高 敏

江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 江蘇南通 226011

基于單片機(jī)的門磁報(bào)警電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 敏

江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院 江蘇南通 226011

安防系統(tǒng)對(duì)于保障人們的財(cái)產(chǎn)安全具有十分重要的作用，門磁報(bào)警系統(tǒng)是安防系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)，對(duì)于人們財(cái)產(chǎn)的安全防護(hù)起到了重要的作用。電子技術(shù)的迅速發(fā)展極大的推動(dòng)了門磁報(bào)警系統(tǒng)的進(jìn)步，對(duì)基于單片機(jī)的門磁報(bào)警系統(tǒng)的電路系統(tǒng)采用兩種方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)兩種方案進(jìn)行了對(duì)比分析，仿真結(jié)果表明，兩種方案都能夠滿足在實(shí)際中的應(yīng)用。

單片機(jī)；門磁報(bào)警系統(tǒng)；繼電器；與非門

一、引言

居家安防設(shè)備對(duì)于保護(hù)居民的財(cái)產(chǎn)安全與維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定具有十分重要的作用。隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越重視住所以及單位和公司重要的資料室的保護(hù)，門磁報(bào)警器是一種新型的嵌入式報(bào)警系統(tǒng)。傳統(tǒng)的門磁電路里面沒有智能控制核心，電子技術(shù)的迅速發(fā)展為開發(fā)嵌入式的智能門磁報(bào)警系統(tǒng)提供了可能，將單片機(jī)嵌入到門磁報(bào)警系統(tǒng)中，對(duì)于傳統(tǒng)的門磁報(bào)警系統(tǒng)是一個(gè)較大的提升和改進(jìn)，能夠顯著的提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度。通過(guò)單片機(jī)對(duì)自身兩個(gè)I/O引腳狀態(tài)的掃描，在出現(xiàn)入侵的時(shí)候會(huì)觸發(fā)門電路報(bào)警系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電路的智能控制。并且該門磁報(bào)警系統(tǒng)的門電路的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，利用三極管作為門磁電路內(nèi)部的放大電路部分，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中利用仿真軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)于以繼電器為核心的門磁警報(bào)電路和以門電路為核心的警報(bào)電路進(jìn)行了對(duì)比仿真，對(duì)于二者的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，以繼電器為核心的警報(bào)系統(tǒng)由于存在電磁轉(zhuǎn)換，相對(duì)于以數(shù)字門電路為核心的警報(bào)系統(tǒng)來(lái)講存在著較為明顯的延時(shí)，這是這種延時(shí)時(shí)間在毫秒級(jí)別不會(huì)對(duì)警報(bào)系統(tǒng)的實(shí)際使用產(chǎn)生較大的影響。而基于單片機(jī)和門磁報(bào)警電路以數(shù)字門電路代替了其中的繼電設(shè)備，能夠在一定程度上提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并且能夠以此為基礎(chǔ)進(jìn)行深入智能化的設(shè)計(jì)和開發(fā)，且門電路與單片機(jī)造價(jià)低廉是未來(lái)門磁報(bào)警電路的一個(gè)發(fā)展方向。

二、門磁結(jié)構(gòu)及觸發(fā)原理

（一）門磁結(jié)構(gòu)及功能

門磁是由磁鐵和常開型的干簧管組成。在使用的時(shí)候一般會(huì)將磁鐵安裝在門扇上，將干簧管安裝在對(duì)面的門框上。在門處于閉合狀態(tài)的時(shí)候，干簧管內(nèi)部的接觸點(diǎn)會(huì)與磁鐵吸合， 在這個(gè)時(shí)候開關(guān)就處于導(dǎo)通的狀態(tài)。如果門處于開啟狀態(tài)的時(shí)候， 兩者之間沒有任何實(shí)際的接觸，這個(gè)時(shí)候開關(guān)就處于斷開的狀態(tài)。

（二）報(bào)警系統(tǒng)的觸發(fā)

門磁報(bào)警系統(tǒng)的工作原理如下：采用單片機(jī)的串口實(shí)現(xiàn)通信，將單片機(jī)P1口的兩根串口線分別于繼電開關(guān)所引出的兩條線相連，即將MC先和YSQ線與STM32單片機(jī)的兩個(gè)串口A1和A2相連， 通過(guò)對(duì)STM32內(nèi)部寄存器的設(shè)置將A1口設(shè)置為推挽輸出的方式、將A2口設(shè)置為上拉輸入的模式，然后通過(guò)對(duì)寄存器進(jìn)行操作或者是調(diào)用相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)將A2進(jìn)行復(fù)位。一般情況下門磁的兩個(gè)部門是連接在一起的，MC為地線。當(dāng)A1為低電平的時(shí)候，也就是門磁兩部分分開的時(shí)候會(huì)觸發(fā)警報(bào)，之后A1會(huì)回到高電平，根據(jù)該情境，通過(guò)對(duì)STM32內(nèi)部寄存器的操作控制A2輸出高電平，然后YSQ就會(huì)變?yōu)楦唠娖?，就?huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。

三、門磁報(bào)警電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)是門磁報(bào)警系統(tǒng)的核心組成部分。該部分所選擇的設(shè)計(jì)方案會(huì)直接影響門磁報(bào)警系統(tǒng)的性能。本設(shè)計(jì)采用Stimuli仿真軟件對(duì)基于繼電器與基于數(shù)字門電路的門磁報(bào)警電路進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（一）基于繼電器的報(bào)警系統(tǒng)的搭建

如圖2所示，對(duì)于基于繼電器的門磁報(bào)警電路，觸發(fā)報(bào)警的信號(hào)通過(guò)電平轉(zhuǎn)換接到STM32單片機(jī)的IO口上，STM32單片機(jī)IO口的低電平為0V高電平為3.3V?？梢圆捎肵FG1方波發(fā)生器來(lái)模擬單片機(jī)IO口的觸發(fā)信號(hào)，該方波發(fā)生器可以產(chǎn)生較為標(biāo)準(zhǔn)的CMOS電平信號(hào)，將其占空比設(shè)置為50%，頻率設(shè)置為10hz；三極選擇采用3904封裝的NPN型晶體管，其中基極與發(fā)射極之間的門檻電壓為0.5V；其中U1為紅色發(fā)光二極管，其導(dǎo)通壓降為1.8v，導(dǎo)通電流為5-8mA，假設(shè)二極管的導(dǎo)通壓降為1.85V，導(dǎo)通電流為5mA。那么可以依據(jù)此計(jì)算出限流電阻R2的阻值為1.63千歐。

為了有效的控制電路的電路讓其大于導(dǎo)通電流可以適當(dāng)?shù)臏p小電阻R2的阻值 。其中D1為二極管；此外還有EDR繼電器，如果K兩端存在壓差的時(shí)候門磁就會(huì)產(chǎn)生吸引力而使得門閉合；其中蜂鳴器的額定的工作電壓為5V，電壓頻率為500HZ；系統(tǒng)所采用的電源電壓VDD為10V；XSC1和XSC2為示波器的接入端，體現(xiàn)的是線路3和線路5上的實(shí)時(shí)電平。

在本核心報(bào)警電路中的信號(hào)方法裝置采用了三個(gè)的NPN型的三極管，當(dāng)加在基極與發(fā)射極之間的電壓大于門檻電壓也就是發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏的時(shí)候，發(fā)射極與集電極之間會(huì)導(dǎo)通形成通路，在這個(gè)時(shí)候線路2上會(huì)出現(xiàn)低電平，二極管D1可以防止出現(xiàn)逆向的導(dǎo)通，然后繼電器會(huì)充電，之后會(huì)導(dǎo)致K2閉合，那么線路5上則會(huì)出現(xiàn)高電平，這個(gè)時(shí)候蜂鳴器就會(huì)導(dǎo)通報(bào)警；如果輸入的信號(hào)為低電平，那么整個(gè)電路就會(huì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不會(huì)發(fā)出警報(bào)。

（二）基于與非門的報(bào)警系統(tǒng)的搭建

基于數(shù)字門電路的警報(bào)系統(tǒng)和基于繼電器的警報(bào)系統(tǒng)二者之間的結(jié)構(gòu)基本一致，二者所存在的最為主要的區(qū)別就是將基于繼電器的警報(bào)系統(tǒng)中的繼電器環(huán)節(jié)換成了與非門，該與非門電平屬于TTL電平，其高電平為5V低電平為0V與CMOS電平存在一定的差別。采用10V電源電壓來(lái)進(jìn)行供電，只要有一端輸入為低電平那么經(jīng)過(guò)與非門就會(huì)輸出高電平，就會(huì)使得整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)能夠正常的工作。其工作原理圖如圖3所示。

四、實(shí)驗(yàn)分析

本文對(duì)于上述兩種不同的報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，對(duì)于兩種電路各支路不同的狀態(tài)進(jìn)行了分析，對(duì)于電路在短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行了仿真，對(duì)于兩種報(bào)警電路瞬時(shí)的波形狀態(tài)進(jìn)行了分析。通過(guò)分析來(lái)對(duì)兩種電路在上升沿狀態(tài)下各自的電路狀態(tài)，主要觀察三極管處的電壓與蜂鳴器處的電壓是否一致，如果存在延時(shí)那么對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)的影響狀況。

（一）基于繼電器的報(bào)警系統(tǒng)的分析

在基于與非門的報(bào)警系統(tǒng)蜂鳴器響之后，發(fā)光二極管就會(huì)發(fā)出紅光，在繼電器閉合之后XSC1和XSC2就會(huì)顯示出電壓的波形。從模擬的結(jié)果來(lái)看，兩條線路上的高電平和低電平能夠基本保持一致，當(dāng)輸入信號(hào)為高電平的時(shí)候能夠完成正常的報(bào)警功能。在此次試驗(yàn)的過(guò)程中選擇了在200ms的時(shí)候輸入信號(hào)為上升沿電平，對(duì)于1ms時(shí)間間隔來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)， 可以觀測(cè)到所選取的信號(hào)節(jié)點(diǎn)的電平基本上都是一致的，只有部門的電平信號(hào)存在延遲，這說(shuō)明系統(tǒng)在輸入高電平之后，除了在繼電器節(jié)點(diǎn)處信號(hào)有稍微的延遲之外，其他節(jié)點(diǎn)的電壓信號(hào)幾乎是同時(shí)響應(yīng)。整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)的時(shí)間延時(shí)也非常低低在毫秒級(jí)別。

（二）基于與非門的報(bào)警系統(tǒng)的分析

基于與非門的報(bào)警系統(tǒng)和基于繼電器的報(bào)警系統(tǒng)原理類似，在蜂鳴器發(fā)聲之后發(fā)光二極管會(huì)發(fā)亮，這個(gè)時(shí)候XSC1和XSC2就會(huì)發(fā)出就會(huì)顯示出電壓信號(hào)的波形。電源電壓經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路會(huì)轉(zhuǎn)換到TTL電平。從仿真的結(jié)果來(lái)看，不同線路的高低電平始終保持一致， 當(dāng)輸入信號(hào)為高電平的時(shí)候蜂鳴器會(huì)立馬發(fā)生報(bào)警，中間幾乎沒有任何延時(shí)。

當(dāng)輸入時(shí)間節(jié)點(diǎn)選擇為200ms的時(shí)候輸入上升沿電平，對(duì)于信號(hào)進(jìn)行了相隔時(shí)間為1ms的觀測(cè)，在觀測(cè)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓信號(hào)的高低電平始終保持一致，說(shuō)明在系統(tǒng)輸入高電平之后蜂鳴器能夠及時(shí)的響應(yīng)，其響應(yīng)的速度要高于基于繼電器的門磁報(bào)警系統(tǒng)。

五、結(jié)語(yǔ)

對(duì)門磁報(bào)警系統(tǒng)分別采用繼電器與與非門兩種方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，二者存在的唯一差別就是繼電器與與非門兩個(gè)環(huán)節(jié)，并對(duì)兩種電路通過(guò)設(shè)置位置節(jié)點(diǎn)來(lái)對(duì)線路上電平的一致性與延時(shí)性進(jìn)行了仿真，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于繼電器的門磁報(bào)警系統(tǒng)與基于與非門的門磁報(bào)警系統(tǒng)各個(gè)線路的節(jié)點(diǎn)電平基本都能夠保持一致，除了繼電器環(huán)節(jié)電平信號(hào)存在稍微的延時(shí)。另外基于與非門的門磁報(bào)警系統(tǒng)的響應(yīng)速度要高于基于繼電器的門磁報(bào)警系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

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