一个自动报警实验项目系统的设计与实现

田歌 张倩

摘要：该设计以单片机为核心，使用了多种传感器实现自动报警实验项目系统，在火灾或偷盗情况发生时，分别针对不同情况自动执行短信报警、声光报警、驱动风扇水泵等功能。主要流程为硬件选型、电路设计、编程，仿真、实物制作、数据测试，最终得到了系统可行的结果。该实验项目设计可极大地提高学生的综合应用水平，培养学生的创新意识，在新工科应用型培养模式下，以设计综合实验项目的方式融合多门学科实验项目，为实验教学提供了新思路。

关键词：传感器;单片机;自动报警;综合水平

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）22-0100-03

1 引言

“数字电子技术”“单片机原理”“模拟电子技术”“传感器检测技术”“电路”等实验课程具有较强的理论性和应用性，但以上课程均为基础课，且实验课程的项目开设均针对该门课进行的项目设计，学生对于课程之间的联系缺乏宏观的认知，更难于将课程实验与生活创新结合起来[1]。对培养应用型新工科的创新人才，应培养其具有创新的思维、较强的动手能力以及对整体设计与把控能力[2]，故针对以上需求创新设计了自动报警实验项目系统，以满足学科培养创新型应用型复合型人才需求。故以项目化实验教学为主导，设计出本实验项目，将相关课程进行综合，设计由单片机和温度传感器、烟雾传感器、红外感应模块、GSM[3]通信模块共同组成的自动报警实验项目系统[4]。

2 系统总体设计方案

2.1 系统的设计思路

本报警系统由STC89C52RC单片机、LCD1602显示屏、DS18B20温度传感器、HC-SR501红外感应模块、SIM800cGSM模块组成[5]。以下是本系统的整体设计思路：按下布防键将系统设置为布防状态，通过红外感应模块、温度传感器、烟雾传感器进行周围环境监测，液晶显示屏作为输出设备，显示出室內温度值和烟雾浓度值。系统将监测值和报警值进行比对，超出报警值时，将发出短信和声光报警，报警信息发送至事先设置好的电话号码中。在火灾发生的情况下，驱动继电器和电机模块，从而完成对风扇和水泵的控制，及时驱散烟雾或扑灭火灾[6]。

2.2 LCD1602显示屏的选择

本设计在数码管与液晶显示屏之间选取了后者作为输出设备，主要的原因是其显示的内容丰富，可使用户通过显示屏了解火灾情况。

2.3 MQ-2烟雾传感器的选择

本系统采用市场常用的MQ-2烟雾传感器用作火灾的探测器。

2.4 DS18B20温度传感器的选择

本设计采用烟雾传感器与温度传感器共同监测室内火灾情况，DS18B20温度传感器通过温度检测和数据处理两部分进行温度采集工作，采用二进制的方式对数据进行输出。该传感器与其他类型温度传感器相比，体积小，可测量的温度在-55℃至125℃之间，并具有可编程报警的功能。故采用DS18B20温度传感器。

2.5 HC-SR501红外感应模块的选择

本设计采用市场广泛使用的HC-SR501模块对室内防盗情况进行监测，该模块对人体红外线十分敏感，其可监测的室内范围为3～7米，不仅可靠性强而且灵敏度很高，因此广泛适合用于所有类型的自动监测电器。

2.6 SIM800cGSM模块的选择

本系统采用型号为SIM800c的GSM模块用于短信的发送，该模块运行性能稳定，性价比较高，体积小，可以满足实际需求。该模块支持在以下频带中运行：GSM850、EGSM900、DCS1800和PCS1900MHz。可以实现蓝牙、语音、短信、电话的数据传输。

3 系统硬件设计

3.1 电源电路的设计

本设计采用USB口供电，电路图中S1为电源接口，其与电源线相接。P1为自锁开关。系统需要在稳定的电源电压的情况下，才能正常运行。

3.2 按键电路的设计

独立式按键为本设计所采用的按键电路形式，考虑到设计功能的需要，共设计了5个按键。

3.3 显示电路的设计

显示电路中1、2引脚分别是显示屏的正负极，15、16引脚是背光的正负极，两者同时接通，液晶显示屏便可显示出清晰的画面。7至14引脚与单片机的P0.0至P0.7引脚相接，两者通过并行通讯的方式来传输数据。VSS引脚与V0引脚间接了一个电阻，则是为了提高显示质量。

3.4 烟雾检测电路的设计

R5电阻与MQ-2传感器构成一个分压电路，该传感器内部存在一个电阻，其阻值随着烟雾浓度的变化而变化。当内部阻值较小时，节点处电压会变高，反之会减少。

3.5 监测温度电路的设计

温度传感器的DQ引脚为数据口，其与单片机的P3.3引脚相连接，使两者进行数据传递以获取温度信息。而数据口与正极之间接了一个上拉电阻，可以使得信号更加稳定。

3.6 红外感应电路的设计

红外感应电路图中OUT引脚与单片机的P3.3引脚相接，二者进行数据通讯。OUT引脚与GND引脚相接的下拉电阻可以将IO口高电平拉低。

3.7 GSM短信报警电路的设计

通过RXD、TXD引脚与单片机P3.1、P3.0口的交叉相连，实现GSM模块与微处理器的串口通讯。

3.8 声光报警电路的设计

声光报警电路图中F1为蜂鸣器、D1为红色指示灯，两者与Q1即PNP型三极管相接。当三极管导通后，蜂鸣器和指示灯都有电流流过，蜂鸣器便开始报警，指示灯亮起。

4 系统软件设计

4.1 系统的工作流程

按下电源键，系统初始化。图1为系统工作流程图。

4.2 防盗报警程序设计

本报警系统采用红外感应模块监测室内人体入侵情况，模块监测到外人入侵时，输出高电平，无人则输出端为低电平。单片机判断输出端是否为高电平，若输出为高电平则启动短信声光报警。

4.3 火灾报警程序设计

本设计采用烟雾传感器和温度传感器两者同时监测火灾，两种传感器与单片机进行数据通讯，单片机接收到数据后进行判定。若检测值大于设定值，则启动短信、声光报警，驱动继电器和电机。

5 仿真与实物

5.1 仿真图

系统初始化后，对温度、烟雾浓度、红外感应的情况进行模拟，随着手动改变传感器的状态，显示屏显示的室内温度和烟雾浓度的数值也随之改变。在仿真图中按下布防键后，布防指示灯闪烁后常亮，此时系统处于布防状态。系统设定温度报警的初始值为30℃，烟雾浓度为200ppm，按下设置键后显示屏上显示“Set_T：30℃”。通过加减键对报警值进行设定，再按一次设定键后确定设定值，即可设定需要的报警值。手动增减温度模块的数值，将温度调节至32℃，此时室内温度已超过报警值，显示屏显示“Fire alarm”，布防指示灯D1 LED-RED亮起、继电器模块启动、启动电机;报警灯D2 LED-RED亮起，启动蜂鸣器，图2为温度超过阈值时报警仿真图。

调节滑动变阻器，将烟雾浓度调节至267ppm，此时室内烟雾浓度值已超过报警值，显示屏顯示“Fire alarm”，布防指示灯D1 LED-RED亮起、继电器模块启动、启动电机;报警灯D2 LED-RED亮起，启动蜂鸣器。防盗火灾报警时显示“fire_thief alarm”，布防指示灯D1 LED-RED亮起、继电器模块启动、启动电机;报警灯亮起，启动蜂鸣器，与GSM模块相接的引脚为高电平。

5.2 PCB原理图的绘制

系统使用Auto Designer软件绘制了PCB原理图，图3为绘制的PCB板图。

5.3 实物的功能验证

本系统可以通过液晶显示屏显示室内温度和烟雾浓度，图6为室内温度和烟雾浓度显示图。温度传感器或者烟雾传感器探测到的数据超过报警值之后，显示屏上会显示“Fire alarm”，报警红灯亮起，蜂鸣器发出滴滴的响声，继电器指示灯亮起，风扇和水泵同时启动，GSM模块发送“请注意！有盗贼，无火灾！”的文本消息发送至预设手机号中。图4为火灾报警图。

5.4 实物的数据测试

本次设计对实物进行了红外感应模块报警距离、温度报警值、烟雾浓度报警值的测试表1。

6 结论

本实验项目实现了火灾报警、防盗报警、防盗火灾报警的功能，能够很好地达到预期的效果，提出了具有创新价值的实验课程教学改革案例，这种综合式项目实验教学为培养学生的综合能力和创新意识提供了一个新的思路，也是对电类以及自动化类的实验教学改革进行的有效摸索。

参考文献：

[1] 程修文，宋盈阳，张新怡，等.新工科背景下环境工程专业学生实践创新能力培养与改革探索[J].中国现代教育装备，2022（5）：88-90.

[2] 张皎，金印彬，孙敏.以“项目引导实验”理念下的数字电子技术实验课程教学改革浅谈——以FPGA音乐播放器设计为例[J].电子质量，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] 秦莉艳.单片机的智能烟雾报警系统的设计[J].电子测试，2020（21）：16-17，75.

[5] 滕德虎.基于单片机的家居智能配电系统设计与实现[J].物联网技术，2021，11（2）：78-80.

[6] 王艳芳，李莉.基于物联网环境的单片机技术发展分析[J].信息与电脑（理论版），2019，31（24）：127-128.

【通联编辑：闻翔军】