O口輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)震動(dòng)感應(yīng)功能。當(dāng)震動(dòng)停止后，震動(dòng)開關(guān)SW-18010P會(huì)由閉合恢復(fù)為斷開，直到感應(yīng)到下一次震動(dòng)。電壓比較器會(huì)時(shí)時(shí)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(jī)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(huì)引起太大的震動(dòng)，不會(huì)引起震動(dòng)感應(yīng)模塊誤發(fā)信號(hào)。

圖3

■2.4 揚(yáng)聲器模塊與GSM模塊

揚(yáng)聲器模塊與GSM模塊都是起到被盜賊入侵后向主人報(bào)警的作用，揚(yáng)聲器模塊通過發(fā)聲報(bào)警，GSM模塊通過向主人手機(jī)發(fā)送短信告知被盜消息。電路如圖4所示。當(dāng)震動(dòng)傳感器感應(yīng)到震動(dòng)，單片機(jī)收到震動(dòng)感應(yīng)模塊的信號(hào)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(diǎn)閉合，讓12V電瓶能夠?yàn)閾P(yáng)聲器供電，使揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲。

圖4

GSM模塊需要在單片機(jī)的控制下才能及時(shí)發(fā)送信息。單片機(jī)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(jī)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(jì)

本設(shè)計(jì)軟件使用C語言編寫。單片機(jī)上電啟動(dòng)后會(huì)不斷運(yùn)行程序。程序流程圖如圖5所示。一旦震動(dòng)感應(yīng)模塊向單片機(jī)輸入感應(yīng)信號(hào)，單片機(jī)在短時(shí)間接收到該信號(hào)后就馬上控制GSM模塊向主人的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，接著就控制揚(yáng)聲器模塊發(fā)出報(bào)警聲。

圖5

控制GSM模塊向主人的手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信，需要編寫單片機(jī)P3.0和P3.1串口與GSM模塊的串口通信程序。單片機(jī)存有主人的手機(jī)號(hào)碼和報(bào)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(jī)發(fā)送報(bào)警短信。這個(gè)過程還會(huì)使用到GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)，特別是其中的GSM移動(dòng)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(hào)等功能。在GSM模塊發(fā)送報(bào)警信息時(shí)，首先由單片機(jī)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(jī)把存有的手機(jī)號(hào)和報(bào)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(jì)需要發(fā)中文報(bào)警信息，因此選擇PUD模式中的8位編碼方式。

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

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的門報(bào)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(dòng)引起門報(bào)警器誤報(bào)警。另外，本設(shè)計(jì)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(bào)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(shí)，本設(shè)計(jì)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(shí)通過手機(jī)短信報(bào)警，起到全面防護(hù)報(bào)警的作用。