基于單片機的家庭報警系統設計

郭建軍 林麗君 陳紅斌* 王克強 蔡 肯 于鳳梅

（仲愷農業工程學院 自動化學院，廣東 廣州510225）

經濟的高速發展具有與時俱進的特點，人類生存于社會的多元化意味著衣食住行質量的層次提高，人們在外工作的時間也是逐漸加長。對于在外的人來說可能最擔心的就是自己家中無人時，家中一些突發性的事件比如火災、盜賊入室、可燃氣泄漏等發生時，不能及時得知并進行必要的搶救措施。另一方面，人口數目亦對社會的治安發出更為嚴峻的挑戰，社會治安、安全防范問題接踵而來。為了極大程度減少此類突發事故對人們造成的損失，第一時間得知家中發生什么事就顯得尤為重要了[1,2]。本系統在家庭的環境基礎上設計單片機控制的遠程報警系統，能在突發事件發生后極短時間通過無線通訊通知遠方的房子主人，這樣房子主人就可以盡可能快地在事情發生后采取相應的措施（報警或者通知鄰居等）來減少損失。

1 系統方案設計

本設計的組成包括硬件電路連接和軟件程序兩個方面。考慮現在家庭布局以及人們對家庭安全的重視程度，基于模塊化和可延伸化的設計理念，將本設計分為數據采集、數據初處理、信號無線傳輸、第二次處理、聲光報警、遠程GSM發送短信等子模塊。電路結構可劃分為：熱釋電紅外傳感器模塊、聲音觸發報警電路、單片機主控中心、LED 顯示電路及必要的控制按鈕構成。

2 系統硬件設計

2.1 STC89C52 基本特征

STC89C52 是STC 公司旗下的一款功能完備、用途廣泛的單片機，基于該芯片的高性價比和簡便的電路操作，只需添加簡單的具體功能電路即可實現可觀的數據處理能力。本系統的從機模塊上實現的功能是檢測MQ-2 的電平變化來驅動NRF24L01無線模塊發送具體的信息到主機上，用STC89C52 已足以滿足本設計該實現的效果。單片機最小電路是一個從機模塊的中央控制器，它負責協調從機系統各個模塊實現其功能。單片機最小系統有電源、STC89C52 單片機、復位電路、時鐘電路等組成。STC89C52 單片機具有8K 可編程Flash 存儲器。STC89C52 是升級版的MCS-51 類型內核，但是又具備比該內核更強大的芯片，使其能實現更多的功能。

2.2 報警電路設計

蜂鳴器報警電路設計采用的是電磁式有源蜂鳴器，當單片機與蜂鳴器報警電路相連的I/O 口被拉低時，三極管就會由截止變為導通，電路因此而通路，蜂鳴器會啟動。GSM模塊選擇較為廣泛使用的SIM800A，該模塊引腳按照指示與單片機連接運用，VCC 可接5V 到18V 的電源，鑒于單片機5V 驅動的GSM模塊可能出現電流達不到其運行的最低要求，這里直接接入12V電源驅動，GND 就接地端，RXD 接STC12A60S2 的P30 口，TXD接P31 口，電路可以實現GSM模塊和單片機的數據交流的功能

[3]。在實現雙方數據交流的途徑中，運用單片機串口通訊來實現是最實用和最高效的方式。

2.3 NRF24L01 無線通訊模塊電路設計

無線模塊具備8 個引腳供給電路外接。一個電源引腳接到LM1117 電源模塊3.3V 的輸出端，一個接地端，六個輸出輸入引腳接單片機的P1 口，單片機通過P1 口對無線模塊進行讀寫操作。

2.4 熱釋電紅外傳感器模塊電路

HC-SR501 人體感應模塊是在紅外線技術基礎上發明的的被動類型的模塊，擁有靈敏度高，工作電壓低等特點[4]。該模塊集成后有三個引腳可以外接。VCC 引腳直接和5V 電源連接，GND 指示引腳與地端連接，OUT 引腳則輸出電平來改變單片的I/O 口的狀態。當有人在其感應范圍內時，OUT 引腳輸出高電平，感應范圍的人離開則會自動延時一小段時間關閉高電平，然后輸出相反的電平。在總設計中，由主機單片機來檢測該模塊電平的變化，從而反映是否有人在模塊感應范圍內。

2.5 MQ-2 煙霧傳感器模塊電路

MQ-2 煙霧傳感器模塊內部集成氣敏元件、比較器等芯片，具備兩種不同類型的數據輸出功能，從其引腳標注可以看出是模擬數據輸出和TTL 電平數據輸出。本次設計中涉及到的功能只運用到TTL 電平輸出。MQ-2 傳感器采用外部電源供電。TTL電平輸出線直接與P03 相連接。使用過程中，如MQ-2 處于有煙或者燃氣的環境中，TTL 電平輸出端回輸出相應的低電平被單片機檢測到。如果該傳感器處于正常無煙無燃氣的環境，由于單片機的P03 口接一個電阻上拉電平，將提高檢測的可靠性。

2.6 電源3.3V 模塊電路

單片機的驅動電壓為5V，而本設計用到的NRF24L01 射頻模塊的在電壓1.9 伏到3.6 伏才能正常使用。如果直接將射頻模塊接到5V 電壓上，很容易使得該器件不能正常工作或者燒壞。因此應該考慮設計個電路使得5V 降壓穩定在NRF24L01 正常工作電壓范圍內。LM1117 芯片可以實現降壓的功能，但由于LM1117 本身芯片的結構原因難以在萬能板上焊接，故而只能尋求另一種方法: 直接使用由LM1117 芯片和外圍電路及必要的器件集成的5V 轉3.3V 穩壓模塊來實現NRF24L01 的驅動。

2.7 電源5V 模塊電路

主機系統中，單片機在5V 的電壓環境下可以正常工作，然而查閱GSM 的使用手冊可以得知，GSM 要12V 才能驅動它正常發送短信信息到手機上。考慮到如果用電池的形式給GSM供電，輸出這種電壓的電池價格上比較昂貴。現結合家庭的環境，考慮到家用供電電源，使用一個220V 轉12V 的普通充電器給GSM供電，再將12V 的電壓經LM7805 的降低電壓功能作用，維持到5V 左右保持單片機運行。NRF24L01 的電源輸入還得考慮到，于是再用一個LM1117 電源模塊，為了方便電路的焊接，將LM7805 芯片和LM1117 電源模塊連接起來，達到輸入一個12V 輸入端，一個5V 輸出接口和一個3.3V 輸出端的效果。

3 系統軟件設計

本系統使用單片機來控制個模塊的協同運作，運用較為方便快捷的編程語言C 語言來進行程序的設計編寫，編譯程序軟件采用Keil C 語言來實現。實現程序燒錄的軟件是stc-isp-15xx-v6,操作簡單，燒錄時間不長。系統軟件主要負責不斷檢測與模塊連接引腳的電平，檢測到具體變化就發出聲光報警和通過NRF24L01 發送數據，最終實現GSM發送信息功能。

結束語

本系統電路設計簡單，基本功能是實現火災燃氣類報警和盜賊入侵類報警，但是本系統還有進步和不斷完善的潛力。基于單片機的家庭報警系統的設計基本能實現檢測突發性事件，并很快的用短信通知到遠方的主人。但是，在設計過程中，只有當系統大部分功能完備后才能客觀的發現問題。