壓電發電電源門報警器設計

廖智舟

（柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州，545000）

0 引言

當今住宅防盜主要方法是在入戶門設置防盜措施。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生門體的震動。本設計的震動感應模塊能靈敏的識別這些震動，并向單片機發出信號。單片機收到信號能及時的控制揚聲器發出報警聲，同時能向主人手機發送報警短信，讓當時不在家的主人知道盜賊入侵消息，從而減少損失。另外，本設計運用壓電發電原理，將許多壓電陶瓷片并聯連接后平放內置于墊子內，然后將墊子放在室內人行走經過最多的地方，利用人們自然行走踩踏發電，并通過電源模塊將發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保的理念。

1 系統總體設計

本設計使用單片機作為控制器，控制、協調整個系統運行。用震動感應模塊感應撬門或者撬鎖產生的震動，并在感應到震動的時候及時向單片機發送信號。揚聲器模塊與GSM模塊分別與單片機的相應I/O口連接。單片機收到信號之后立即控制揚聲器模塊發出報警聲，同時與GSM模塊通訊，并控制GSM模塊向主人手機發送報警短信。其中，單片機需安裝設計好的軟件包括對震動感應模塊信號接收程序，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模塊發送報警短信程序。本設計電源模塊運用壓電發電原理發電，并將發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 系統硬件

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

■2.1 單片機模塊

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

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位內部RAM能夠滿足本設計的數據處理要求。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。最小系統包括晶振電路、復位電路、電源、接地等。本設計使用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定在12V給電瓶充電。這許多片壓電陶瓷片分正負極并聯連接在一起，安裝在墊子內，墊子放置在室內人們行走經過最頻繁的路徑上，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在其兩端出現電壓，這就產生了可利用電能[2]。超級電容可以吸收壓電陶瓷產生的電能，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穩壓器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換為電瓶的化學能。

圖2

■2.3 震動感應模塊

該模塊主要由震動開關SW-18010P和電壓比較器LM393組成。電路如圖3所示。震動開關安裝在門背，在靈敏的感應撬門或撬鎖產生的震動后，開關由斷開變為閉合。這時電壓比較器由原來2、3腳同為高電位，變為2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，從而實現震動感應功能。當震動停止后，震動開關SW-18010P會由閉合恢復為斷開，直到感應到下一次震動。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、關門不會引起太大的震動，不會引起震動感應模塊誤發信號。

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，揚聲器模塊通過發聲報警，GSM模塊通過向主人手機發送短信告知被盜消息。電路如圖4所示。當震動傳感器感應到震動，單片機收到震動感應模塊的信號之后，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，使揚聲器發出報警聲。

圖4

GSM模塊需要在單片機的控制下才能及時發送信息。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模塊發送相關指令控制它的行為。GSM模塊還需插上能正常使用的SIM卡，才能發出短信。

3 系統軟件設計

本設計軟件使用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。一旦震動感應模塊向單片機輸入感應信號，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送報警短信，接著就控制揚聲器模塊發出報警聲。

圖5

控制GSM模塊向主人的手機發送報警短信，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容，并通過向GSM模塊發送AT命令控制它向主人的手機發送報警短信。這個過程還會使用到GSM移動通信系統，特別是其中的GSM移動通信系統調制解調器。AT命令主要起到控制調制解調器的響應、撥號等功能。在GSM模塊發送報警信息時，首先由單片機向和GSM模塊連接的串口緩沖區寫入相應的AT命令來設置GSM模塊的工作狀態，然后單片機把存有的手機號和報警短信內容寫入串口緩沖區完成發送。GSM模塊的SIM90.0A芯片用于發送短信的編碼模式有文本和PDU模式。文本模式只能發送英文信息。PDU模式可以發送英文和中文信息，其編碼方式有7位、8位和UCS2編碼[4]。本設計需要發中文報警信息，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，于是揚聲器得電發出報警聲3分鐘，然后停止。

4 結束語

本設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，本設計使用的電源為壓電發電電源，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生，并且可以節約電能，是一種綠色節能裝置。同時，本設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。