摘 要

本文提出了一种玻璃暴力破碎检测以及智能报警系统的设计，阐述了不同原理的玻璃破碎检测方案，分析各自的优点和缺点，并从是否适合于实际使用的角度加以取舍。本研究的首要目的是用于应对层出不穷的家居安防问题。本次设计可以作为智能安全家居系统的首道防线——门窗玻璃报警器来使用。但不仅仅局限于此，在设计过程中也考虑到了应用于撞击检测等场合的使用需求。

为了扩大应用范围并且合理控制成本，最终选择采用高精度的压阻式压力传感器MPX4115A将力信号转换为电信号。该传感器可以输出与压力成线性关系的模拟电压，经AD转换后能测出玻璃所受外力，以此来衡量玻璃破碎状况。用低功耗、低成本的STC89C51芯片作为控制模块。为了实际使用的便利性，采用GSM模块，以发送示警短信的方式来实现良好的报警效果。

关键词：玻璃破碎检测；家居安防；GSM模块；单片机

Abstract

This dissertation presents a glass breakage detection and intelligent alarm system design, describes the different principles of glass breakage detection programs, analyze their advantages and disadvantages, and choose from the perspective of whether it is suitable for practical use. The primary purpose of this study is to address the growing number of home security issues. This design can be used as the first line of defense of smart home systems - window glass alarms. However, it is not limited to this, and the use requirements for impact detection and the like are also taken into account in the design process.

In order to expand the application range and reasonably control the cost, MPX4115A, a piezoresistive pressure sensor with high precision, was selected to convert the force signal into an electrical signal. The sensor can output an analog voltage that is linearly related to pressure. After AD conversion, the external force of the glass can be measured to measure the glass breakage. Use low-power, low-cost STC89C51 microcontroller as a control module. For the convenience of practical use, the GSM module is used to send warning messages to achieve a good alarm effect.

Key Words：glass breakage；GSM module；single-chip microcomputer；home security

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状分析 1

1.3 研究的基本内容和目标 3

第2章 方案制定 4

2.1 压电式玻璃破碎检测方案 4

2.1.1 压电效应 4

2.1.2 压电式玻璃破碎检测方案论证 5

2.2 压阻式玻璃破碎检测方案 7

2.2.1 压阻效应 7

2.2.2 压阻式玻璃破碎检测方案论证 8

2.3 报警部分方案 9

2.4 总体方案 9

第3章 硬件设计 10

3.1 检测模块设计 10

3.2 微处理器模块设计 11

3.2.1 单片机最小系统 11

3.2.2 STC89C51 12

3.2.3 时钟电路 12

3.2.4 复位电路 12

3.3 数据转换模块设计 12

3.4 显示模块设计 14

3.5 报警模块设计 15

第4章 软件设计 17

4.1 总体流程设计 17

4.2 AD转换程序 17

4.3 LCD显示程序 18

4.4 GSM短信报警程序 18

第5章 仿真情况 20

第6章 实物调试 22

第7章 小结 26

参考文献 27

附录A 元器件清单 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

随着科技的发展，生活水平的提高，安全安防意识的增强，人们对家居智能化，安全化有了更高的要求。防盗，也早已成为了不可忽视的问题。其中，门窗的安全防盗性能就是重中之重，同时这也是整个家居安全的基础防线。若遇到有人入室盗窃的情况，我们需要思考如何才能在第一时间发现以便采取措施。在日常生活中，很多家庭装修设计时都会采用防盗窗，尤其是楼层较低的家庭。可若是每一个窗户都加装防盗网，一旦出现火灾等意外情况，住户逃生的难度也随之上升。所以可以预留一两个窗户的位置安装玻璃破碎检测报警器，既可以及时发现门窗玻璃被破坏，又不会给紧急情况如发生火灾时的住户逃生造成不利影响。

此外，随着博物馆，会议中心和展览馆数量的增加，以及相关展品价值的提高和展览频率的增加，这些地方已成为犯罪分子主要活动的目标，被盗展品案件也越来越频繁，所造成的经济损失也很大。另外，这些地方人口密集，空间相对有限，所以极易对展品造成碰撞。然而，为了能够便于多角度的展示展品，现有的大多数展位在其固定基地上只是安装了玻璃窗。玻璃制成的橱窗的安全性和稳定性相比于用其它材料并没有什么优势，相对而言玻璃更易破碎，安全防盗性能有限。考虑到众多珍贵文物一旦受损后的不可再生性以及文物受损后造成的远远不只是经济上的损失，还有历史文化价值方面的无法衡量的损失，所以对玻璃受力破碎的检测及防盗报警的研究就十分有必要，同时也十分有价值。

除了防盗报警用，玻璃暴力破碎检测系统也可以用于其它需要振动检测或撞击检测的场合。

总而言之，玻璃暴力破碎报警系统的研究意义重大，该研究应用范围广泛，应用需求大，应用实际性高。

1.2 国内外研究现状分析

基于上述需求，无论是国内还是国外，对玻璃破碎检测传感器均已做了不少研究，总体技术也已经相对成熟。目前在安防市场上有若干型号的玻璃破碎报警传感器，总体概括起来可分成以下两类。

一类是单技术型传感器，本质上是一种声控警报探测器，具备频率选择功能（带宽10K至15KHZ）从而消除玻璃碎裂时产生的高频信号。

另一类则是双技术型传感器。此类主要包括有声控-振动型和次声波-高频声响型。在一些多种声音混合的场合，难以正常探测玻璃破碎时的声响，双技术探测器应运而生。所谓双技术，就是结合两种探测技术，是一种与门逻辑构造，只有检测到两类信号是才能进行报警，从而避免误报。

三十到四十年前，美国Camp;K公司就推出了DTS9000玻璃破碎探测器，这是世界上第一款应用了双技术检测的玻璃破碎探测器^[1]。研究发现，当玻璃窗破碎时，首先是因为玻璃收到撞击而产生一种振动波，该振动波通过玻璃、玻璃框以及玻璃窗附近的墙壁传导，另外，伴随着玻璃的破碎，高频噪声同时产生。DTS9000就是通过同时寻找振动波和高频噪音，以此来避免误报。比如有小鸟撞到玻璃窗户时，无论撞击力有多大，只要玻璃并未破碎，高频信号没有出现，该探测器就不会报警^[1]。但同时，DTS9000仍有不足之处，它的实际使用安装有不小的局限性，只能安装在可以传导振动的墙面了，这无疑会对使用者造成一定的困扰。

为了获得更多的认可，Camp;K公司接受用户意见后推出了新产品FLEX一GUARO，该产品不仅可以安装在玻璃附近的墙面，还可以安装在顶棚、吊板等地方，适用于探测10×7英寸以上玻璃的破碎^[1]。但FLEX一GUARO玻璃破碎传感器仍旧无法确保报警的绝对可靠，所以Camp;K公司又加以改进，研发出了SUPER一FLEX传感器，该传感器在FLEX一GUARO的基础上增加了自检电路，避免了自身故障而引起误报。

随着研究的不断深入，玻璃破碎检测传感器逐渐趋于完善，不管是检测玻璃破碎同时避免误报警的技术，还是实际使用安装的便利性都已经有很大的发展。而且，除了对传感器本身的研究外，整个安防防盗家居系统也在不断发展。智能家居系统始于1985年，随着ZigBee，Z-Wave，线程，RF技术，电力载波技术和微控制器等新技术的出现和发展^[8]。智能家居开始真正进入一个更加趋向智能化、个性化的阶段，如今已经步入非常重视人机交互体验的阶段。

1.3 研究的基本内容和目标

本课题要求设计一套玻璃暴力破碎检测报警系统，要求能检测出玻璃破损程度并能作出警报，适用于汽车玻璃、金银首饰橱窗、文物展柜的防盗报警，也可以用于需要振动及撞击检测的场合。主要研究内容和目标如下：

1. 详细了解国内外玻璃破碎检测技术的发展现状，对不同原理，不同模式的检测报警系统进行分析比较，结合实际可行性选定方案并对其原理进行深入的学习了解。
2. 确定整体方案，根据方案要求确定整体控制模式以及各模块间信息传输的方式，确保各模块能够紧密配合并且互不影响，从而实现相应的设计需求。
3. 搭建硬件平台，选择合适的微控制器芯片，根据设计需求选择相应的传感器类型，搭建传感器电路，对各个模块的电路进行仿真调试。
4. 编写运行程序，使用模块化结构设计，为不同的功能模块设计独立的子程序，方便进行移植和调试。
5. 研究玻璃破碎检测报警系统的可行性方案，将该系统运用到生活中，实现保护家居安全等功能。

第2章 方案制定

2.1 压电式玻璃破碎检测方案

目前市面上大部分玻璃破碎传感器都是以压电传感器为基础制成。而压电传感器则是基于压电元件的压电效应。

2.1.1 压电效应

压电效应是在1880年，被Pierre Curie和Jacques Paul Curie两兄弟发现的。所谓正压电效应，是指压电材料在外力作用下产生扭曲变形，由于内部的极化现象从而会在其表面产生电荷，外力越大，压电材料受力而产生的电荷量就越大^[1]。于此相反，若在压电材料上施加电压，则会导致它产生机械变形，这就是逆压电效应，原理图如下图2.1所示。压电式玻璃破碎传感器正是基于正压电效应。

图2.1 压电效应原理图

2.1.2 压电式玻璃破碎检测方案论证

压电传感器具有良好的高频响应特性，所以能够测量动态变化的信号。查阅学习相关的参考资料后了解到，当玻璃碎裂时，会产生10k到15k的高频声音信号，从而能够让压电传感器的压电元件产生正压电效应，所以压电式传感器能对玻璃破碎情况进行有效的检测^[2]。将压电传感器安装在要测量的玻璃表面，当玻璃受到外力撞击而破碎时，产生的高频信号会让压电元件振动，从而使压电元件表面产生电荷。而压电传感器内部一般都会具有电荷转换成电压模块，传感器输出的电压经过放大、滤波、AD转换后由单片机进行比较，继而控制是否进行报警操作。

课题要求能检测出玻璃破损程度，并且适用于其它需要振动及撞击检测的场合，根据这些要求，压电式加速度传感器最为符合。因为加速度的大小直观地反映了振动的强度，并且通过加速度与二次积分的结合，可以获得两个物理量：速度和位移^[3]。综合加速度、速度、位移三个物理量能够全面地反映振动强弱。

图2.2 压电加速度传感器示意图及其简化计算模型

以下为此类型传感器的频率特性分析情况：

压电式加速度传感器，可以简化成二阶单自由度系统。该系统由质量m、弹簧刚度k和阻尼系数c组成^[3]。当传感器测量振动体的振动时，它具有以下运动方程：

上式中：m为质量；

x为运动体的绝对位移；

为质量块的绝对位移；

k为弹簧刚度；

c为阻尼系数。

上式改写后得：

压电加速度传感器的相频特性和幅频特性可以从二阶传感器频率响应特性的计算方法获得，如下^[5]：

上式中：为振动角频率；

为传感器固有角频率；

为阻尼比。

质量块与振动体之间相对位移即为外力引起的压电元件的形变。在其弹性范围内有：

上式中：为压电元件收到的外力；

为压电元件的弹性系数。

压电元件的电荷量Q与其受到的外力F成比例：

上式中：d为压电系数。

由上述公式可推出：

结合上述公式，进一步可以推出：

上式为二阶特性曲线，在 为相当小的范围时：

在实际使用中，传感器可以安装在玻璃表面上，然后用加长的导线连接到后续的信号处理电路上。

图2.3 压电玻璃破碎报警

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