基于單片機自動報警系統的設計

郭家建

（福建船政交通職業學院，福建 福州 350007）

0 引 言

工業自動化系統包含大量設備，長期運行難免出現各種故障，如開關跳閘、電路短路、設備失電等。當系統發生故障時，故障自動報警系統能第一時間發出報警信號，提醒工作人員處理故障。工作人員根據報警信號，在控制臺進行響應，并立即前往現場處理故障，使設備正常運行。隨著社會經濟的發展，科學技術如單片機技術、通信技術與人工智能技術也在不斷發展，報警系統越來越智能化[1-3]。文章主要研究自動報警系統的整體設計和功能，通過硬件和軟件程序的設計，滿足報警系統的功能要求。

1 自動報警系統總體設計方案

自動報警系統由單片機、故障傳感器、響應電路、復位電路、電源電路以及輸出模塊組成。其中復位電路實現報警系統復位功能。當工業自動化系統發生故障時，首先故障傳感器將檢測到的故障信號送至SCT89C52單片機；其次單片機根據故障信號輸出相應的聲光報警控制信號；再次輸出模塊向外界環境發出聲音警示，同時報警指示燈閃爍；最后工作人員按下響應按鈕，聲音警示消失，報警指示燈常亮。若故障修復，則聲音警示消失、報警指示燈熄滅。自動報警系統組成模塊如圖1所示。

圖1 自動報警系統組成模塊

2 自動報警系統硬件設計

設計的自動報警系統核心為單片機。單片機芯片上集成了中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲器、輸入/輸出（Input/Output，I/O）部件以及時鐘電路等，具有優越的性能，已廣泛應用于控制、通信、檢測等領域。單片機具備顯著的應用優勢。第一，體積小、重量輕、價格低以及功能強，易于產品化，可以嵌入各種測控設備和儀器儀表。第二，可靠性高、抗干擾能力強，能適應各種環境。第三，使用方便靈活、通用性強。在開發過程中可以使用C語言進行編程，開發周期短，且具有一定的可移植性。第四，實時控制能力強，可以直接通過I/O口進行各種操作，實時響應事件且處理速度快，具有豐富的控制指令，可以控制邏輯功能較為復雜的系統。第五，低電壓、低功耗，可在5 V、3 V甚至更低的電壓下工作。

設計的基于單片機自動報警系統采用SCT89C52單片機。STC89C52單片機是一種低功耗、高性能的微控制器，擁有8位CPU、8 kb可重復擦寫的Flash閃速存儲器、3個16位定時器/計數器、32條可編程的I/O線（4個8位并行I/O端口）、1個可編程全雙工串行口、512 bits的隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）以及看門狗定時器等部件。單片機自動報警系統的硬件部分由故障傳感器、響應電路、復位電路、電源電路以及輸出模塊組成。

2.1 故障傳感器

故障傳感器通過開關信號來模擬，輸入信號接到單片機P1.7引腳。開關斷開，表示系統無故障，單片機輸入信號為“1”（高電平）；開關閉合，表示系統有故障，單片機輸入信號為“0”（低電平）。

2.2 響應電路

單片機自動報警系統設置有響應按鈕。工業自動化系統發生故障時，報警系統會發出報警信號，工作人員按下響應按鈕，即可關閉報警聲，同時報警指示燈由閃爍變為常亮。響應按鈕作為輸入信號與單片機的P1.0引腳相連。響應按鈕按下，表示工作人員已響應，單片機輸入信號為“0”（低電平）；若響應按鈕未按下，表示工作人員未響應，單片機輸入信號為“1”（高電平）。

2.3 復位電路

單片機自動報警系統設置有復位按鈕。復位按鈕按下，即給單片機復位引腳（RST）輸入高電平，當高電平持續2個機器周期以上，單片機就執行復位操作，實現自動報警系統的復位。

2.4 電源電路

電源電路負責為單片機自動報警系統提供電能，包括單片機和其他硬件組成部分。單片機芯片電源線連接VCC（+5 V）和VSS（地）2個引腳。

2.5 輸出模塊

自動報警系統輸出模塊由發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）電路和聲音報警電路組成。

2.5.1 LED燈電路

設計的基于單片機自動報警系統是聲光報警系統，采用LED燈進行警示，不僅能保證充足的亮度，而且節能。LED燈的陽極接電源，陰極經過電阻連接到單片機P3.0引腳。其中電阻起到限流的作用，電阻的阻值取220 Ω。當單片機的P3.0引腳輸出為0（低電平）時，LED燈點亮；輸出為1（高電平）時，LED燈熄滅。

2.5.2 聲音報警電路

聲音報警電路的發聲裝置選用Buzzer蜂鳴器。蜂鳴器采用一體化結構，使用直流電壓供電，常作發聲器件應用于各種電子產品。蜂鳴器按驅動方式可分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器。其中有源蜂鳴器直接連接額定電源即可連續發聲；而無源蜂鳴器和電磁揚聲器一樣，只有連接音頻輸出電路才能發聲。由于蜂鳴器的工作電流較大，而單片機的I/O口輸出電流較小，無法直接驅動蜂鳴器，需要連接放大電路來驅動，一般使用三極管來放大電流。

文章選用的蜂鳴器為有源蜂鳴器，單片機的P0.7引腳輸出聲音報警控制信號，只需改變該引腳輸出的電平即可控制蜂鳴器。當單片機P0.7引腳輸出為0（低電平）時，三極管導通，蜂鳴器工作，發出聲音；當單片機P0.7引腳輸出為1（高電平）時，三極管截止，蜂鳴器不工作，不發出聲音。

3 自動報警系統軟件設計

單片機自動報警系統功能的實現除了硬件，軟件設計也非常重要。文章采用Keil C51軟件進行軟件編程。Keil C51是美國Keil Software軟件公司開發的基于8051內核的微控制器軟件開發平臺。Keil C51是51系列單片機C語言軟件開發系統，也是目前開發8051內核單片機的主流工具，提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理以及仿真調試器等的完整開發方案[4]。

單片機自動報警系統軟件設計重點是程序的編寫，文章采用C語言進行編程。根據報警系統所要實現的功能，設計程序流程圖。系統整體程序流程如圖2所示。

圖2 系統整體程序流程

依據程序流程圖編寫C語言程序，程序主要包含main主函數和報警函數。其中報警函數主要用于實現報警功能，main主函數則實現系統的初始化和報警函數的調用。利用Keil C51軟件進行調試、編譯，生成.HEX文件。部分程序代碼為

4 自動報警系統仿真

單片機自動報警系統的仿真使用Proteus軟件，該軟件是英國Labcenter Electronics公司開發的EDA工具軟件，可以設計和仿真模擬電路、數字電路，是目前較先進的單片機和嵌入式系統的設計與仿真平臺，也是目前單片機系統設計廣泛使用的仿真軟件[5]。

Proteus軟件具有生動的仿真顯示功能和豐富的元器件庫，擁有超過27 000種元器件[6]。該軟件適用于單片機及其外圍器件的仿真，輸入類器件如矩陣式鍵盤、按鍵、開關等；輸出類器件如LED燈、蜂鳴器、LCD12864/1602液晶顯示屏、數碼管以及點陣屏等。

采用Proteus軟件驗證設計的單片機自動報警系統的仿真電路圖，打開Proteus軟件，將之前生成的.HEX文件導入單片機，然后點擊運行按鈕，開始運行仿真。仿真結果顯示，系統無故障時（即開關處于斷開狀態），蜂鳴器不工作，同時LED燈處于熄滅狀態；當系統出現故障時（即開關處于閉合狀態），蜂鳴器工作，發出報警聲音，同時LED燈處于閃爍狀態；當工作人員按下響應按鈕后（即故障未修復，開關處于閉合狀態），蜂鳴器不工作，同時LED燈處于常亮狀態；當系統故障修復后（即開關處于斷開狀態），報警系統回復為初始狀態，即蜂鳴器不工作，LED燈處于熄滅狀態。仿真運行結果達到預期效果，實現了單片機自動報警系統所需的功能。

5 結 論

設計的基于單片機自動報警系統，主要用于接收故障傳感器的信號，利用單片機處理故障信息，實現系統故障自動報警，同時可以進行故障響應操作。設計的報警系統具有結構簡單、維護成本低、操作簡單以及可靠性高等優勢，可以應用于各類需要進行故障自動報警和故障處理的場景，如自動化生產線、防盜系統、門禁系統等。同時，該系統具有可拓展性，可以根據用戶的需求增加功能，應用前景較為廣闊。