基于激光传感器的远程防盗系统的设计
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【摘要】本文以激光传感器为基础，将其与固定电话和家庭防盗系统进行有机结合，以解决固定电话的功能单一以及家庭防盗系统的过于复杂等缺点，同时也对家庭智能化的发展起到一定的推动作用，本文介绍了由飞思卡尔单片机组成的主控芯片，激光传感器作为主要监控传感器，具有小功率、自主识别、语音报警和具有丰富的拓展功能等特点。
【关键词】激光；电话机；防盗；智能化
Design of a Remote Anti-theft System Based on Laser Sensor
DING xin-wei，ZHOU jian-long，LI zhong-ping
Abstract：the laser sensor，its organic combination and fixed-line telephone and home security systems，to address the function of a single fixed-line telephone and home security system is too complex，but also the development of the family of intelligent play a certainrole，the article describes the main chip by Freescale MCU laser sensor as the primary control sensor，the characteristics of low-power，self-recognition，voice alarm and has a wealth of expansion feature.
Keywords：the laser sensor；phone；anti-theft；intelligent
1.引言
随着生活水平的提高，人们越来越重视家庭的防盗安全问题。而我国在家庭防盗系统设计方面存在产品混乱、实际应用能力差，功能单一等缺陷，导致在实际生活中存在的家庭防盗应用不广泛等突出问题，如何设计出一款适合家庭用户、具有防盗、报警、智能驱赶，同时有广泛应用前景的防盗系统具有很好的实际意义。本系统充分考虑到用户的需求，采用激光传感器与固定电话的有机结合，功率小，功能多元化，具有现代防盗系统不可比拟的优势。
2.防盗系统原理设计
本系统以飞思卡尔单片机控制器为控制核心，以激光传感器为检测单元，以普通固定电话作为载体，可在不影响电话机正常使用的情况下，增加了家庭、小区是否有人非法进入的监测、自动防盗报警等功能电路。在家庭中使用时当有人的前提下，激光防盗系统不启动，满足节能环保要求，当有家中没有人员的情况下，若有人非法从门窗等进入时，激光传感器采集到人员进入信息，报警系统就会自动摘机，向外拨打预存的电话号码通知主人，若对方应答，将通过电话线路发送提前设置好的语音信号，提醒对方，家中有人进入，通过回铃音检测，本系统还可以拨打第二个突况预备电话或者由用户选择拉响家庭现场报警喇叭信号，驱走入侵者。
3.防盗系统技术方案设计
3.1 单片机构成的系统方案结构
本远程防盗系统中设计思路是利用激光传感器获得家庭安全信息，并将采集到的信息送到飞思卡尔MC9S12DG128单片机，实时通过单片机实时监测家庭中的安全信息，当家庭中发生突发事件，CPU主控器通过控制家庭固定电话完成语音报警及警告入侵者等功能，图1为系统结构图。
3.2 硬件系统设计
3.2.1 CPU主控系统模块
CPU主控器采用Freescale公司推出的增强型16位单片机MC9S12XS128，S12XS系列单片机是在S12XE系列基础上去掉XGate协处理器的单片机，该系列单片机采用CPU12X V2内核，可运行在40MHz总线频率上。由于在FLASH存储控制及加密方面呢也有很强的功能，采用本主控芯片可以直接用于存储用于报警的电话号码，避免与固定电话内的存储芯片发生干扰，在实现防盗系统与固定电话充分结合的前提下，对固定电话的基本功能影响降到最低。于此同时片内资源及I/O接口丰富，有利于拓展功能的增加，具有更好的适应性，经济性，故本次采用此型号的单片机，负责控制检测输入信号、模拟摘机、拨号报警、模拟挂机等一系列程序动作。
3.2.2 激光传感器模块
激光传感器是本防盗系统最重要的检测模块，激光传感器具有诸多优点，其最主要的有：①高线性，即高定向性和光速发散角小，大功率激光束在几公里外的扩展范围也不超过几厘米；②高单色性，既激光的频率宽度比普通光小10倍以上；③高亮度，超小功率的激光器经过几十米的距离衰减极小，依然具有较强的亮度，方便对激光的接受与识别。
本系统采用激光管波长为635nm，功率为5mw的小型激光发射器，发射部分由单片机生成180KHz的调制信号，经三极管驱动激光管发光；接收部分由一个相匹配的180KHz的接收管接收，返回的状态值，直接接入单片机，检测返回电压。当激光传感器正常工作时，返回的状态值为0—0.5V，当有人进入，即接收管接收不到激光时，状态值为5V，即可根据检测返回电压来判断是否有人进入。由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接收与180KHz相近频率的光强交流分量，对于呈直流的日光、白炽灯光，呈100Hz闪烁的日光灯光等外界光均不接收。因而可以有效防止其他光线对反射激光的影响。激光传感器的时序图及激光接受管的电气性能如图2所示。
3.2.3 MQ-9气体传感器模块
本系统的另一重要传感器是型号为MQ-9的气体传感器，其主要用于检测厨房的液化气等可燃气体的安全，MQ-9气体传感器对一氧化碳、甲烷、液化气的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳及可燃性的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。MQ-9气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。采用高低温循环检测方式低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，当达到高温时可以检测可燃气体甲烷、丙烷并清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
图3中是传感器典型的灵敏度特性曲线。其中纵坐标为传感器的电阻比(Rs/Ro)，横坐标为气体浓度。Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值Ro表示传感器在1000ppm液化气中的电阻值。图中所有测试都在标准试验条件下完成的。
3.2.4 语音录放模块
语音录放模块采用美国ISD公司推出的单片8至20秒的语音录放模块ISD1820P，其模块采用CMOS技术，所构成的电路具有边沿/电平触发双向选择，3-5V单电源工作，维持电流0.5uA在不耗电的情况下可以保持信息100年等诸多优点，其引脚及电路设计如图4所示。
ISD1820P模块在录放模式下，通过CPU主控器控制REC录音按键导通，此时开始录音，RECLED灯会亮起，录音在CPU主控器释放对REC录音按键控制时停止，放音有三种情况：边沿触发放音、电平触发放音、循环放音，本系统采用循环放音模式，默认置循环放音开关闭合，通过CPU主控器对PE键进行控制，实现放音输出。
3.2.5 报警电话设置及其他模块
本文报警电话的设置采用独立4x4键盘的方式，与固定电话的键盘进行有机的结合，固定电话的键盘可以在控制电话本身的输入同时，控制对语音报警电话的设置，实现固定电话与单片机的有机结合，键盘具体电路图如图所示，其中S1-S10分别为固定电话的数字键，在控制固定电话拨号的同时控制单片机电话号码的输入，S11-S12为电话的#号与*键，可用于报警电话存储的选择功能，S13-S16为单片机的拓展输入端口。其电路图如图5所示。
由于MC9S12XS128单片机具有较多的IO端口，对电话的拨号直接采用IO端口控制三极管导通的方式，来实现模拟拨号键盘的输入，从而在不改变固定电话的基础上实现对报警电话的输入。
单片机对回铃音的检查采用定时模块，回铃音是指发出的是“嘟、嘟、嘟…”的450断续音即响1秒，断4秒。表示用户拨叫的对方电话已接通，正在振铃。通过对回铃音的检测即可实现对报警电话是否接通的检测。
系统由于采用低功耗的传感器及芯片，电源的标准十分统一，对单片机及各个传感器模块采用5-6V电压供电，由于整个系统的功率在毫瓦级别，故采用4节1.5V由干电池直接提供。与单片机等直接内嵌于固定电话中，实现整个系统的小型化、集成化。
3.3 软件系统设计方案
在单片机程序设计时，数据的处理控制是整个系统中的关键环节，为使控制程序清晰可读且运行速率高，软件采用模块化方式设计，由主程序、中断服务程序、延时子程序、放音子程序、拨号子程序等组成。其主程序流程图如图6所示。
4.结果分析及总结
本设计在硬件上完全具备实现题目要求的所有条件，使用的激光传感器、MQ-9气体传感器、语音录放模块以及按键模块便于人机交互的实现，利用了MC9S12XS128的灵活性以及端口的多样性，在最少改动固定电话的基础上，实现了传感器、单片机、固定电话三者的有机结合。激光传感器的应用是本系统的核心部分，是其在防盗系统方面应用有益的尝试。
参考文献
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[3]薛涛.单片机与嵌入式系统开发方法[M].北京:清华大学出版社,2009.
[4]王宜怀,曹金华.嵌入式系统设计实战——基思卡尔S12X微控制器[M].北京:北京航空航天大学,2011.
[5]康华光.电子技术基础(模拟部分)[M].高等教育出版社,2006.
作者简介：
丁昕炜（1990—），男，大学本科，现就读于西南石油大学电气信息学院。
周建龙（1989—），男，满族，大学本科，现就读于西南石油大学电气信息学院。
李忠平（1990—），女，大学本科，现就读于西南石油大学电气信息学院。