安防系統(tǒng)的硬件選擇目錄TOC\o"1-2"\h\u29695安防系統(tǒng)的硬件選擇 12537第一節(jié)安防系統(tǒng)環(huán)境探測器 15676一、煙霧傳感器 15962二、瓦斯傳感器 112909三、加速度傳感器 25372四、紅外傳感器 225367第二節(jié)燃?xì)鈭?bào)警模塊 38804第三節(jié)防盜模塊 41746第四節(jié)單片機(jī)系統(tǒng)模塊 5系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)包括了系統(tǒng)的核心處理、系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)的硬件說明和使用。整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。安防系統(tǒng)環(huán)境探測器一、煙霧傳感器本研究使用的煙霧傳感器是適合檢測煙、液化氣、酒精、氫、甲烷、一氧化碳、丁烷等的MQ-2傳感器，具有廣泛的檢測范圍、高靈敏度、快速響應(yīng)、穩(wěn)定可靠性高的駕駛和長壽命的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)空氣中存在煙霧時(shí)，隨著空氣中的煙霧濃度的增加，作為傳感器感知材料的二氧化錫的導(dǎo)電率增加，對電壓輸出信號產(chǎn)生影響。MQ-2傳感器由微型AL203陶瓷管、二氧化錫敏感層、測量電極和加熱器組成。傳感器固定在不銹鋼制成的空腔中。封裝的傳感器有六個(gè)針形引腳，兩個(gè)標(biāo)有A的引腳，兩個(gè)標(biāo)有B的引腳和兩個(gè)標(biāo)有H的引腳。標(biāo)有A或B的四個(gè)管腳用于信號取出，標(biāo)有H的兩個(gè)管腳則用于提供加熱電流。為輸出的模擬電壓，是滑動(dòng)變阻器，用于保護(hù)傳感器，避免電流過大。二、瓦斯傳感器本文使用的氣體傳感器是氣體傳感器MQ-5，它具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、輸出信號大、使用壽命長、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、驅(qū)動(dòng)電路簡單的特點(diǎn)。MQ-5型氣體傳感器也是一種以金屬氧化物二氧化錫為主要材料的氮型半導(dǎo)體氣體傳感器。清潔空氣中二氧化錫的電導(dǎo)率較低，傳感器周圍可燃?xì)怏w的濃度較高，其電導(dǎo)率也越大，外圍電路即可將電導(dǎo)率的變化反映在輸出的模擬電壓信號上，通過計(jì)算進(jìn)而可知瓦斯?jié)舛?。MQ-5傳感器具有優(yōu)良的抗煙霧干擾能力，適用于家庭或工業(yè)上對液化氣、天然氣、煤氣的檢測。三、加速度傳感器本文使用的加速度傳感器是ADI公司于2009年推出的超低功耗三軸加速度計(jì)ADXL345。傳感器使用由獨(dú)立固定板和可移動(dòng)質(zhì)量連接板組成的差分電容，可以測量結(jié)構(gòu)的撓度。ADXL345的外形小而薄，采用3mmx5mmx1mm小型超薄塑料封裝。三個(gè)檢測軸分別為X、Y、Z軸，彼此相互垂直。ADXL345可以同時(shí)檢測三個(gè)軸上的加速度值。當(dāng)ADXL345沿檢測軸正向加速時(shí)，加速度為正，否則為負(fù)。當(dāng)檢測到重力時(shí)，當(dāng)檢測軸的方向與重力方向相反時(shí)，檢測到正加速度。ADXL345傳感器具有超低功耗、分辨率可選、中斷模式靈活、工作溫度范圍廣、抗沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可進(jìn)行單振/雙振檢測、活動(dòng)/非活動(dòng)檢測、自由落體檢測，而且，它還可以在傾斜檢測應(yīng)用中測量靜態(tài)重力加速度及運(yùn)動(dòng)或沖擊導(dǎo)致的動(dòng)態(tài)加速度?？捎糜谑謾C(jī)、儀器儀表、游戲和定點(diǎn)設(shè)備、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備、單電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電池供電系統(tǒng)及醫(yī)療儀器等。四、紅外傳感器HC-SR501是一種基于紅外監(jiān)控技術(shù)的自動(dòng)控制傳感器。靈敏度高，可靠性好，能在低壓下正常工作。HC-SR501終端節(jié)點(diǎn)的工作原理:當(dāng)進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，輸出高電平；當(dāng)人們離開感應(yīng)范圍時(shí)，他們會(huì)在等待重復(fù)確認(rèn)后自動(dòng)延遲高電平并輸出低電平。人體傳感器有兩種觸發(fā)模式。第一種是重復(fù)觸發(fā)模式。當(dāng)人員進(jìn)入人體傳感器的監(jiān)控范圍時(shí)，傳感器輸出變高。高電平在固定時(shí)間后結(jié)束，并自動(dòng)切換到低電平輸出。第二，觸發(fā)模式可以重復(fù)。當(dāng)傳感器感應(yīng)到人體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，它輸出一個(gè)高電平，并連續(xù)輸出一個(gè)高電平。另一方面，傳感器處于監(jiān)控狀態(tài)。如果仍對人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，則每次活動(dòng)后延遲時(shí)間自動(dòng)延遲，最后一次活動(dòng)的時(shí)間是計(jì)算延遲時(shí)間的起點(diǎn)。燃?xì)鈭?bào)警模塊氣體監(jiān)測節(jié)點(diǎn)使用的傳感器是氣體傳感器MQ-5。MQ-5傳感器針腳2和5之間的加熱器電壓可用于為傳感器提供特定的工作溫度，并可使用直流電源或交流電源。針腳4或針腳6的測試電壓代表傳感器的輸出電壓。本文采用5V直流電源供電，100uF的電容C1與104F的電容C2并聯(lián)，除了濾除電源的高頻雜波和交流成分外，還避免電路產(chǎn)生自激，以此來穩(wěn)定電路工作狀態(tài)。圖3-1MQ-5傳感器的接口電路瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)有TTL電平輸出和模擬量輸出兩種方式。TTL電平輸出通過電壓比較器LM358D(輸出端與電阻R3連接)來實(shí)現(xiàn)，LM358D的同相端((3腳)接MQ-5傳感器的6腳，傳感器的6腳(或4腳)處的電壓是代表傳感器靈敏度信息的比較電壓，LM358D的反向端(2腳)接調(diào)節(jié)電位器VRl，通過調(diào)節(jié)VRl的阻值來改變參考電壓的大小，以達(dá)到改變報(bào)警閉值的目的。當(dāng)比較電壓大于參考電壓時(shí)，比較器LM358D輸出高電平，經(jīng)過電阻R3連接三極管8050的基極，使三極管導(dǎo)電，此時(shí)連接在集電極的LED1發(fā)光(說明空氣中瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo))：反之，當(dāng)比較電壓小于參考電壓時(shí)，比較器LM358D輸出低電平，發(fā)光二極管LED1不發(fā)光(說明空氣中瓦斯?jié)舛任闯瑯?biāo))。模擬輸出方式通過電壓跟隨器LM358D(輸出端與P；的3端口連接)實(shí)現(xiàn)，電壓跟隨器可以解決傳感器測試電路和后續(xù)數(shù)據(jù)處理電路間的阻抗匹配問題，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊木_檢測。圖3-2燃?xì)鈭?bào)警模塊防盜模塊玻璃破碎監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用的傳感器是ADXL345加速度傳感器。ADXL345可通過IZC或SPI(有3線式或4線式)連接方式與單片機(jī)進(jìn)行連接通信。IZC總線主要由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL組成，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送都使用的是SDA數(shù)據(jù)線。傳感器的時(shí)鐘引腳SCL接單片機(jī)輸出端，傳感器的數(shù)據(jù)引腳SDA與單片機(jī)的輸入/輸出口連接，CS引腳接高電平，而ALTADDRESS引腳接地。ADXL345傳感器的接口電路圖如圖3.2所示。LDO是電源轉(zhuǎn)換芯片，將輸入的5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V，其中電容C1為輸入電壓進(jìn)行濾波，而電容C2、C3、C4則是為輸出電壓進(jìn)行濾波。ADXL345的VS引腳、VDD-I0引腳、時(shí)鐘信號引腳((SCL)、數(shù)據(jù)傳輸引腳(SDA)都接在濾波后的3.3V電壓上，保證了ADXL345傳感器正常工作。為了防止高速信號在端口附近產(chǎn)生反射現(xiàn)象，在時(shí)鐘信號端口SCL與數(shù)據(jù)傳輸端口SDA上分別接上一個(gè)阻值為4.7K的電阻R3、R4，從而保證信號的阻抗匹配與完整性。圖3-3ADXL345傳感器的接口電路人體紅外感應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)的硬件部分主要包括電源模塊、含有CC2530的無線傳輸模塊和HC-SR501人體感應(yīng)傳感器。HC-SR501人體感應(yīng)傳感器具有感應(yīng)封鎖時(shí)間，傳感器在每一次的高低電平輸出后，緊跟著的是一個(gè)封鎖時(shí)間段，在封鎖時(shí)間多里，HC-SR501人體感應(yīng)傳感器不接受任何的感應(yīng)信號，這個(gè)功能實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控和傳輸兩者的間隔工作，同時(shí)也保證了傳感器工作時(shí)不被由于切換所帶來的各種干擾。HC-SR501人體感應(yīng)傳感器感應(yīng)模塊采用雙元探頭的設(shè)計(jì)模式，探頭窗口為正方形，雙元探頭為A元和B元，兩個(gè)探頭位于較長的兩個(gè)方向的兩端。當(dāng)人體從左向右或從右向左行走時(shí)，紅外光譜檢測到人體移動(dòng)并反饋給二進(jìn)制的時(shí)間和距離有差異，兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的差異越大，感應(yīng)越靈敏。當(dāng)人體從前部或從頂部到底部、從底部到頂部垂直到達(dá)探頭時(shí)，雙傳感器不能感覺到反饋給雙探頭的時(shí)間和距離的變化，因此傳感器不能正確地獲得安全信息。這使得人體感應(yīng)傳感器的安裝應(yīng)使雙元件探頭的方向盡可能平行于人體最大移動(dòng)的方向，以確保如果有人進(jìn)入，雙元件探頭應(yīng)連續(xù)感應(yīng)到，從而提高安全防護(hù)的成功率。單片機(jī)系統(tǒng)模塊ZigBee是一種短程無線傳輸技術(shù)，越來越多的制造商正在研究它。市場上有很多芯片可以用作紫蜂(ZigBee)無線傳輸，因此選擇合適的芯片非常重要。通過對芯片集成度和可靠性的分析，選擇了CC2530芯片。CC2530(無線片上系統(tǒng)微控制器)是真正的片上系統(tǒng)(SOC)解決方案。CC2530芯片2.4千兆赫的解決方案正式應(yīng)用，它可以很容易地在基于IEEE802.15.4的協(xié)議上使用和建立。CC2530是目前紫蜂技術(shù)集成水平最高的芯片。它采用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集的增強(qiáng)型8051內(nèi)核，并結(jié)合了領(lǐng)先的2.4千兆赫射頻收發(fā)器的出色性能。CC2530有三種不同的存儲(chǔ)器訪問總線:特殊功能寄存器；數(shù)據(jù)；代碼/外部數(shù)據(jù)。圖3-4CC2530芯片圖3-5CC2530功能引腳圖CC2530使用單個(gè)周期來訪問所有三條總線。CC2530的閃存容量為32kb、64kb、128kb和256kb，是CC2530的在線可編程非易失性存儲(chǔ)器。不同大小的閃存為設(shè)備提供可編程存儲(chǔ)器，并映射到CODE和XDATA存儲(chǔ)空間，閃存塊不止是對運(yùn)行的代碼和變量進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)還要允許應(yīng)用程序?qū)ψ詈蟮臄?shù)據(jù)進(jìn)行寫入，這樣的設(shè)計(jì)是為了在設(shè)備重新啟動(dòng)后仍然可以使用這個(gè)數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)保存是為了在設(shè)備重啟后使用已經(jīng)保存的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)很快的經(jīng)過自動(dòng)尋找的步驟加入到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中，大大增加了系統(tǒng)的工作效率和系統(tǒng)的自我恢復(fù)性。除了保存程序和常量外，非易失性存儲(chǔ)器能保存必要的數(shù)據(jù)，保證了這些數(shù)據(jù)在設(shè)備重啟后可用。使用此功能保存具體網(wǎng)絡(luò)參數(shù)后，當(dāng)系統(tǒng)再次上電后就可以直接加入網(wǎng)絡(luò)中。CC2530幾種不同運(yùn)行模式之間的快速轉(zhuǎn)換極大地降低了能耗，此外，CC2530還具有成本低、集成度高、靈敏度高、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？蛇m用于2.4GHzIEEE802.15.4系統(tǒng)、RF4CE遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(需要大于64KB閃存)、ZigBee系統(tǒng)(<256KB閃存)、家庭樓宇自動(dòng)化、照明系統(tǒng)、工業(yè)控制和監(jiān)控、低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)型電子、醫(yī)療保健等。CC2530的供電模塊采用的是1.8V的低電壓供電模塊。CC2530的外設(shè)模塊多種多樣，允許開發(fā)者自行開發(fā)。CC2530提供了一個(gè)調(diào)試接口，通過這個(gè)調(diào)試接口，可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)內(nèi)存存儲(chǔ)器的擦除、寫入控制振蕩器的開始和停止、執(zhí)行8051內(nèi)核指令、設(shè)置代碼端點(diǎn)等。I/O接口是CPU中輸入輸出的數(shù)據(jù)通道，I/O控制器負(fù)責(zé)管理所有的I/O引腳，CPU可以對外設(shè)模塊進(jìn)行控制來確定某個(gè)引腳是否可以受到軟件的控制。如果可以通過軟件控制I/O，需要為引腳配置輸入或者輸出，來判斷是否連接上拉或下拉電阻。CPU的中斷設(shè)置可以在外設(shè)接口的每個(gè)引腳上實(shí)現(xiàn)，外接設(shè)備可以在兩個(gè)不同的的I/O引腳上進(jìn)行選擇，確保了程序在使用中的靈活性和多樣性。系統(tǒng)可以使用一個(gè)多功能的直接存取訪問控制器（DMA），DMA控制器可以減輕CC2530內(nèi)核數(shù)據(jù)的傳輸負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)在有限的能源下傳輸更多的數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率。只需要CC2530參與極少的工作，DMA控制器就可以將數(shù)據(jù)從ADC收發(fā)器的外設(shè)單元傳送到存儲(chǔ)單元。使用XDATA存儲(chǔ)方式訪問所有的物理存儲(chǔ)器能夠訪問所有的物理存儲(chǔ)器。每一個(gè)通道都可以用DMA在存儲(chǔ)器的任何地方進(jìn)行設(shè)置。許多外圍硬件，如閃存控制器、USART、定時(shí)器等，可