一個自動報警實驗項目系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

田歌 張倩

摘要：該設(shè)計以單片機為核心，使用了多種傳感器實現(xiàn)自動報警實驗項目系統(tǒng)，在火災(zāi)或偷盜情況發(fā)生時，分別針對不同情況自動執(zhí)行短信報警、聲光報警、驅(qū)動風(fēng)扇水泵等功能。主要流程為硬件選型、電路設(shè)計、編程，仿真、實物制作、數(shù)據(jù)測試，最終得到了系統(tǒng)可行的結(jié)果。該實驗項目設(shè)計可極大地提高學(xué)生的綜合應(yīng)用水平，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，在新工科應(yīng)用型培養(yǎng)模式下，以設(shè)計綜合實驗項目的方式融合多門學(xué)科實驗項目，為實驗教學(xué)提供了新思路。

關(guān)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(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0100-03

1 引言

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

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計思路

本報警系統(tǒng)由STC89C52RC單片機、LCD1602顯示屏、DS18B20溫度傳感器、HC-SR501紅外感應(yīng)模塊、SIM800cGSM模塊組成[5]。以下是本系統(tǒng)的整體設(shè)計思路：按下布防鍵將系統(tǒng)設(shè)置為布防狀態(tài)，通過紅外感應(yīng)模塊、溫度傳感器、煙霧傳感器進行周圍環(huán)境監(jiān)測，液晶顯示屏作為輸出設(shè)備，顯示出室內(nèi)溫度值和煙霧濃度值。系統(tǒng)將監(jiān)測值和報警值進行比對，超出報警值時，將發(fā)出短信和聲光報警，報警信息發(fā)送至事先設(shè)置好的電話號碼中。在火災(zāi)發(fā)生的情況下，驅(qū)動繼電器和電機模塊，從而完成對風(fēng)扇和水泵的控制，及時驅(qū)散煙霧或撲滅火災(zāi)[6]。

2.2 LCD1602顯示屏的選擇

本設(shè)計在數(shù)碼管與液晶顯示屏之間選取了后者作為輸出設(shè)備，主要的原因是其顯示的內(nèi)容豐富，可使用戶通過顯示屏了解火災(zāi)情況。

2.3 MQ-2煙霧傳感器的選擇

本系統(tǒng)采用市場常用的MQ-2煙霧傳感器用作火災(zāi)的探測器。

2.4 DS18B20溫度傳感器的選擇

本設(shè)計采用煙霧傳感器與溫度傳感器共同監(jiān)測室內(nèi)火災(zāi)情況，DS18B20溫度傳感器通過溫度檢測和數(shù)據(jù)處理兩部分進行溫度采集工作，采用二進制的方式對數(shù)據(jù)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(yīng)模塊的選擇

本設(shè)計采用市場廣泛使用的HC-SR501模塊對室內(nèi)防盜情況進行監(jiān)測，該模塊對人體紅外線十分敏感，其可監(jiān)測的室內(nèi)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(jiān)測電器。

2.6 SIM800cGSM模塊的選擇

本系統(tǒng)采用型號為SIM800c的GSM模塊用于短信的發(fā)送，該模塊運行性能穩(wěn)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?？梢詫崿F(xiàn)藍牙、語音、短信、電話的數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 電源電路的設(shè)計

本設(shè)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(guān)。系統(tǒng)需要在穩(wěn)定的電源電壓的情況下，才能正常運行。

3.2 按鍵電路的設(shè)計

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

3.3 顯示電路的設(shè)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(shù)據(jù)。VSS引腳與V0引腳間接了一個電阻，則是為了提高顯示質(zhì)量。

3.4 煙霧檢測電路的設(shè)計

R5電阻與MQ-2傳感器構(gòu)成一個分壓電路，該傳感器內(nèi)部存在一個電阻，其阻值隨著煙霧濃度的變化而變化。當(dāng)內(nèi)部阻值較小時，節(jié)點處電壓會變高，反之會減少。

3.5 監(jiān)測溫度電路的設(shè)計

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

3.6 紅外感應(yīng)電路的設(shè)計

紅外感應(yīng)電路圖中OUT引腳與單片機的P3.3引腳相接，二者進行數(shù)據(jù)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(shè)計

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

3.8 聲光報警電路的設(shè)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(dāng)三極管導(dǎo)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(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)的工作流程

按下電源鍵，系統(tǒng)初始化。圖1為系統(tǒng)工作流程圖。

4.2 防盜報警程序設(shè)計

本報警系統(tǒng)采用紅外感應(yīng)模塊監(jiān)測室內(nèi)人體入侵情況，模塊監(jiān)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(zāi)報警程序設(shè)計

本設(shè)計采用煙霧傳感器和溫度傳感器兩者同時監(jiān)測火災(zāi)，兩種傳感器與單片機進行數(shù)據(jù)通訊，單片機接收到數(shù)據(jù)后進行判定。若檢測值大于設(shè)定值，則啟動短信、聲光報警，驅(qū)動繼電器和電機。

5 仿真與實物

5.1 仿真圖

系統(tǒng)初始化后，對溫度、煙霧濃度、紅外感應(yīng)的情況進行模擬，隨著手動改變傳感器的狀態(tài)，顯示屏顯示的室內(nèi)溫度和煙霧濃度的數(shù)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(tǒng)處于布防狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)定溫度報警的初始值為30℃，煙霧濃度為200ppm，按下設(shè)置鍵后顯示屏上顯示“Set_T：30℃”。通過加減鍵對報警值進行設(shè)定，再按一次設(shè)定鍵后確定設(shè)定值，即可設(shè)定需要的報警值。手動增減溫度模塊的數(shù)值，將溫度調(diào)節(jié)至32℃，此時室內(nèi)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(diào)節(jié)滑動變阻器，將煙霧濃度調(diào)節(jié)至267ppm，此時室內(nèi)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(zāi)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(tǒng)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(tǒng)可以通過液晶顯示屏顯示室內(nèi)溫度和煙霧濃度，圖6為室內(nèi)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(shù)據(jù)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(fā)出滴滴的響聲，繼電器指示燈亮起，風(fēng)扇和水泵同時啟動，GSM模塊發(fā)送“請注意！有盜賊，無火災(zāi)！”的文本消息發(fā)送至預(yù)設(shè)手機號中。圖4為火災(zāi)報警圖。

5.4 實物的數(shù)據(jù)測試

本次設(shè)計對實物進行了紅外感應(yīng)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(jié)論

本實驗項目實現(xiàn)了火災(zāi)報警、防盜報警、防盜火災(zāi)報警的功能，能夠很好地達到預(yù)期的效果，提出了具有創(chuàng)新價值的實驗課程教學(xué)改革案例，這種綜合式項目實驗教學(xué)為培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)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(xué)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(huán)境工程專業(yè)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)與改革探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2022（5）：88-90.

[2] 張皎，金印彬，孫敏.以“項目引導(dǎo)實驗”理念下的數(shù)字電子技術(shù)實驗課程教學(xué)改革淺談——以FPGA音樂播放器設(shè)計為例[J].電子質(zhì)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(tǒng)的設(shè)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(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（2）：78-80.

[6] 王艷芳，李莉.基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的單片機技術(shù)發(fā)展分析[J].信息與電腦（理論版），2019，31（24）：127-128.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】