基于單片機(jī)的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計

穆加彩

(江蘇省連云港工貿(mào)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇 連云港 222000)

0 引言

與傳統(tǒng)的專用處理器相比,單片機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的一種計算機(jī)技術(shù),是電子產(chǎn)品不可或缺的重要組成部分,手機(jī)、電腦、家用電器中都有許多單片機(jī)在工作。一般情況下,汽車安裝需要配置幾十部單片機(jī)。將防盜系統(tǒng)安裝在汽車駕駛區(qū)域,當(dāng)出現(xiàn)非法入侵時報警系統(tǒng)能夠第一時間發(fā)出警報,并智能化切斷汽車的點(diǎn)火電路,迅速向車主撥打報警電話。在汽車處于防盜功能開啟狀態(tài)下,發(fā)生汽車拖行或離地現(xiàn)象時,通過震動傳感系統(tǒng)將得到的數(shù)據(jù)信息傳送至單片機(jī),當(dāng)?shù)竭_(dá)報警限制范圍后發(fā)出警報,新型汽車融入指紋識別技術(shù)具有穩(wěn)定的防盜優(yōu)勢,提高汽車的安全性和便捷性。

1 某汽車單片機(jī)防盜系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)及要求

在汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計的過程中,采用單片機(jī)控制傳感器,利用GSM模塊與外界保持通信連接,在手機(jī)移動終端接受報警信息,通過手機(jī)控制關(guān)閉報警狀態(tài)。同時,手機(jī)能夠通過觀察通信信息了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況,在防盜系統(tǒng)總體設(shè)計階段查找相關(guān)文獻(xiàn),明確單片機(jī)震動傳感器與GSM模塊的具體工作原理,不斷調(diào)節(jié)報警流程,以單片機(jī)為主導(dǎo)建立控制模塊,負(fù)責(zé)對系統(tǒng)電路的監(jiān)督與管理。利用震動傳感器檢測汽車的服務(wù)狀態(tài),在報警模塊設(shè)置蜂鳴器,第一時間將接觸到的數(shù)據(jù)傳送到GSM模塊,完成通信傳達(dá)。系統(tǒng)軟件設(shè)計首先需要規(guī)劃好報警電路程序,選擇合適的初始化結(jié)構(gòu),進(jìn)行串口通信程序編寫,并保證手機(jī)移動端具有短信處理功能,遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的中斷與連接。在系統(tǒng)硬件調(diào)試和軟件調(diào)試的過程中,通過單片機(jī)測試了解各系統(tǒng)模塊的具體工作情況,當(dāng)確定零部件處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時進(jìn)行調(diào)試檢驗(yàn)。開啟手機(jī)端控制報警裝置,并檢測汽車安裝的報警器是否能夠按照GSM命令做出警示。通過單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)電路的運(yùn)行情況,一旦發(fā)生盜竊行為,汽車能夠自動發(fā)出警報。靈活的防盜系統(tǒng)能夠及時發(fā)出報警提醒,單片機(jī)的使用與傳統(tǒng)的防盜系統(tǒng)設(shè)計方式相比,單片機(jī)的應(yīng)用更加適合汽車嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),能夠保證報警信息的準(zhǔn)確性[1]。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

通過單片機(jī)震動傳感器獲取震動信號,單片機(jī)能夠自主控制蜂鳴器發(fā)出被盜警報。通過單片機(jī)GSM串口通信,將生成的報警信息以短信的形式發(fā)送到車主控制終端。車主能夠遠(yuǎn)程利用手機(jī)短信關(guān)閉或開啟系統(tǒng)。系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為:電源模塊、控制模塊、系統(tǒng)檢驗(yàn)?zāi)K、報警模塊、遠(yuǎn)程通信模塊等。電源提供穩(wěn)定電壓完成供電,構(gòu)建單片機(jī)附屬電路進(jìn)行控制,安裝常閉型震動傳感器,能夠?qū)崟r完成震動檢測,根據(jù)振動頻率通過蜂鳴器發(fā)出報警。按照UART協(xié)議傳輸?shù)紾SM通信模塊,單片機(jī)是防盜系統(tǒng)設(shè)計的核心。通過單片機(jī)將電源模塊、檢測模塊進(jìn)行有效連接,能夠自動完成震動信號檢測,并根據(jù)信號頻率判斷是否需要激活蜂鳴器發(fā)出警報。GSM通信模塊通常與戶主的手機(jī)之間建立聯(lián)系,用戶遠(yuǎn)程進(jìn)行系統(tǒng)關(guān)閉或開啟處理,同樣通過GSM通信模塊安裝復(fù)位電路與系統(tǒng)開關(guān)。系統(tǒng)安裝階段的焊接流程需要總結(jié)操作人員的設(shè)計經(jīng)驗(yàn),盡量防止漏焊、短路等安全事故的發(fā)生。軟件設(shè)計階段要結(jié)合系統(tǒng)服務(wù)功能分別編寫不同類型的子程序,避免出現(xiàn)軟件設(shè)計錯誤,在后續(xù)的修正過程中能夠?yàn)槌绦蚯宄峁┍憷?。在調(diào)試階段采用模塊分開調(diào)試法,在汽車防盜系統(tǒng)內(nèi)安裝指紋識別模塊,迅速完成指紋圖像識別,并將得到的指紋信息發(fā)送到單片機(jī),要求用戶在汽車啟動階段完成指紋的輸入、儲存和數(shù)據(jù)對比。有效識別汽車用戶是否為車主本人,分析繼電器的工作狀態(tài),了解指紋識別情況,當(dāng)出現(xiàn)指紋不匹配現(xiàn)象時,蜂鳴器會發(fā)出警報,LCD液晶顯示屏輸出具體工作狀態(tài)。

2 某汽車單片機(jī)防盜系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電源、控制模塊

電源模塊與控制模塊是單片機(jī)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的模塊?？傮w系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元件設(shè)計需要電源作為支撐,為核心電子板與GSM模塊供電。根據(jù)GSM模塊的電壓需求,選擇合適的供電方式,在施工開始前設(shè)計接線圖紙,當(dāng)電源開關(guān)閉合時,供電電路為單片機(jī)提供電力?？刂颇K設(shè)計需要進(jìn)行核心元件單片機(jī)的選擇,作為防盜系統(tǒng)設(shè)計核心,單片機(jī)安裝報警狀態(tài)指示燈、蜂鳴器、震動開關(guān)、時鐘電路等眾多元件,可以在接收到時鐘脈沖后,自動執(zhí)行電路循環(huán),單片機(jī)的復(fù)位按鈕負(fù)責(zé)進(jìn)行系統(tǒng)控制,單片機(jī)重新進(jìn)行程序執(zhí)行。不同類型的汽車所采用的主控芯片各不相同,一般情況下,單片機(jī)具有低電壓、高性能的應(yīng)用特點(diǎn),在芯片設(shè)計階段安裝反復(fù)擦寫的程序儲存器,隨時進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存。運(yùn)用高密度器件完成指令下達(dá),并在主控芯片中設(shè)置中央處理器和儲存單元,提高單片機(jī)的性價比,選擇一些功能多元化的單片機(jī),其輸出的時鐘頻率為零時,軟件處于休眠狀態(tài)。通過串行口、中斷口控制的方式喚醒系統(tǒng),單片機(jī)處于省電模式下,所具有的運(yùn)行功能自動停止,工作系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)由用戶進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 系統(tǒng)檢測模塊

在系統(tǒng)檢測模塊設(shè)計的過程中,常閉型震動傳感器具有靈敏度高、體積小、便于安裝的特點(diǎn),在汽車防盜系統(tǒng)中作為震動報警裝置。檢測模塊通過比較器完成信號輸出,得到清晰、波形好的數(shù)據(jù)曲線。檢測模塊具有較強(qiáng)的驅(qū)動力,一般情況下傳感器的工作電壓控制在5 V以內(nèi),通過螺栓孔進(jìn)行固定處理,安裝過程十分簡便。在檢測模塊運(yùn)行階段未檢測到震動信號時,震動傳感器內(nèi)部的開關(guān)處于閉合狀態(tài),計算傳感器輸出端電平為低電平,指示燈發(fā)生變化。當(dāng)檢測模塊獲取到震動信號時,震動傳感器開關(guān)處于開路狀態(tài),輸出端的電平為高電平,指示燈保持不變,將震動器的輸出端與系統(tǒng)單片機(jī)進(jìn)行有效連接,檢測模塊在接收電力后,單片機(jī)會自動完成震動傳感器輸出端電壓檢測,判斷電壓處于高電平或低電平的狀態(tài)。分析周圍環(huán)境是否存在震動問題,并作出相應(yīng)的報警提示。常閉型傳感器作為單片機(jī)防盜系統(tǒng)的檢測模塊設(shè)計核心,當(dāng)系統(tǒng)處于開啟狀態(tài)時,震動傳感器隨時做出系統(tǒng)監(jiān)測。當(dāng)檢測到震動信號后,震動開關(guān)斷開處理,輸出端的電壓為高電平,將輸出端得到的信號頻率直接發(fā)送到單片機(jī)做出檢測判斷。震動傳感器的作用是對汽車內(nèi)部的特殊震動進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,在出現(xiàn)汽車拖行或車輛離開地面現(xiàn)象時,震動傳感器能夠?qū)崟r檢測到未解除防盜功能信號下的環(huán)境信號,并將信號傳送到單片機(jī),由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)分析,判斷是否發(fā)出警報。除了常閉型震動傳感器外,高靈敏位移傳感器的應(yīng)用作為全方位的固態(tài)器件,能夠?qū)崿F(xiàn)震動傳感的微型化處理,將震動體進(jìn)行密封炭化處理。根據(jù)周邊提供的信號進(jìn)行電容調(diào)整,具有較強(qiáng)的抗干擾性,輸出的開關(guān)信號與單片機(jī)的輸入電路進(jìn)行有效連接,整體結(jié)構(gòu)十分簡單,具有較高的輸出阻抗[2]。

2.3 GSM通信模塊

GSM通信模塊設(shè)計是在用戶手機(jī)終端和汽車控制器之間建立信息溝通的模塊,對防盜系統(tǒng)設(shè)計有著重要作用。采用不同型號的GSM模塊,能夠滿足不同功能汽車的防盜需求。一般情況下,在GSM模塊型號選擇階段,選擇一些體積小巧、消耗功能率較低的模塊芯片,在汽車內(nèi)部建立便攜式無線通信網(wǎng)絡(luò),GSM模塊的控制命令要通過AT指令實(shí)現(xiàn)。AT指令負(fù)責(zé)接收與發(fā)送模塊短信,由單片機(jī)對信息進(jìn)行編碼處理。通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)打包將其發(fā)送到GSM模塊。單片機(jī)負(fù)責(zé)信息收發(fā)與解析,通過對信息的統(tǒng)一處理進(jìn)一步完成GSM控制操作。GSM模塊設(shè)計在供電后能夠自行啟動,接入電源時模塊指示燈亮起,一盞燈處于常亮狀態(tài),一盞燈不停閃爍。根據(jù)燈亮的頻率判斷GSM模塊當(dāng)前所處的狀態(tài),主要分為網(wǎng)絡(luò)搜尋狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)解析狀態(tài),通過指示燈閃爍頻率觀察判斷GSM模塊接入電源是否符合電源電壓的基本規(guī)定,模塊在收到電話信息后,模塊串口輸出字符串。觀察指示燈變化情況,判斷GSM模塊是否接收到短信。在車輛防盜系統(tǒng)設(shè)計階段,運(yùn)用GSM通信模塊能夠確保通信流程的可靠性和安全性,突破傳統(tǒng)指令下達(dá)所具有的距離限制,實(shí)現(xiàn)車主對汽車的遠(yuǎn)距離自動化監(jiān)控。

3 某汽車單片機(jī)防盜系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

汽車防盜系統(tǒng)的設(shè)計軟件程序,需要在完成硬件電路設(shè)計后,根據(jù)系統(tǒng)最終的功能目標(biāo)進(jìn)行程序編寫。一般通過C語言來實(shí)現(xiàn),對系統(tǒng)初始化處理,根據(jù)得到的短信提示輸出報警信號。程序的編寫是一個循序漸進(jìn)的過程,通過模塊化編程確保每項(xiàng)功能都有對應(yīng)的子程序,嚴(yán)格按照編寫順序進(jìn)行程序設(shè)計。系統(tǒng)完成電力輸送后進(jìn)行串口初始化,下達(dá)AT指令進(jìn)行GSM模塊初始化,分析是否順利接收信息,完成短信解析處理,刪除處理后的短信。震動傳感器接收到震動信號時蜂鳴器會發(fā)出警報,并通過GSM模塊向用戶手機(jī)發(fā)送短信提示,車主能夠第一時間接收到預(yù)警系統(tǒng)開放狀態(tài)提示。當(dāng)用戶下達(dá)關(guān)閉指令后,由GSM模塊將系統(tǒng)關(guān)閉指令下放到程序運(yùn)行狀態(tài)中,通過手機(jī)短信進(jìn)行系統(tǒng)控制。

3.2 報警電路安裝

在報警電路安裝的過程中,可以融入獨(dú)立式的指紋識別系統(tǒng),利用DSP處理器搭配指紋傳感器,在無上位機(jī)管理的狀態(tài)下進(jìn)行指紋錄入、獲取指紋圖像,通過指紋對比完成智能化數(shù)據(jù)儲存。將指紋識別模塊與單片機(jī)進(jìn)行有效連接。在連接過程中,為了保證TXD與RXD串行口輸出輸入的順利進(jìn)行,可以采用反接方式。報警電路將LED燈與繼電器并聯(lián)串聯(lián)三極管,通過單片機(jī)軟件進(jìn)行統(tǒng)一控制。當(dāng)三極管處于低電平狀態(tài)時,繼電器線圈通電,與單片機(jī)并聯(lián)狀態(tài)的二極管發(fā)亮。蜂鳴器的安裝與繼電器的安裝相似,控制流程一致。根據(jù)系統(tǒng)多樣化的按鍵功能,通過軟件控制消除按鍵抖動,在報警電路設(shè)計階段處于指紋識別模式狀態(tài)下綠燈常亮,系統(tǒng)模式切換過程中紅燈亮起,還可以將紅燈作為指紋清除結(jié)果的判別標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 報警工作流程

汽車內(nèi)部的光電耦合器在工作過程中,輸出端的加電信號會呈現(xiàn)出發(fā)光的狀態(tài),發(fā)光強(qiáng)度與電流的大小存在密切聯(lián)系,當(dāng)處于密封狀態(tài)的受光器,接收到光照后會產(chǎn)生光電流,從輸出端引出光電流實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。蜂鳴器的報警功能激發(fā)通過定時器、揚(yáng)聲器共同運(yùn)行。系統(tǒng)在工作狀態(tài)下輸出高電平,經(jīng)過反相器轉(zhuǎn)化為低電平,定時器屬于休眠狀態(tài),揚(yáng)聲器停止發(fā)聲。當(dāng)接收到報警信號后,位于中心區(qū)域的GSM芯片會自動中斷服務(wù),輸出低電平經(jīng)過反相器轉(zhuǎn)化為高電平,定時器處于工作狀態(tài),揚(yáng)聲器會發(fā)出警報。蜂鳴器在報警過程中,即使汽車的蓄電池受到非法損壞,仍然可以完成報警流程,通常情況下報警電路連接自備電源,即使蓄電池卸下,汽車仍然會發(fā)出警報。GSM指令下達(dá)需要通過撥號模塊,將接收到的報警信息通過信息儲存模塊進(jìn)行通信發(fā)送通過單片機(jī)連接撥號系統(tǒng),為用戶提供不同類型的信號輸出端,在發(fā)出警報的過程中進(jìn)行信號采集。

3.4 智能化中斷程序

中斷程序主要采用普通的定時器來完成,系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要自動檢測是否處于開啟狀態(tài)。開啟后指示燈亮起,通過震動傳感器分析是否存在震動信號,當(dāng)檢測到震動信號后系統(tǒng)需要延遲進(jìn)行確認(rèn),避免出現(xiàn)誤判。延遲處理后系統(tǒng)仍然檢測震動信號,需要啟動報警裝置,當(dāng)檢測系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)時,指示燈熄滅,分析是否出現(xiàn)按鍵按下的情況。在檢查過程中要進(jìn)行延時處理,當(dāng)延時后系統(tǒng)仍然檢測到按鍵按下,需要進(jìn)行檢測狀態(tài)切換。檢測階段進(jìn)入到松手檢測,為了預(yù)防系統(tǒng)判斷誤差要進(jìn)行延時檢測。在程序分析階段中斷的速度較快,需要每10秒掃描一次。在進(jìn)行防盜風(fēng)險預(yù)防過程中,盡量加快掃描速度,保證判斷結(jié)果的精準(zhǔn)性,報警檢測和按鍵檢測都屬于定時器中斷程序的一部分。

4 某汽車單片機(jī)防盜系統(tǒng)調(diào)試

震動傳感器、GSM模塊、手機(jī)移動端之間的信息通信,無法通過仿真模型進(jìn)行模擬。因此,在后續(xù)的防盜系統(tǒng)調(diào)試階段,需要將整個系統(tǒng)的設(shè)計流程通過實(shí)物仿真的方式進(jìn)行調(diào)試。建立單片機(jī)最小系統(tǒng)圖,設(shè)計過程需要包含GSM通信模塊、震動傳感器以及蜂鳴器。在系統(tǒng)中分別設(shè)置按鈕與開關(guān),啟動復(fù)位按鈕開啟蜂鳴器。在系統(tǒng)焊接的過程中按照接口圖完成焊接工作,實(shí)物之間通過直線連接避免出現(xiàn)飛線問題,所設(shè)計的單片機(jī)防盜調(diào)試系統(tǒng),通過USB電源進(jìn)行單片機(jī)GSM模塊供電。為了保證正常工作電源電壓要與系統(tǒng)電壓相一致,分別設(shè)計電源線和通信線與單片機(jī)保持連接。當(dāng)傳感器運(yùn)行階段未檢測到震動信號時,指示燈處于常亮狀態(tài)。當(dāng)震動傳感器檢測到震動信號時,指示燈處于熄滅狀態(tài),單片機(jī)檢測到高電平狀態(tài)時觸發(fā)蜂鳴器警報。在震動傳感器區(qū)間設(shè)置傳感器靈敏度調(diào)節(jié)模塊,使其處于標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi),避免出現(xiàn)傳感器判斷誤差,監(jiān)測狀態(tài)通過手動開啟按鈕的方式,監(jiān)測狀態(tài)關(guān)閉時中斷檢測,蜂鳴器處于無聲狀態(tài)[3]。

5 結(jié)語

在汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計階段,調(diào)整好車輛防盜安全與解鎖之間的關(guān)系,利用單片機(jī)構(gòu)建防盜系統(tǒng)融入指紋識別模塊、驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊。在進(jìn)行汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計的過程中,制定明確設(shè)計目標(biāo)和基礎(chǔ)要求,構(gòu)建虛擬化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析模型,硬件設(shè)計分為電源控制模塊、系統(tǒng)檢測模塊、GSM通信模塊;軟件設(shè)計包括主程序設(shè)計、報警電路安裝、GSM指令下達(dá)和智能化中斷程序。完成防盜系統(tǒng)設(shè)計后要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試,了解當(dāng)前存在的單片機(jī)運(yùn)行問題,并制定出科學(xué)合理的解決方案,滿足當(dāng)代汽車安全性設(shè)計需求。