压电发电电源门报警器设计

廖智舟

（柳州铁道职业技术学院，广西柳州，545000）

0 引言

当今住宅防盗主要方法是在入户门设置防盗措施。盗贼要入户盗窃，首先就是要撬门或者撬锁，这些对门的破坏不可避免的产生门体的震动。本设计的震动感应模块能灵敏的识别这些震动，并向单片机发出信号。单片机收到信号能及时的控制扬声器发出报警声，同时能向主人手机发送报警短信，让当时不在家的主人知道盗贼入侵消息，从而减少损失。另外，本设计运用压电发电原理，将许多压电陶瓷片并联连接后平放内置于垫子内，然后将垫子放在室内人行走经过最多的地方，利用人们自然行走踩踏发电，并通过电源模块将发出的电储存在电瓶中，用电瓶为整个装置送电。这种供电方式符合绿色环保的理念。

1 系统总体设计

本设计使用单片机作为控制器，控制、协调整个系统运行。用震动感应模块感应撬门或者撬锁产生的震动，并在感应到震动的时候及时向单片机发送信号。扬声器模块与GSM 模块分别与单片机的相应I/O 口连接。单片机收到信号之后立即控制扬声器模块发出报警声，同时与GSM 模块通讯，并控制GSM 模块向主人手机发送报警短信。其中，单片机需安装设计好的软件包括对震动感应模块信号接收程序，控制扬声器模块报警程序，与GSM 模块串行通讯程序以及控制GSM 模块发送报警短信程序。本设计电源模块运用压电发电原理发电，并将发出的电通过恒压电路恒压充电到电瓶中，再用电瓶向其他模块供电。

2 系统硬件

本设计硬件部分由单片机模块、电源模块、震动感应模块和扬声器模块与GSM 模块组成。

■2.1 单片机模块

单片机模块是本设计的核心部分，是整个系统的中枢。该模块能接收震动感应模块发出的信号，还能向扬声器模块与GSM 模块发出控制信号。

该模块使用的主要器件是单片机AT89C51。这种单片机是一种将多功能8 位微处理器和闪速存储器组合在单个芯片中的高效微控制器。它与MCS-51 指令集相兼容。其包含的128×8 位内部RAM 能够满足本设计的数据处理要求。它的32 个可编程I/O 线能够满足该模块与其它模块进行信号交换，其中包括两个串口可以与其他模块进行串行通信[1]。

该模块除了与其他模块连接的电路以外，本身具有单片机最小系统。最小系统包括晶振电路、复位电路、电源、接地等。本设计使用LM2576T 5.0 芯片将12V 电瓶电压降压为5V 作为单片机模块和其他模块电源。电路如图1 所示。

图1

■2.2 电源模块

本设计使用12V 电瓶作为电源。电瓶的电能从对压电陶瓷片的踩踏而来。电路如图2 所示。该电路首先使用许多压电陶瓷片收集能量，再使用桥式整流电路整流，然后使用超级电容蓄能，最后使用恒压充电电路将电压稳定在12V给电瓶充电。这许多片压电陶瓷片分正负极并联连接在一起，安装在垫子内，垫子放置在室内人们行走经过最频繁的路径上，如客厅至卧室的路上，以便获得最多的踩踏能量。通过踩踏使得压电陶瓷由于正压电效应在其两端出现电压，这就产生了可利用电能[2]。超级电容可以吸收压电陶瓷产生的电能，又能使恒压充电电路进行电能传输时效率最高。恒压充电电路主要由集成开关稳压器LM2575HTV-12V 组成，该电路能将超级电容中的电能以12V 电压恒压充电的方式转换为电瓶的化学能。

图2

■2.3 震动感应模块

该模块主要由震动开关SW-18010P 和电压比较器LM393 组成。电路如图3 所示。震动开关安装在门背，在灵敏的感应撬门或撬锁产生的震动后，开关由断开变为闭合。这时电压比较器由原来2、3 脚同为高电位，变为2 脚为低电位、3 脚为高电位。这种情况下电压比较器OUT 脚就会向单片机I/O 口输出高电平，从而实现震动感应功能。当震动停止后，震动开关SW-18010P 会由闭合恢复为断开，直到感应到下一次震动。电压比较器会时时刻刻比较2、3脚电位的高低，一旦3 脚电位高于2 脚，就通过OUT 脚向单片机I/O 口输出高电平[3]。由于入户门在门框边缘安装有防振垫片，所以一般的开、关门不会引起太大的震动，不会引起震动感应模块误发信号。

图3

■2.4 扬声器模块与GSM 模块

扬声器模块与GSM 模块都是起到被盗贼入侵后向主人报警的作用，扬声器模块通过发声报警，GSM 模块通过向主人手机发送短信告知被盗消息。电路如图4 所示。当震动传感器感应到震动，单片机收到震动感应模块的信号之后，就通过I/O 口向中间继电器输出高电平。这样中间继电器得电常开触点闭合，让12V 电瓶能够为扬声器供电，使扬声器发出报警声。

图4

GSM 模块需要在单片机的控制下才能及时发送信息。单片机的串行通信I/O 口P3.0 和P3.1 分别与GSM 模块的TX 和RX 脚连接，以便单片机用串行通信方式向GSM 模块发送相关指令控制它的行为。GSM 模块还需插上能正常使用的SIM 卡，才能发出短信。

3 系统软件设计

本设计软件使用C 语言编写。单片机上电启动后会不断运行程序。程序流程图如图5 所示。一旦震动感应模块向单片机输入感应信号，单片机在短时间接收到该信号后就马上控制GSM 模块向主人的手机发送报警短信，接着就控制扬声器模块发出报警声。

图5

控制GSM 模块向主人的手机发送报警短信，需要编写单片机P3.0 和P3.1 串口与GSM 模块的串口通信程序。单片机存有主人的手机号码和报警短信的内容，并通过向GSM模块发送AT 命令控制它向主人的手机发送报警短信。这个过程还会使用到GSM 移动通信系统，特别是其中的GSM 移动通信系统调制解调器。AT 命令主要起到控制调制解调器的响应、拨号等功能。在GSM 模块发送报警信息时，首先由单片机向和GSM 模块连接的串口缓冲区写入相应的AT 命令来设置GSM 模块的工作状态，然后单片机把存有的手机号和报警短信内容写入串口缓冲区完成发送。GSM 模块的SIM90.0A芯片用于发送短信的编码模式有文本和PDU模式。文本模式只能发送英文信息。PDU 模式可以发送英文和中文信息，其编码方式有7 位、8 位和UCS2 编码[4]。本设计需要发中文报警信息，因此选择PUD 模式中的8 位编码方式。

控制扬声器模块报警时，单片机将向I/O 口P3.2 脚输出3 分钟的高电平信号，之后恢复低电平，这样可以使得中间继电器常开触点吸合3 分钟，然后断开，于是扬声器得电发出报警声3 分钟，然后停止。

4 结束语

本设计的门报警器适合于安装使用在有门铃的入户门上。这样来客使用门铃而不是拍门就能避免因拍门震动引起门报警器误报警。另外，本设计使用的电源为压电发电电源，不用普通220V 电源供电，这样可以避免因停电或盗贼破坏电路造成无法报警的情况发生，并且可以节约电能，是一种绿色节能装置。同时，本设计考虑到主人在家与不在家的两种情况，即使主人不在家，也能及时通过手机短信报警，起到全面防护报警的作用。