一個自動報警實驗項目系統的設計與實現

田歌 張倩

摘要：該設計以單片機為核心，使用了多種傳感器實現自動報警實驗項目系統，在火災或偷盜情況發生時，分別針對不同情況自動執行短信報警、聲光報警、驅動風扇水泵等功能。主要流程為硬件選型、電路設計、編程，仿真、實物制作、數據測試，最終得到了系統可行的結果。該實驗項目設計可極大地提高學生的綜合應用水平，培養學生的創新意識，在新工科應用型培養模式下，以設計綜合實驗項目的方式融合多門學科實驗項目，為實驗教學提供了新思路。

關鍵詞：傳感器;單片機;自動報警;綜合水平

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0100-03

1 引言

“數字電子技術”“單片機原理”“模擬電子技術”“傳感器檢測技術”“電路”等實驗課程具有較強的理論性和應用性，但以上課程均為基礎課，且實驗課程的項目開設均針對該門課進行的項目設計，學生對于課程之間的聯系缺乏宏觀的認知，更難于將課程實驗與生活創新結合起來[1]。對培養應用型新工科的創新人才，應培養其具有創新的思維、較強的動手能力以及對整體設計與把控能力[2]，故針對以上需求創新設計了自動報警實驗項目系統，以滿足學科培養創新型應用型復合型人才需求。故以項目化實驗教學為主導，設計出本實驗項目，將相關課程進行綜合，設計由單片機和溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外感應模塊、GSM[3]通信模塊共同組成的自動報警實驗項目系統[4]。

2 系統總體設計方案

2.1 系統的設計思路

本報警系統由STC89C52RC單片機、LCD1602顯示屏、DS18B20溫度傳感器、HC-SR501紅外感應模塊、SIM800cGSM模塊組成[5]。以下是本系統的整體設計思路：按下布防鍵將系統設置為布防狀態，通過紅外感應模塊、溫度傳感器、煙霧傳感器進行周圍環境監測，液晶顯示屏作為輸出設備，顯示出室內溫度值和煙霧濃度值。系統將監測值和報警值進行比對，超出報警值時，將發出短信和聲光報警，報警信息發送至事先設置好的電話號碼中。在火災發生的情況下，驅動繼電器和電機模塊，從而完成對風扇和水泵的控制，及時驅散煙霧或撲滅火災[6]。

2.2 LCD1602顯示屏的選擇

本設計在數碼管與液晶顯示屏之間選取了后者作為輸出設備，主要的原因是其顯示的內容豐富，可使用戶通過顯示屏了解火災情況。

2.3 MQ-2煙霧傳感器的選擇

本系統采用市場常用的MQ-2煙霧傳感器用作火災的探測器。

2.4 DS18B20溫度傳感器的選擇

本設計采用煙霧傳感器與溫度傳感器共同監測室內火災情況，DS18B20溫度傳感器通過溫度檢測和數據處理兩部分進行溫度采集工作，采用二進制的方式對數據進行輸出。該傳感器與其他類型溫度傳感器相比，體積小，可測量的溫度在-55℃至125℃之間，并具有可編程報警的功能。故采用DS18B20溫度傳感器。

2.5 HC-SR501紅外感應模塊的選擇

本設計采用市場廣泛使用的HC-SR501模塊對室內防盜情況進行監測，該模塊對人體紅外線十分敏感，其可監測的室內范圍為3～7米，不僅可靠性強而且靈敏度很高，因此廣泛適合用于所有類型的自動監測電器。

2.6 SIM800cGSM模塊的選擇

本系統采用型號為SIM800c的GSM模塊用于短信的發送，該模塊運行性能穩定，性價比較高，體積小，可以滿足實際需求。該模塊支持在以下頻帶中運行：GSM850、EGSM900、DCS1800和PCS1900MHz。可以實現藍牙、語音、短信、電話的數據傳輸。

3 系統硬件設計

3.1 電源電路的設計

本設計采用USB口供電，電路圖中S1為電源接口，其與電源線相接。P1為自鎖開關。系統需要在穩定的電源電壓的情況下，才能正常運行。

3.2 按鍵電路的設計

獨立式按鍵為本設計所采用的按鍵電路形式，考慮到設計功能的需要，共設計了5個按鍵。

3.3 顯示電路的設計

顯示電路中1、2引腳分別是顯示屏的正負極，15、16引腳是背光的正負極，兩者同時接通，液晶顯示屏便可顯示出清晰的畫面。7至14引腳與單片機的P0.0至P0.7引腳相接，兩者通過并行通訊的方式來傳輸數據。VSS引腳與V0引腳間接了一個電阻，則是為了提高顯示質量。

3.4 煙霧檢測電路的設計

R5電阻與MQ-2傳感器構成一個分壓電路，該傳感器內部存在一個電阻，其阻值隨著煙霧濃度的變化而變化。當內部阻值較小時，節點處電壓會變高，反之會減少。

3.5 監測溫度電路的設計

溫度傳感器的DQ引腳為數據口，其與單片機的P3.3引腳相連接，使兩者進行數據傳遞以獲取溫度信息。而數據口與正極之間接了一個上拉電阻，可以使得信號更加穩定。

3.6 紅外感應電路的設計

紅外感應電路圖中OUT引腳與單片機的P3.3引腳相接，二者進行數據通訊。OUT引腳與GND引腳相接的下拉電阻可以將IO口高電平拉低。

3.7 GSM短信報警電路的設計

通過RXD、TXD引腳與單片機P3.1、P3.0口的交叉相連，實現GSM模塊與微處理器的串口通訊。

3.8 聲光報警電路的設計

聲光報警電路圖中F1為蜂鳴器、D1為紅色指示燈，兩者與Q1即PNP型三極管相接。當三極管導通后，蜂鳴器和指示燈都有電流流過，蜂鳴器便開始報警，指示燈亮起。

4 系統軟件設計

4.1 系統的工作流程

按下電源鍵，系統初始化。圖1為系統工作流程圖。

4.2 防盜報警程序設計

本報警系統采用紅外感應模塊監測室內人體入侵情況，模塊監測到外人入侵時，輸出高電平，無人則輸出端為低電平。單片機判斷輸出端是否為高電平，若輸出為高電平則啟動短信聲光報警。

4.3 火災報警程序設計

本設計采用煙霧傳感器和溫度傳感器兩者同時監測火災，兩種傳感器與單片機進行數據通訊，單片機接收到數據后進行判定。若檢測值大于設定值，則啟動短信、聲光報警，驅動繼電器和電機。

5 仿真與實物

5.1 仿真圖

系統初始化后，對溫度、煙霧濃度、紅外感應的情況進行模擬，隨著手動改變傳感器的狀態，顯示屏顯示的室內溫度和煙霧濃度的數值也隨之改變。在仿真圖中按下布防鍵后，布防指示燈閃爍后常亮，此時系統處于布防狀態。系統設定溫度報警的初始值為30℃，煙霧濃度為200ppm，按下設置鍵后顯示屏上顯示“Set_T：30℃”。通過加減鍵對報警值進行設定，再按一次設定鍵后確定設定值，即可設定需要的報警值。手動增減溫度模塊的數值，將溫度調節至32℃，此時室內溫度已超過報警值，顯示屏顯示“Fire alarm”，布防指示燈D1 LED-RED亮起、繼電器模塊啟動、啟動電機;報警燈D2 LED-RED亮起，啟動蜂鳴器，圖2為溫度超過閾值時報警仿真圖。

調節滑動變阻器，將煙霧濃度調節至267ppm，此時室內煙霧濃度值已超過報警值，顯示屏顯示“Fire alarm”，布防指示燈D1 LED-RED亮起、繼電器模塊啟動、啟動電機;報警燈D2 LED-RED亮起，啟動蜂鳴器。防盜火災報警時顯示“fire_thief alarm”，布防指示燈D1 LED-RED亮起、繼電器模塊啟動、啟動電機;報警燈亮起，啟動蜂鳴器，與GSM模塊相接的引腳為高電平。

5.2 PCB原理圖的繪制

系統使用Auto Designer軟件繪制了PCB原理圖，圖3為繪制的PCB板圖。

5.3 實物的功能驗證

本系統可以通過液晶顯示屏顯示室內溫度和煙霧濃度，圖6為室內溫度和煙霧濃度顯示圖。溫度傳感器或者煙霧傳感器探測到的數據超過報警值之后，顯示屏上會顯示“Fire alarm”，報警紅燈亮起，蜂鳴器發出滴滴的響聲，繼電器指示燈亮起，風扇和水泵同時啟動，GSM模塊發送“請注意！有盜賊，無火災！”的文本消息發送至預設手機號中。圖4為火災報警圖。

5.4 實物的數據測試

本次設計對實物進行了紅外感應模塊報警距離、溫度報警值、煙霧濃度報警值的測試表1。

6 結論

本實驗項目實現了火災報警、防盜報警、防盜火災報警的功能，能夠很好地達到預期的效果，提出了具有創新價值的實驗課程教學改革案例，這種綜合式項目實驗教學為培養學生的綜合能力和創新意識提供了一個新的思路，也是對電類以及自動化類的實驗教學改革進行的有效摸索。

參考文獻：

[1] 程修文，宋盈陽，張新怡，等.新工科背景下環境工程專業學生實踐創新能力培養與改革探索[J].中國現代教育裝備，2022（5）：88-90.

[2] 張皎，金印彬，孫敏.以“項目引導實驗”理念下的數字電子技術實驗課程教學改革淺談——以FPGA音樂播放器設計為例[J].電子質量，2022（1）：107-111.

[3] Fan X X，Shen J，Zhou T H.Research on the sensor-based automotive interior safety alarm system[J].Journal of Physics：Conference Series，2020，1631（1）：012165.

[4] 秦莉艷.單片機的智能煙霧報警系統的設計[J].電子測試，2020（21）：16-17，75.

[5] 滕德虎.基于單片機的家居智能配電系統設計與實現[J].物聯網技術，2021，11（2）：78-80.

[6] 王艷芳，李莉.基于物聯網環境的單片機技術發展分析[J].信息與電腦（理論版），2019，31（24）：127-128.

【通聯編輯：聞翔軍】