基于单片机的家庭报警系统设计

2020-01-08郭建军林丽君陈红斌王克强于凤梅

科学技术创新 2020年4期

郭建军林丽君陈红斌* 王克强蔡肯于凤梅

（仲恺农业工程学院自动化学院，广东广州510225）

经济的高速发展具有与时俱进的特点，人类生存于社会的多元化意味着衣食住行质量的层次提高，人们在外工作的时间也是逐渐加长。对于在外的人来说可能最担心的就是自己家中无人时，家中一些突发性的事件比如火灾、盗贼入室、可燃气泄漏等发生时，不能及时得知并进行必要的抢救措施。另一方面，人口数目亦对社会的治安发出更为严峻的挑战，社会治安、安全防范问题接踵而来。为了极大程度减少此类突发事故对人们造成的损失，第一时间得知家中发生什么事就显得尤为重要了[1,2]。本系统在家庭的环境基础上设计单片机控制的远程报警系统，能在突发事件发生后极短时间通过无线通讯通知远方的房子主人，这样房子主人就可以尽可能快地在事情发生后采取相应的措施（报警或者通知邻居等）来减少损失。

1 系统方案设计

本设计的组成包括硬件电路连接和软件程序两个方面。考虑现在家庭布局以及人们对家庭安全的重视程度，基于模块化和可延伸化的设计理念，将本设计分为数据采集、数据初处理、信号无线传输、第二次处理、声光报警、远程GSM发送短信等子模块。电路结构可划分为：热释电红外传感器模块、声音触发报警电路、单片机主控中心、LED 显示电路及必要的控制按钮构成。

2 系统硬件设计

2.1 STC89C52 基本特征

STC89C52 是STC 公司旗下的一款功能完备、用途广泛的单片机，基于该芯片的高性价比和简便的电路操作，只需添加简单的具体功能电路即可实现可观的数据处理能力。本系统的从机模块上实现的功能是检测MQ-2 的电平变化来驱动NRF24L01无线模块发送具体的信息到主机上，用STC89C52 已足以满足本设计该实现的效果。单片机最小电路是一个从机模块的中央控制器，它负责协调从机系统各个模块实现其功能。单片机最小系统有电源、STC89C52 单片机、复位电路、时钟电路等组成。STC89C52 单片机具有8K 可编程Flash 存储器。STC89C52 是升级版的MCS-51 类型内核，但是又具备比该内核更强大的芯片，使其能实现更多的功能。

2.2 报警电路设计

蜂鸣器报警电路设计采用的是电磁式有源蜂鸣器，当单片机与蜂鸣器报警电路相连的I/O 口被拉低时，三极管就会由截止变为导通，电路因此而通路，蜂鸣器会启动。GSM模块选择较为广泛使用的SIM800A，该模块引脚按照指示与单片机连接运用，VCC 可接5V 到18V 的电源，鉴于单片机5V 驱动的GSM模块可能出现电流达不到其运行的最低要求，这里直接接入12V电源驱动，GND 就接地端，RXD 接STC12A60S2 的P30 口，TXD接P31 口，电路可以实现GSM模块和单片机的数据交流的功能

[3]。在实现双方数据交流的途径中，运用单片机串口通讯来实现是最实用和最高效的方式。

2.3 NRF24L01 无线通讯模块电路设计

无线模块具备8 个引脚供给电路外接。一个电源引脚接到LM1117 电源模块3.3V 的输出端，一个接地端，六个输出输入引脚接单片机的P1 口，单片机通过P1 口对无线模块进行读写操作。

2.4 热释电红外传感器模块电路

HC-SR501 人体感应模块是在红外线技术基础上发明的的被动类型的模块，拥有灵敏度高，工作电压低等特点[4]。该模块集成后有三个引脚可以外接。VCC 引脚直接和5V 电源连接，GND 指示引脚与地端连接，OUT 引脚则输出电平来改变单片的I/O 口的状态。当有人在其感应范围内时，OUT 引脚输出高电平，感应范围的人离开则会自动延时一小段时间关闭高电平，然后输出相反的电平。在总设计中，由主机单片机来检测该模块电平的变化，从而反映是否有人在模块感应范围内。

2.5 MQ-2 烟雾传感器模块电路

MQ-2 烟雾传感器模块内部集成气敏元件、比较器等芯片，具备两种不同类型的数据输出功能，从其引脚标注可以看出是模拟数据输出和TTL 电平数据输出。本次设计中涉及到的功能只运用到TTL 电平输出。MQ-2 传感器采用外部电源供电。TTL电平输出线直接与P03 相连接。使用过程中，如MQ-2 处于有烟或者燃气的环境中，TTL 电平输出端回输出相应的低电平被单片机检测到。如果该传感器处于正常无烟无燃气的环境，由于单片机的P03 口接一个电阻上拉电平，将提高检测的可靠性。

2.6 电源3.3V 模块电路

单片机的驱动电压为5V，而本设计用到的NRF24L01 射频模块的在电压1.9 伏到3.6 伏才能正常使用。如果直接将射频模块接到5V 电压上，很容易使得该器件不能正常工作或者烧坏。因此应该考虑设计个电路使得5V 降压稳定在NRF24L01 正常工作电压范围内。LM1117 芯片可以实现降压的功能，但由于LM1117 本身芯片的结构原因难以在万能板上焊接，故而只能寻求另一种方法: 直接使用由LM1117 芯片和外围电路及必要的器件集成的5V 转3.3V 稳压模块来实现NRF24L01 的驱动。

2.7 电源5V 模块电路

主机系统中，单片机在5V 的电压环境下可以正常工作，然而查阅GSM 的使用手册可以得知，GSM 要12V 才能驱动它正常发送短信信息到手机上。考虑到如果用电池的形式给GSM供电，输出这种电压的电池价格上比较昂贵。现结合家庭的环境，考虑到家用供电电源，使用一个220V 转12V 的普通充电器给GSM供电，再将12V 的电压经LM7805 的降低电压功能作用，维持到5V 左右保持单片机运行。NRF24L01 的电源输入还得考虑到，于是再用一个LM1117 电源模块，为了方便电路的焊接，将LM7805 芯片和LM1117 电源模块连接起来，达到输入一个12V 输入端，一个5V 输出接口和一个3.3V 输出端的效果。

3 系统软件设计

本系统使用单片机来控制个模块的协同运作，运用较为方便快捷的编程语言C 语言来进行程序的设计编写，编译程序软件采用Keil C 语言来实现。实现程序烧录的软件是stc-isp-15xx-v6,操作简单，烧录时间不长。系统软件主要负责不断检测与模块连接引脚的电平，检测到具体变化就发出声光报警和通过NRF24L01 发送数据，最终实现GSM发送信息功能。