【基于单片机的校园报警系统设计7400字（论文）】

基于单片机的校园报警系统设计摘要：本毕业设计为以STM32单片机、GSM模块为核心的校园安全报警系统。现在科技发展迅速，安全防范问题不容忽视，只有保证最基本的安全问题，人们才能够在学习生活中潜下心来，才能够更加安心生活、放心学习。该系统可以方便人们在遇到紧急情况时第一时间进行报警，并且及时得到救助，以确保人身安全问题得到保障。该报警电路具有两个按键，一个为紧急报警键，在遇到危险时可以立即按下按键，蜂鸣器会鸣响，指示灯会常亮，GSM模块会将短信发送到相应手机中；另一个按键为取消报警按键，考虑到在某些情况下人们可能会误触的情形，按下取消键可以立刻取消声光报警，以免对他人造成干扰。GSM模块具有高度成熟性以及可靠性，可以被用于发送短信以及分析事故发生的具体位置，便于更好地实现安全防范功能。关键词：单片机；GSM模块；报警系统目录1引言 21.1课题研究背景及意义 21.2国内外研究现状及趋势 21.3设计任务与要求 32总体设计方案 52.1方案设计思路 52.2总体设计框图 53硬件的设计 73.1单片机最小系统模块 73.2信息传输模块 83.3按键控制电路 103.4报警电路 113.5供电电路 114软件的程序实现 134.1主程序工作流程图 135制作与调试 145.1制作 145.1.1电路板制作 145.1.2电路板焊接 145.1.3电路板调试 14结论 15参考文献 17附录 181引言1.1课题研究背景及意义从古至今，安全防范问题始终是不容忽视的重要问题。在过去，传统的安全装置例如防盗门、防盗窗等等得到人们的青睐，并得到广泛使用。但随着科学技术水平的发展，仅仅是机械类的安全防范装置已经不足以满足人们的生活需求，安全无法得到充分保障，此时电子类安防装置应运而生，通过机械装置与电子技术相结合，可以更好地实现安全保障问题，例如最广泛应用的电子摄像头，它能够监视人们看不到的角落，为人们提供“第三只眼睛”，有效地解决了防范盗窃等问题。此类安防装置广泛应用于公众场合，其中，学校作为广大青少年学习生活的主要场所，其安防问题更是不容小觑，只有保证青少年的身心健康以及安全问题得到实现，社会未来才会越来越美好。因为学校保安人员主要集中在校门口等人员出入场所，虽然也有安保巡逻，但是由于学校场所面积较大，由于部分场所的隐私性，摄像头无法做到充分监视，不能确保安全防范的面面俱到。而且其缺点非常明显，由于人力资源有限，所以安排的工作人员数量非常有限，不能保证所有地方所有角落都能被监控到，而且由于人力成本高昂，对于校方来说也会是一笔较大的开销。[1]此时，报警器的作用就可以充分体现出来了。报警器由于其自身体积小，便于人们携带，在遇到紧急情况时可以立刻按下报警器进行报警，相关人员在接收到报警短信后可以通过分析事故发生的具体地点，立刻采取救助行动。同时，由于通过科技手段实现安防功能，可以降低人力资源的投入，节省成本开销。另外，如果只是使用最原始的安全巡逻方法，在实际中会存在浪费人力资源的问题，而且还很有可能会导致隐私泄露，而且由于种种局限性，不能实时确保人身安全问题。只有在发现问题的同时，也在分析问题并能够准确定位到地点，这样才能够使学生们的安全问题在第一时间得到保障。校园安全报警装置可以起到对学生安全的保障作用，适用于所有学校以及其他公共场所，此设计的广泛普及对于学校安全具有现实意义。[2]1.2国内外研究现状及趋势现在科技发展很快，电子通信技术急速发展，与此同时，单片机的性能也得到了总体性的快速提升。单片机具有体积小、集成度高、成本低和性价比高等优点，使其占据了市场。由单片机构成的嵌入式系统广泛应用于人们的日常生活中，并形成密不可分的关系。当人们为保障家庭安全而烦恼时，购买家庭安全防范装置显然是最有效的选择。生产这方面装置的公司企业拥有最先进的安全设备，能够做到安全、快速有效地监控并且保护自己的家。事实上，报警系统早在上世纪初就已在北美出现，但当时只是一个非常简易的装置，通过报警呼救箱来向附近的警局联系，可以有效保障人们的人身安全。[3]后来随着工业技术手段的发展与革新，更多类型的安防装置出现在大家的眼前，使人们可以根据不同的需求进行相应的选择。目前国外的安防装置也已经发展到了一种非常高的水平，以安防为经营内容的企业，其规模得到了迅速发展，具有成熟的研发技术。美国霍尼韦尔企业是一家知名的高科技制造企业，其推出的产品具有多元化的功能，以及较为完善的安防体系，可以为人们带来舒适便捷的体验，其家庭安全系统具有多个组成部分，将多种技术手段相结合，例如红外线探测、温度感应与短信、声光报警相结合，实现对家庭安全问题的全方位控制。德国西门子公司在面对小区住宅的安全问题时，同样也是如此，并且结合了各业主的需求进行设计。国内家庭报警器都具有具有烟雾感应、红外感应以及温度感应等多种功能，不仅可以在现场进行声光报警，更可以通过联网、短信通讯以及电话报警的方式有效统一地实现联防效果。我国从一开始是采取声控报警的技术手段，但是在当时安全措施知识并未完全普及，所以当时认识到安防重要性的人较少。后来随着发展出红外、声波声控等多种技术，安防知识也得到了普及，更多的小区住宅选择使用了安防装置。[4]随着技术向数字化、集成化以及无线化逐渐趋近，安防技术变得更加可靠，应用更加细化，设计更加智能化、人性化，种类更加多样化，更便于人们进行操作和理解。在国内自动报警系统成为了以监控防火防盗等为内容的自动化管理的重要组成部分，并形成了完善的预防系统，通过对主机功能的不断拓展，进而可以实现更加丰富的功能。目前国内安防技术与国际基本接轨，这同时也标志着我国的安防技术迈进了新的阶段。1.3设计任务与要求（1）该设计包括电路设计以及软件程序设计。以STM32单片机为核心，包括GSM、声光报警等模块。（2）本设计的核心控制采用芯片STM32F103C8T6，GSM模块采用市面上常见的SIM800C模块。当遇到紧急情况时按下报警按键可实现声光报警，指示灯常亮可以便于识别，与此同时GSM模块会发送报警短信到事先设置好的接收报警短信的手机中，而且可以通过GSM模块来分析事故发生的位置，以便第一时间实现救援。同时设置有取消报警按键可以进行取消声光报警。电路原理图采用ProtelDXP工具进行绘制，程序使用KEIL软件进行编制，在毕设过程中逐一完成了功能调试，以增加后期工作的稳定性。该系统降低了实现校园安全问题的成本，节省了人力财力时间等问题，在实际生活中也会得到广泛使用。（3）该系统的设计极大程度地改善了目前校园安全防范的机制，在过去，校园在应对安全问题的解决措施主要以人力为核心的安全巡逻活动为主，但该系统的开发可以改变这一状况，节省人力资源，减少安保人员的数量并将其从巡逻岗位调度到监控岗位，保安人员只需要执行静态监控，而不是原来的巡查方法，提高效率的同时降低了劳动成本，实现精益求精，安全防范不在于投入的人力数量而在于防范的质量。在面对校园安全隐患和意外因素时，校园警报装置的开发和实施具有重要的实用性。

2总体设计方案2.1方案设计思路本设计以32单片机控制为核心，根据系统拟达到的功能，设计有GSM模块、按键控制电路、声光报警电路，以及USB供电电源电路。方案设计框图如图2-1所示。通过按键电路使单片机做出响应，开启声光报警以及报警短信的发送。图2-1方案设计2.2总体设计框图本毕业设计包括电路设计以及程序设计两部分。本设计是利用单片机对声光报警系统进行控制，若有危险事故，可向外界发出声光报警。单片机相当于人类的大脑，是电路中的核心要件，其广泛应用于人们生活中的各个场景。电路设计包括按键控制电路、声光报警电路，以及供电电路。该系统分为两部分，一部分是通过单片机控制实现声光报警，另一部分是短信报警，通过GSM模块和手机进行实现。程序设计要根据需求进行分析，在电路设计完成的基础上进行编制。要先画好程序流程图，有一个大体的框架，再进行详细编制，这同时也可以提高我们结构化思考的能力。总体设计框图如图2-2所示。图2-2总体设计框图3硬件的设计3.1单片机最小系统模块图3-1STM32芯片本设计采用STM32F103C8T6单片机，该单片机为以ARM为核心的32位微处理器，具有低功耗、低成本和高性能的特点，性价比很高。STM32系列产品应用于多种场合，可以应用于PLC、变频器和、医疗和手持设备、GPS平台，还可以应用于警报系统等场合。该单片机具有64K或128K的内置闪存，可以用于存储程序。电源是2.0V-3.6V，一般情况下选取3.3V。该产品具有强大的时钟系统，可以支持4-16M的外部高速晶振，一般是用8M，8M事实上并不低，因为32单片机有内部锁相环，也就是PLL倍频。[5]内部有8MHz的RC振荡器，一般情况下用不到。还有内部40KHz的低速RC振荡器，可以给看门狗提供时钟。外部可以外接32.768K的低速晶振，可以给RTC作为时钟源。在低功耗方面，支持睡眠、停止与待机这三种模式，还可以用后备电池为RTC和备份寄存器供电。外设资源包括AD、DA、DMA、定时器和通信接口等。AD就是模数转换，该型号单片机有两个12位AD，转换范围一般是0-3.6V，如果是用3.3V供电，那么模拟信号量就在0-3.3V之间。因为内部有相应的温度传感器，随着温度不同，输出电压也会不同，这样就可以把内部温度传感器连接到ADC，达到测量温度的目的。内置参考电压。[6]DMA的作用很重要，它是为CPU减负的。DMA通道可以连接到定时器等外设。定时器是很重要的内部资源，基本都是16位的。3.2信息传输模块图3-2GSM模块SIM800C模块可支持四频GSM/GPRS，性能稳定，外观小巧，性价比高，其尺寸可以就满足所用应用中用户对空间尺寸的要求，42引脚的SMT焊盘可以提供模块的所有硬件接口。SIM800C工作频率在850左右MHZ,能以低功耗实现语音，满足紧凑型产品设计需求。该产品具有标准AT命令接口，可以为人们提供GSM语音、短信发送等业务。VBAT模块的电压输入范围为3.4-4.4V，推荐电压为4.0V。模块包含两种省点模式，即休眠模式和最小功能模式，在休眠模式下的模块的耗流值非常小，在模块被设置为最小功能模式并进入休眠模式后，其模块的耗流值最小。另外GSM手机终端在射频信号和蜂窝网下操作，但并不能保证所有情况下都可以连接，如果SIM卡无效或者没有话费，那么是没有用的，而且手机必须要开机并且处于信号足够强的服务区域。[7]■主要特性−四频850/900/1800/1900MHz；−供应电压范围：3.4-4.4V；−低功耗；−操作温度范围：-40~+85°C；■数据传输−GPRSclass12：最大下行速率85.6kbps；−支持PBCCH；−CodingschemesCS1,2,3,4；−PPP-stack；−USSD；■短信−点对点MOandMT；短信广播；文本和PDU模式■接口−42个SMT管脚；支持RTC；−USB接口；串行接口；SIM卡接口（3V/1.8V）；GSM天线pad；BT天线pad■兼容性−ATcellularcommandinterface3.3按键控制电路图3-3按键电路该电路的设计是为了让人们在遇到紧急情况时可以迅速报警来确保自己的人身安全。这里总共设置两个按键，即一个报警键和一个取消报警键。取消报警键的设置原因为，在日常生活中如果有人误触导致发送报警信息，这时可以立刻取消，以免发生不应有的误会、造成不该有的麻烦。S2即为报警键，当紧急情况发生时我们按下报警键，蜂鸣器会开始报警，GSM模块会将短信发送给显示屏，但这时一定要保证信号良好，手机能够正常接收短信。S3即为取消报警键，如果按错了，可以马上按下S3来取消报警。报警短信的发送可以让工作人员马上判断出具体的报警时间。3.4报警电路图3-4声光报警电路报警系统为声光报警电路，本设计中采取发光二极管与蜂鸣器并联，再通过三极管接到单片机引脚上，构成声光报警。因为单片机的引脚电流不足以驱动蜂鸣器这种电流较大的设备，所以需要用三极管，起到扩流作用。R3通过限制电流来保护发光二极管不被烧坏。当PB12输出低电平时，三极管导通，导通时蜂鸣器鸣响，二极管会发光，以此实现声光报警的功能。一端是5V，一端接GND，开始工作；当PB12输出高电平时，三极管截止，此时则不工作。3.5供电电路图3-5USB供电电源电路USB接口非常常见，现在的USB接口基本都有5V2A的负载能力，所以对于一些电源要求不高的设计，都可以用这种电路。电路图的构成是一个电源接口，两个滤波电容，一个电源开关。P1是黑色的圆口，C1、C2是两个滤波的电容，S1是开关。C1是220微法的电解电容，有利于滤除低频杂波。电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号。C2是0.1微法的瓷片电容，有利于滤除高频杂波，瓷片电容是平板结构的电容，这种结构容量小，但容量稳定，使用一个电解电容与一个瓷片电容并联，是让它们“高低搭配”，以取得更好的滤波效果。

4软件的程序实现4.1主程序工作流程图系统的功能是通过硬件电路和软件程序统一结合相实现的。在硬件电路设计完成的基础上，进行软件程序的编制。从功能实现的角度，该系统可以分成声光报警的实现和短信报警的实现。在设计具体程序前，先绘制出相应的流程框图，通过详细分析处理过程，更有利于程序的编制。[8]软件设计可以将需求转换为实际，以模块形式分解并分析问题，将事物抽象化，制定出总体计划，能够更加容易地解决问题并进行深入处理。程序的设计直接影响到了系统的质量。从该框图可以看出，系统会先初始化，在有人按下按键后，GSM模块会将报警短信发送到对应手机上，对应指示灯会点亮，蜂鸣器鸣响，实现短信报警和声光报警的功能。这样做可以有效减少人力成本，减少财力消耗。开始开始系统初始化系统初始化否扫描报警按键是否按下否扫描报警按键是否按下是是GSM模块发送报警短信GSM模块发送报警短信图4-1主程序流程图否是结束取消声光报警检测是否按下取消报警键蜂鸣器鸣响对应指示灯点亮图4-1主程序流程图否是结束取消声光报警检测是否按下取消报警键蜂鸣器鸣响对应指示灯点亮5制作与调试5.1制作5.1.1电路板制作在制作电路板前要做好充分准备，想要做好一块电路板，不仅需要充分掌握电路原理和相关元器件，还要能画好PCB电路图。在绘制之前，需要确定好电路板的尺寸以及具体定位布局，位置和尺寸必须要精确。排放位置要考虑“先整体，后局部”的原则，使元件之间能够排列整齐，节省空间。布线问题非常重要，尤其是对于电源、地线的布局，一般来说二者的宽度应该适当加宽，地线最好要比电源线宽。设计好PCB之后就可以拿去投板了，可以事先通过软件来看3D效果，做出来的效果和3D效果差不多，通过实现模拟可以增加容错率。[9]在制作电路板的过程中需要用到很多工具，主要有覆铜板、焊锡、松香、镊子、万用表等等。需要用到的元件要根据你具体制作什么电路来进行选取。如果是自己简易制作的话要先用马克笔在覆铜板上画出设计的图形，用腐蚀剂把没画过的区域给腐蚀掉，得到我们需要的电路。可以先用铅笔起草图，不起草图也没问题。腐蚀电路时需要把三氯化铁和温水放在一起，等完全溶解后再放入电路板，好了之后用镊子取出，冲洗干净后把马克笔的印记擦掉。然后是焊接问题，需要小心谨慎地进行焊接。5.1.2电路板焊接电路板焊接使用普通电烙铁就可以了，在耗材的选择方面，需要对焊锡、助焊剂和清洁工具进行选择。在焊接时要注意，是否有电路板的铜线存在隔断问题，如果有的话就进行焊锡来实现连接。在焊接过程中需要注意电烙铁头的清洁，如果电烙铁头被氧化腐蚀，会影响焊件和烙铁头之间的热传导。焊锡用量要适中，如果焊锡用量少可能会造成导线的脱落，过多的话可能会造成电路短路，而且也会影响美观。[10]焊锡撤离要及时，否则造成焊料过多或过少。如果焊接时间不足，加热不足，会导致强度不足，电路可能导通不良，可能时通时断。另外焊锡的用量也要适量，如果过量可能会造成接触不良。为了得到良好焊点，对于初学者来说在移开焊点的时候要格外小心，移开方向大致为45°，得到良好焊点可以保证可靠的电气连接以及整齐的外观。如果焊盘上金属镀层不良可能会导致焊点剥落，会导致断路，需要多加注意。5.1.3电路板调试在电路板完成焊接后就可以进行电路板的调试了，调试分为通电前的检测和通电检测。通电前的检测不要急于求成，要检查好连线是否正确，把实际线路与对应原理图相对照进行严格检查，元器件安装是否存在问题，用万用表欧姆档的蜂鸣器进行检测是否接线不良。做好这些检测之后可以进行上电，但上电之后不要急于调试，要先确认电源电压和参考电压是否正常，信号源要加到输入端看输出波形是否正常，还要观察是否存在冒烟、发烫、有气味等问题。如果存在这些问题，要及时切断电源进行检查，以防发生安全事故。在调试过程中如果发生故障，要及时进行排查。对于复杂的电路设计而言，排除故障是很不容易的。一般是用万用表检查静态工作点，也可以用示波器进行测定。可以用短路法或断路法来检查电路，短路法就是临时短接，用来检查断路性故障，断路法用来检查短路线故障。另外由于在测试过程中是直接触摸裸板，这样容易造成电路板的损坏，所以要做到轻拿轻放，要注意在取放的时候是拿住电路板的板边。

结论该毕业设计的内容为校园安全报警装置的设计，以32单片机为核心，实现短信报警和声光报警的功能。该设计有2个按键，S2是报警按键，按下S2后蜂鸣器鸣响，报警短信会发送到相应手机上。S3是取消报警键，如果发生误触可以立刻按下，蜂鸣器会停止鸣响，指示灯会熄灭，既方便又简洁。本设计有效地节省了人力资源，在校园中可以减少安保人员的数量，并将其从巡逻岗位调度到监控岗位，保安人员只需要执行静态监控，而不是原来的巡查方法，提高效率的同时降低了劳动成本，既提高了应对问题的解决效率，又可以极大程度上节约成本。此类装置的研发具有极大程度的现实意义。在设计过程中也遇到了一些问题，例如编制程序时出现了差错，导致无法实现事先预想的功能，这个时候我采取的解决方法