玻璃破碎监测仪的制作方法

本实用新型涉及安全设备技术领域，尤其涉及一种玻璃破碎监测仪。

背景技术：

随着科学技术的不断进步，玻璃产品已逐渐渗透进我们生活的方面面。在很多场所都会用到建筑玻璃、日用玻璃、光学玻璃、电子玻璃、玻璃纤维、特种玻璃、艺术玻璃和装饰玻璃等进行装饰，其中很多全场合如珠宝台，展览橱窗，博物馆等都需要安装玻璃破碎监测器来保证其安全。这种监测器需要最大限度的将报警信号准确的传输到中央控制中心。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种玻璃破碎监测仪。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

本实用新型包括声音采集装置、单片机系统、蜂鸣器和指示灯，所述声音采集装置的信号输出端与所述单片机系统的信号输入端连接，所述单片机系统的信号输出端与所述蜂鸣器和所述指示灯连接。

进一步，所述单片机系统型号为MSP430F2274，所述单片机系统包括两个放大器、噪声检测电路和玻璃破碎检测电路，所述噪声检测电路包括ADC电路、低通滤波电路和信号分析电路，所述玻璃破碎检测电路包括ADC电路、高通滤波电路和信号分析电路。

进一步，所述单片机系统还连接有无线传输模块，所述无线传输模块采用MRF24L01单片机。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型是一种玻璃破碎监测仪，与现有技术相比，本实用新型以MSP430低功耗MCU为核心，nRF24L01为无线传输模块，将玻璃破碎时所产生的模拟信号经滤波，ADC采样，分析处理后由无线发送到上位机或手机上进行实时显示。该设计能够实时的将被测玻璃的受损情况显示至控制中心，可运用于门窗、珠宝台、展览厅和图书馆等诸多场所。实现了对所监控的目标进行实时监控的功能。采用低功耗芯片，降低了设计的功耗，提高了设计系统的使用寿命。设计相对于以往的玻璃破碎检测系统而言具有精确度高，抗干扰能力强并且可长时间的远程监控等诸多优点，具有推广使用的价值。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构框图；

图2是本实用新型的运算放大器原理图；

图3是本实用新型的运算放大器模式配制图；

图4是本实用新型的ADC电路原理图；

图5是本实用新型的单片机系统的芯片引脚图；

图6是本实用新型的无线传输模块电路图；

图7是本实用新型的检测流程图；

图8是本实用新型的系统初始化流程图；

图9是本实用新型的Timer_A ISR寄存器配置流程图；

图10是本实用新型的活动检测模式流程图；

图11是本实用新型的噪声检测模式的初始化流程图；

图12是本实用新型的Timer_B的初始化流程图；

图13是本实用新型的噪声检测流程图；

图14是本实用新型的玻璃检测模式初始化程序流程图；

图15是本实用新型的玻璃破碎检测流程图；

图16是本实用新型的玻璃破碎检测频率响应实例；

图17是本实用新型的第一阶段信号处理流程图；

图18是本实用新型的第二阶段信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示：本实用新型包括声音采集装置、单片机系统、蜂鸣器和指示灯，所述声音采集装置的信号输出端与所述单片机系统的信号输入端连接，所述单片机系统的信号输出端与所述蜂鸣器和所述指示灯连接。图1给出了两个不同检测模式的信号链的图形表示:噪声检测和玻璃破碎检测。在活动检测模式中，设备检查的任何活动(与重要的振幅信号)都以2.5毫秒的的速度进入外部麦克风。流程如下：声响传入外部麦克风→反相增益放大器OA0→ADC10(频道A1,单通道信号转换模式)。一旦检测到有活动，设备就会进入噪声的检测。只有在确认有效的噪声之后，才启用玻璃破碎检测信号链，模拟信号进入麦克风后放大并通过模拟低通滤波器OA1用2kHz抗锯齿过滤，过滤后的采样信号以4ksps速度进入ADC10进行信号处理和分析。对OA0输出的放大信号经过ADC10(A1)频道以38.9ksps采样率进行采样和积累,从而进行信号处理和玻璃破损的分析。玻璃破碎的检测伴随着蜂鸣声和LED的转动。

进一步，所述单片机系统型号为MSP430F2274，所述单片机系统包括两个放大器、噪声检测电路和玻璃破碎检测电路，所述噪声检测电路包括ADC电路、低通滤波电路和信号分析电路，所述玻璃破碎检测电路包括ADC电路、高通滤波电路和信号分析电路。微处理器MSP430F2274内部集成了两个运算放大器OA0和OA1，并且支持模数信号的相互转换，具有单电源供电、低电流、轨到轨输出、软件可选择的配置模式等特点。它可以配置为一个反相放大器,或非反相放大器,或可以结合模块形成差动放大器。当OAPMx＝00时,运放输出是高阻抗。OAPMx>0时,运放是打开的。运放的输出是可以由OAADCx位和OAFCx位来控制，既可以作为ADC的输入位也可以作为外部引脚位。运算放大器原理图如图2所示。MSP430F2274有两个软件可配置的运算放大器OA0和OA1。运算放大器(OA0)是作为一个增益为7的反相放大器，通过内部电阻梯子设置所提供的增益。OA0内部连接的是ADC的输出通道A1，以便进行下一步处理。运算放大器(OA1)被配置为一个单位增益的低通滤波器,它用作抗混叠滤波器实现噪声检测。OA1的输出是ADC的内部连接通道A13。过滤器是Butterworth的第二种类型，并且使用Sallen-Key体系结构。该滤波器的截止频率为2KHZ，由参考电压的DVcc/2为其提供电源。同时运算放大器具有多个工作模式，通过内部上拉电阻通过选择OAFBRx来选择运算放大器的工作模式，模式配置如图3。

ADC转换电路

当声音经麦克风采集，并通过运算放大器滤波后进入ADC转换电路。MSP430F2274自带有ADC10和ADC12，其中ADC10具有大于200ksps的转换率、可通过软件或Timer_A启动、软件可选择的芯片上的参考电压(1.5V和2.5V)、8个外部输入通道、可选择转换时钟源、数据传输控制器的自动存储转换结果等诸多优点。ADC12模块支持高速12位模拟数字转换，具有大于200ksps的转化率、可由软件初始Timer_A或Timer_B、软件可选择的芯片上的参考电压(1.5V和2.5V)、软件可选择内部或外部引用、选择抓换时钟源、内部温度传感器转换通道、AVCC、外部引用、ADC核心和参考电压可单独关闭、18ADC中断快速解码的中断向量寄存器。ADC原理图如图4所示。

MSP430F2274是德州仪器所生产MSP430系列的一个16位超低功耗单片机。其电源电压范围从1.8V至3.6V，运行频率为16Mhz，同时具有一个低频振荡器(VLO)，两个16位定时器(Timer_A和Timer_B)，且每个都具有3个捕捉/比较寄存器。一个集成的10位模拟数字转换器(ADC10)且支持大于200ksps的转换率。可将ADC10与片上运算放大器(OA0和OA1)配置为模拟信号调节。在待机模式消耗电流为0.7vA，工作模式为250VA。MSP430F2274芯片引脚如图5所示；

进一步，所述单片机系统还连接有无线传输模块，所述无线传输模块采用MRF24L01单片机。如图6所示电路，nRF24L01模块是一款新型单片机射频收发器件。数据传输率可达到2Mb/s；125个频道；GFSK调制方式；封装为QFN20引脚4mm×4mm^[1]。

nRF24L01无线传输芯片有四种的工作模式，分别是关机模式、配置模式、收发模式、空闲模式^[2]。在设计中使用的是nRF24L01的收发模式。对于收发模式又包括ShockBurstTM收发模式、直接收发模式，可以通过配置寄存器实现这两种模式的切换。设计采用的是直接收发模式。

在直接发送模式下需要用到的接口引脚为CE、CSN、SCK，MOSI、MISO。当发送数据时，nRF24L01发送功能被激活，需将CE引脚置高。通过SPI协议将数据写入，即可以实现数据发送，每次写入和发送的有效数据至多32字节。

玻璃破碎监测仪使用MSP430F2274进行玻璃破碎检测。图7显示了该检流程图。当没有检测声响进入到外部麦克风，则设备进入活动检测模式。如果检测到有重大声响进入到外部麦克风，设备立即进入到玻璃破碎检测模式，对玻璃破碎进行分析后。如果检测到玻璃破碎时，蜂鸣器和LED灯打开大约三秒，然后设备返回活动检测模式。如果不确认，玻璃破损设备仅返回活动检测模式。

玻璃破碎监测仪的系统初始化流程如图8所示，在初始化系统和所有所需外围设备的活动检测模式。CPU配置在12MHZ以下运行，反相增益放大器OA0和2MHZ单位增益AAFOA1都配置了相应的模拟使碎片配置集，OA0和OA1都在这一部分中。在活动检测模式中OA0每隔2.5MS打开一次，在噪声检测模式中OA0和OA1都一直处于打开状态。ADC被配置为信号采样模式的信号转换模式，通道A1连接增益放大器OA0的输出且作为ADC10的输入。每隔2.5ms唤醒定时器Timer_A和检查是否有声音进入外部麦克风。

在活动检测模式中，每隔2.5ms唤醒定时器Timer_A和检查是否有声音进入外部麦克风。外部时钟TACLK通过内部时钟源ACLK进行配置，因此在活动检测模式中系统将进入到LMP3模式。在活动检测模式中，OA1_delay_ON标志位被置为0，在Timer_A ISR将Timer_A关闭，清除低功耗位，外部麦克风，反相增益放大器OA0被使能并且开启ADC10的单通道A1的信号转换模式。当未检测到有外部活动时，所有的外围设备都关闭，使能Timer_A，系统再次进入LMP3模式。Timer_A ISR寄存器配置流程图如图9所示；

另一方面，如果检测某个外部活动时，软件就会执行噪声检测的初始化程序，因此系统将进入噪声检测模式。活动检测模式流程图如图10所示；

如图11所示，在噪声检测模式中，CPU时钟配置为8MHZ。噪声分析的过程为：外部麦克风→2-kHzAAF OA1→ADC10(通道A13)，因此噪声检测的代码初始化了所有的外围设备。MSP430F2274的运算放大器启用并设置OA1_delay_ON标志位，OA1用作抗混叠低通滤波器，截止频率为2khz。OA0具有较长的稳定时间并且稳定时间由Timer_A来提供，Timer_A计数器(TACCR0)在3.2ms生成一个唤醒时钟TACLK的值，从而设备进入LMP3模式并等待Timer_A的一个中断。噪声检测模式的初始化如图11所示；

在单通道信号转换模式将活动标志位和ADC10配置为采样通道A13，然后将Timer_B配置为4KHZ的采样率，时钟TBCLK配置为8MHZ。在这种情况下，设备处于等待LMP0模式和Timer_B中断的状态，Timer_B的初始化如图12所示；

图13所示为噪声检测流程图，有图可知在噪声检测模式初始化完成后，如果采样数小于128，则Timer_B ISR寄存器的控制位和等待LMP0直到下一次的Timer_B的中断。平均值是累计计算出来的，此值将用于比较采集的声音值。如果确认为有效的噪声，该设备将被重新初始化，以进入CPU时钟为12MHZ的活动检测模式，并且所有的外围设备都关闭，Timer_B如也重新配置为2.5ms周期性唤醒模式。如果检测到有效的声响则软件执行初始化玻璃破碎检测程序。

如图14所示，如果检测到有效的声响，则系统将配置玻璃破碎的检测设备和初始化Timer_B ISR并且进入玻璃破碎检测模式。在玻璃破碎检测模式中，CPU的时钟设置为12MHZ，信号分析的流程为：声响传入外部麦克风→反相增益放大器OA0→ADC10(A1频道)。在此系统中麦克风响应的频率范围为20HZ-20KHZ,MSP430F2274有两个运算放大器OA0和OA1，其中OA0作为反相增益放大器，OA1作为19.2KHZ的AAF用于玻璃破碎检测。ADC10配置为单通道采样转换模式，采用频率维持在38.9ksps。玻璃破碎检测程序流程如图15所示；

玻璃破碎时所发出的“砰”的一声是一种约为300HZ的低频分量，这个属性是在任何场合玻璃破碎时都具有的特性，同时也是检测玻璃是否破碎有效途径。在检测到有效的玻璃破碎的声音信号时，在最初输入的几个采样信号时，采用截止频率为350HZ的低通滤波器，过滤后输出的相应的样本信号是经过累积、平均之后与之前的所设置的临界值相比较。玻璃破碎检测模块只有超过这个阀值才能被程序初始化。图16展示了玻璃破碎检测模块检测到一个有效的玻璃破碎声响时的频率响应图，由图可知此滤波器具有LWDF结构，系数alpha0＝0.212738，alpha1＝0.27612304，alpha2＝0.0718994，alpha3＝0.12081909，alpha4＝0.12710571，alpha5＝0.030487，and alpha6＝0.15614648。

玻璃破碎信号处理共分为两个阶段。如图17所示，系统进入玻璃破碎检测模式的信号分析的第一阶段，当采样平均值p(n)<0时，系统进行峰值检测，过零交叉检测以及高通滤波处理。当采样平均值p(n)>0时，系统进行信号整合，溢出检测处理。在完成上述处理后，若OUTP(n)<0，则玻璃破碎检测信号处理的第一阶段结束。若OUTP(n)>0,则系统进行滤波信号整合并在判段溢出位后结束第一阶段信号处理。

第二阶段的信号处理不需要实时操作，它是对输入信号的处理只有60ms的一个算法，需判断出玻璃破碎是否真的发生。如图18所示为第二阶段的信号处理，在系统进行第二阶段的信号处理时需关闭ADC10，Timer_A，OA0,OA1。如果信号溢出标志位<滤波器溢出标志位，则重新启动玻璃检测模式。如果信号溢出标志位>滤波器溢出标志位时，先需要判断信号溢出标志位是否等于零。如果信号溢出标志位等于零，则调用调用常规比率模式，否则则需要判断滤波器溢出标志位是否<1。若滤波器溢出标志位为1，进行后续的处理。若滤波器溢出标志位不为1则标志位进1，再经过处理后调用常规比率进行判断。当175.<＝Ratio<＝14，160<＝Peak_count<＝320，95<＝Zero_cross_count<＝300时打开LED，即玻璃出现破碎。系统重新启动玻璃破碎检测模式。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。