基于單片機的家庭防盜報警系統的設計分析

余金永 鐘祥

摘要：本論文以STM32單片機為核心，設計了一套具有遙控和自動兩種功能的家用防盜報警系統。在硬件設計上，根據系統的功能要求，選取了STM32F103C8T6的最小系統模塊，并對各個傳感器模塊進行了選型，完成了系統的硬件結構設計。通過對傳感器模塊性能的分析，實現了系統的硬件接口。然后根據智云云平臺的特性和優點，實現了手機 APP與智能云平臺的連接。

關鍵詞：智能住宅；防盜報警；STM32；MCU

近年來，無線網絡、5 G移動通信、物聯網等技術迅速發展，并得到政府的大力扶持。以單片機為核心的云計算技術正在逐步滲透到人們的生活中^[1]。該系統具有更豐富的功能，更可靠的性能，更高的性價比，操作和維護更加便捷，無須繁瑣的線路，即可實現家庭安全設備的無線連接^[2]。此外，家用防盜報警系統通過手機App進行報警，更加安全高效。

一、防盜警報系統需求

通常情況下，人們會將貴重物品放在家里，認為家里相對較為安全。但由于無法每天都在家里保護財物，不法分子有機可乘，可能導致財產損失^[3]。為解決這個問題，該系統采用紅外感應器模塊，用于探測特定區域（如窗戶、入戶門等）的“入侵”。當有人進入所設有反射式紅外線感應器的特殊區域時，其紅外線會被反射并被接收器接收。接著，通過運算放大器對信號進行放大，以獲取穩定的電信號?？刂葡到y根據接收到的信號判斷是否有人進入，并通過控制蜂鳴器發出聲音、打開LED指示燈等方式發出警報來報告有人闖入。

二、系統的硬件配置

（一）主控芯片的選用

主控芯片在該系統中扮演著核心的角色，類似于人類的大腦，負責數據的采集、分析、處理和執行^[4]。該系統以STM32F103C8T6單片機為核心，它由時鐘電路、復位電路、電源等組成，并與外部電路相結合。它能夠將傳感器采集到的數據轉化為可識別的格式，實現對家庭環境的監控、集中化顯示和系統的控制。STM32系列微處理器是由ARM公司開發的32位微處理器，其核心是ARM Cortex-M內核^[5]。

（二）系統硬件結構設計

根據整個系統的總體設計，該控制系統的硬件部分采用了STM32單片機以及溫度、濕度、紅外、光敏傳感器等。系統的硬件部分，包括STM32F103C8T6最小系統、電源模塊、OLED顯示模塊、獨立按鍵模塊、紅外、光敏傳感器模塊、繼電器開關控制模塊、聲光報警模塊、WiFi通信模塊^[6]。

三、電路設計

（一）STM32極簡電路設計

STM32系統的電路主要包括：系統時鐘電路、實時時鐘電路、JTAG的接口電路，包括復位和啟動方式選擇。

主要的電路結構和功能如下：

1.時鐘電路

系統的時鐘電路主要是為人體提供節拍，就像是人體的心跳一樣，隨著心跳，血液流向身體各處，這就是系統時鐘的重要性。本系統采用8 M晶振作為時鐘電路。

2.復位電路

復位回路的功能是將系統還原為原始狀態。對于該控制系統，采用的是低電平復位。當在按鍵未被按下時，RESET輸入為高電平，系統處于正常狀態。而當按下一個鍵時，RESET引腳會變為低電平，此時電路發生復位，將系統還原為初始狀態。這樣可以確保在需要時可以將系統重置為可操作狀態。

3.啟動模式電路

通過設定 BOOT 【1：0】管腳，可以選擇3種不同的啟動方式，如圖1中所示。

（二）電源電路設計

該控制系統使用了 USB接口 TTL （PL2303HX）供電模塊，具有3.3V和5V兩種供電電壓選項。它通過RXD、TXD和GND 5個引腳與計算機的USB接口相連。該模塊具有自動回路和過流保護的特點，可以為單片機和多種傳感器功能模塊提供電源。同時，它還可以用作下載器的MCU程序^[7]。在電源供電時，該模塊的5V和GND引腳需連接到STM32 MCU最小系統的VCC-5V和GND引腳。為提高電源的穩定性，可以在STM32 VCC-5V和GND引腳之間添加一個470μF的電解電容，以確保系統的穩定工作。這樣可以提供穩定的電源供應，確保系統正常運行。

（三）OLED電路設計

該控制系統采用OLED12864 LCD顯示屏作為顯示設備，實現了人機交互功能。

OLED12864 LCD顯示系統具有無背景照明、高反差、高亮度、超薄、大視角、快速反應能力，同時具有廣泛的工作溫度范圍、大面積顯示、成本低、使用壽命長、結構及制程簡單等優點，被視為繼 LCD、等離子顯示器后的新一代平板顯示產品及技術^[8]。自21世紀起，基于 OLED技術的新一代顯示和發光產業以及產業鏈迅速發展，受到了世界各地的廣泛關注和應用。OLED12864 LCD顯示屏內部還具有8個存儲器，可以存儲漢字，并且可以直接顯示已儲存的漢字。這意味著不需要額外添加其他液晶組件作為顯示器，既節省了成本，又易于使用。這使得OLED12864 LCD顯示屏成為許多應用領域的理想選擇。

OLED顯示模塊共有4種不同的界面模式，可以根據BS1/BS2來設定。接口方式有：并行接口6800和8080，4線串行 SPI接口和 IIC接口。針對該控制系統的具體應用，采用4針 IIC接口的 OLED顯示屏，其線跡和相應的連接方法如下：

VCC：供電3.3伏；

GND：接地；

SCL：IIC時鐘線路，與STM32微處理器PA7端口相連接；

SDA：IIC數據線路，與STM32微處理器PA6端口相連接。

（四）獨立按鍵模組電路設計

單鍵的特點是結構簡單，單獨的鍵入模式在使用時，需要有一個鍵與I/O端口相對應，在按下按鈕的同時，I/O端口的電壓也會隨之改變^[9]。該獨立按鍵電路以輸入/輸出端口的預設狀態為高，在按下按鈕時，輸入/輸出端口的電平會降低，相應的 I/O端口的輸出水平也會隨之改變，也就是鍵按下時的Low，鍵不按下時就是高電平。單片機是根據輸入輸出信號的高低電平來完成按鍵功能的。

（五）紅外防盜系統電路設計

反射式紅外感應器的探測原理如下：感應器上配備了一根白光發射管和一根黑光接收管。在正常情況下，白光發射管發出的紅外線不會被目標物體反射回來，因此接收器的輸出為高電平。但當有目標物體進入感應器范圍時，白光發射管發出的紅外光會被目標物體反射到黑光接收管上^[10]。這種反射會導致接收器接收到紅外光，并改變其輸出狀態。通過STM32上的PB15接口，可以檢測到是否發生入侵。一旦檢測到有人入侵，系統會自動發出警報，并且LED燈會閃爍。圖2顯示了反射型紅外防盜傳感器的電路原理。

（六）射線探測組件的電路設計

該系統采用了光電傳感器的數字信號輸出方式。在 DO方式下，通過一個感光電阻器和一個10 KQ的電阻構成一個分壓回路，將信號輸出到運放 LM 393的逆向輸入端，并通過調整電位計VR1，以提供給運放的比較電壓，用于對輸入信號進行比較。運放對輸入信號進行放大處理后，DO端輸出一個高或低電平的數字信號。當周圍的光照強度沒有達到設置的閾值時，感光傳感器模塊 DO端輸出一個高電平的信號，LED顯示關閉狀態；當周圍的光照強度超過設定門限時，感光傳感器模塊的DO端輸出低電平信號，LED顯示亮起。DO的輸出直接與STM32的PB4接口連接，CU可以檢測DO端的高低電平，從而判斷周圍光強度。在布簾繼電器切換控制模塊啟動狀態下，可以直接驅動該繼電器模塊工作，實現窗簾的自動開啟。通過旋轉電位器可以調整感光元件的靈敏度。圖3顯示了光電傳感器組件的物理結構和光電探測電路的原理圖。

（七）聲光報警器的電路設計

該系統采用了S8550PNP三極管作為開關，并與STM32單片機的PB10GPIO端口相連，通過PB10輸出高低電平來控制開關。系統還配備了LED告警指示燈，與STM32的PB11GPIO接口相連，通過PB11的輸出高低電平來控制LED指示燈的狀態。在STM32單片機PB10輸出高的情況下， PNP三極管的基極電壓比集電極高，三極管處于接通狀態，觸發了蜂鳴器的警報；PNP三極管在STM32PB10輸出為低的情況下，不能觸發蜂鳴器的警報。在STM32單片機PB11輸出高時， LED告警指示燈為倒相關斷， LED告警燈熄滅；在STM32單片機PB11輸出到低壓時， LED告警指示器接通， LED告警指示燈被點亮。通過對檢測到的反光紅外感應器進行檢測，在防盜達到報警功能的觸發狀態時，通過 LED報警器和蜂鳴器來進行報警。

四、防盜警報系統的試驗

在該控制系統中，使用了反射式紅外感應器來實現防盜報警功能。當有人進入感應范圍時，紅外感應器會立即檢測到，并自動識別。作為反應，系統會觸發蜂鳴器和LED指示燈，從而實現聲光報警功能。在進行防盜報警功能試驗時，如果你將手放在紅外感應器上方，系統立即會有相應的響應。蜂鳴器會發出聲音，LED指示燈也會亮起，以進行聲光報警。這些反應表明系統成功地實現了防盜警報功能，并能夠及時地發現并提示有人進入感應范圍。這種反射式紅外感應器和控制系統是一種常用的防盜警報解決方案，具有快速響應和可靠性的特點。它在許多安全領域得到廣泛應用，提供有效的防護手段。

五、結束語

通過使用反射式紅外感應器和相應的控制系統，成功實現了防盜報警的功能。該系統在檢測到有人進入感應范圍時，能夠立即觸發蜂鳴器和LED指示燈進行聲光報警，提供了有效的防護手段。這種基于紅外技術的防盜系統具有快速響應、可靠性高的特點，為安全防護領域帶來了重要的應用價值。通過這樣的技術創新和應用，能夠給人們提供一個安全可靠的環境，更好地保護財產和人身安全。

作者單位：余金永 鐘祥 廣西城市職業大學

參? 考? 文? 獻

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基金項目：2020年度廣西城市職業大學校級科研項目；光控聲光報警裝置的應用研究（GXCVUKY2020B028）。

余金永（1983.11-）男，漢族，河南南陽，大學本科，副教授，研究方向：控制工程。