基于STC单片机的家用安全报警器设计与实现

Design and Realization of Home Security Alarm Based on STC MCU

摘要: 本文以STC89C52单片机系统为控制处理平台，气敏传感器对气体浓度进行自动采样，转换芯片将采样信息进行模数信号转换，并反馈给单片机判断，当实时采样浓度低于报警值时，绿灯亮红灯熄灭；当浓度超过报警值，绿灯熄灭红灯亮，单片机控制负载电路，控制电磁阀关闭气体通道以及打开电扇设备，蜂鸣器报警；同时GSM装置向用户手机发送报警短信。通过编程和Proteus仿真实验，设计一款成本低，准确性较高的燃气安全报警器。

Abstract: In this paper, the STC89C52 single-chip microcomputer system as a control and processing platform, gas-sensitive sensors for automatic sampling of gas concentration, the conversion chip will be sampling information for analog-to-digital signal conversion, and feedback to the single-chip microcomputer to determine when the real-time sampling concentration is lower than the alarm value, the green light is on the red light is off; when the concentration is more than the alarm value, the green light is off the red light is on, the MCU to control the load circuit to control the solenoid valve closes the gas channel as well as open the fan device, buzzer alarm; at the same time the GSM device to the user’s cell phone to send an alarm SMS. Through programming and Proteus simulation experiments, design a low-cost, high accuracy gas safety alarm.

1. 引言

近些年来，随着全国各类大中型城市能源燃气工程得到进一步的综合开发与研究推广，由于缺乏安全意识导致煤气泄漏的中毒以及火灾事故经常发生，燃气报警器设计与实现具有重要的现实意义[1]。

目前，报警系统可用于防盗锁、水位检测、空气质量、火灾等各种场合形式，避免事故发生，大连交通大学李华[2]提出基于最小二乘法的补偿算法，对环境温湿度以及H₂浓度变化后的测量数据进行处理，使得MQ-7测量结果补偿后测量准确度达到97%以上；河北工程大学潘玮炜[3]利用硅光电池的光电效应，采用光纤激光器作为系统光源以消除环境因素的影响，设计一种基于单片机的光纤烟雾浓度火灾检测系统；青岛恒星科技研究院陈娜[4]通过单片机与温度传感器、红外传感器实现通信机房的安全报警，避免火灾及信息泄露的危险；空装驻北京地区第一军事代表室张斌[5]基于STC单片机设计一款温度自动报警装置，避免温度过高引起事故发生；廊坊新奥燃气设备有限公司的李龙[6]提出一种智能燃气表和报警器的联合系统，智能燃气表和报警器通过低功耗蓝牙无线通信进行数据交互，通过报警器中的内置GPRS模块与燃气公司服务器进行通信，实现报警功能；延安大学物理与电子信息学院的刘巧平[7]利用Proteus软件基于CO传感器设计并实现具有报警功能的报警器，但不能通过GSM装置报警；宝鸡文理学院计算机学院孙瑾[8]设计出检测室内有毒气体PM_2.5的报警器，并通过净化设备来提高家中空气质量确保健康的生活环境。

本文提出的基于STC89C52单片机的安全报警器系统设计，在完成keil5编程与Proteus仿真进行数字模拟实验的基础上，并进行实物测试，测试结果符合预期实际，在安全报警、成本控制方面有一定的应用价值。

2. 系统整体结构设计

2.1. 系统检测与方法

家用燃气安全报警系统应具备检测空气中的燃气泄漏程度，以及报警提醒等主要功能。此外还应该具有关闭燃气管道阀门，开启排气风扇等辅助作用。

通过气体传感器检测外界环境泄露的浓度，检测结果为模拟信号。再经过模数转换电路换成单片机能识别的数字信息后，再反馈给STC单片机，单片机对该信号做出判断，并进行大数据分析后，与设定的报警值相比较，当低于报警值时，系统正常。反之，立即关掉煤气管道的电磁控制器，衔铁的吸合接通排气扇，把有害气体全部排除室外，同时蜂鸣器电路报警，提醒用户煤气发生泄露。此外，GSM装置还会立即向用户手机发送报警短信提醒，达到双重报警效果。

2.2. 系统总体设计

家用燃气安全报警系统整体设计方案如图1所示，该项目主体设计部分包括：

(1) 硬件部分：STC单片机控制电路、浓度检测电路、显示电路、按键电路、声光报警、GSM电路。

(2) 软件部分：采用keil5和Proteus软件对系统进行程序编程和电路仿真。

(3) 系统调试和分析：软硬件初步完成后，对系统分布进行模块化测试和整体测试，分析系统的实用性，进行后期调整和改善。

Figure 1. System architecture block diagram

图1. 系统结构框图

3. 系统硬件设计与软件编程

3.1. 硬件设计

3.1.1. 主控制系统电路

该系统采用STC89C52微处理器单片机作为控制器，单片机系统电路原理图如图2所示。

Figure 2. Single-chip microcomputer system circuit schematic

图2. 单片机系统电路原理图

3.1.2. 检测电路

检测电路包括传感器检测和模数转换电路，MQ-7气体传感器将采集的浓度数字信号信息输入给ADC0832模块，并将采集的数字信号经过转换器变为电信号反馈到单片机，电路图如图3所示。

Figure 3. Concentration detection circuit schematic

图3. 浓度检测电路原理图

3.1.3. GSM装置

无线装置采用SIM800C芯片，单片机和SIM800C通信时需要使用AT命令即可，最后调用发送代码发送信息内容，电路原理图如图4所示。

Figure 4. GSM circuit schematic

图4. GSM电路原理图

3.1.4. 显示电路

显示模块采用LCD1602，是一种通用字符型的液晶显示屏，电路图如图5所示。

Figure 5. Display circuit schematic

图5. 显示电路原理图

3.1.5. 声光报警

单片机P1.0、P1.1、P2.1脚分别依次连接红灯、绿灯、蜂鸣器部件。当前浓度值小于报警值时，P1.0引脚输入高电平、P1.1引脚输入低电平、P2.1引脚输入高电平，绿色二极管点亮，红灯以及蜂鸣器关闭；当浓度值超过报警值时，此P2.1、P1.0引脚输入低电平，P1.1引脚高电平，红色二极管常亮以及蜂鸣器报警，电路图如图6所示。

Figure 6. Sound and light alarm circuit schematic diagram

图6. 声光报警电路原理图

3.1.6. 按键电路

本次设计中仅使用三个按键，选择的是独立按键。按键S1、S2、S3分别依次连接到STC89C52单片机芯片的P2.2、P2.3、P2.4引脚，执行切换页面功能和上下加减调节报警值，电路原理图如图7所示。

Figure 7. Button circuit schematic

图7. 按键电路原理图

3.1.7. 风扇电路

当检测浓度超过报警值时，单片机控制P1.2引脚口输出为低电平，继电器衔铁吸合后带动排气扇运转。当浓度低于报警值时，排气风扇不工作，风扇电路图如图8所示。

Figure 8. Fan circuit schematic diagram

图8. 风扇电路原理图

3.2. 软件设计

本系统由检测，浓度设定控制，报警等内容通过keil5完成软件编程，系统软件流程图如图9所示。

Figure 9. System software flowchart

图9. 系统软件流程图

4. 仿真及实物试验

4.1. 仿真实验

为验证系统方案可行性，通过Proteus软件仿真，将提前写好的仿真程序添加到单片机中，然后点击运行按钮，通过显示屏可以看到设置的CO的最大值为2 mg/m3，此时将CO的浓度调高为2.01 mg/m3，红色指示灯点亮，蜂鸣器进行报警，风扇进行转动，模拟手机接收到CO high的信息，仿真结果显示本文的设计总体方案可以实现安全报警功能，仿真测试如图10所示。

Figure 10. CO above set point

图10. CO高于设定值

4.2. 实物制作

检查各元件都完好并且可以运行时，按原理图的位置放好各元件，由易到难，依次焊接。安装焊接完成后整体如图11所示。

Figure 11. Physical welding diagram

图11. 实物焊接图

4.3. 系统调试

调试过程中，首先要检测硬件电路设计的合理性、实现方法的可行性等等；整体检查完成后，采用分块调试的方法，首先烧入液晶显示程序，检查显示是否正常，若正常，然后依次气体传感器、报警电路以及单片机控制电路进行检测，对每个模块进行调试的过程中采用了局部到整体测试方法，并将各个模块整合成一个整体。具体调试方法，如表1所示。

Table 1. System commissioning

表1. 系统调试

测试项目	测试方法	测试结果
显示模块	是否显示浓度	成功
检测模块	是否检测出当前浓度	成功
报警模块	CO超过设定值，红灯亮，蜂鸣器报警	成功

4.4. 系统测试

为保证实验安全准确性，实验在相对密闭的环境下进行。将装有CO的容器靠近气体传感器模拟环境中浓度泄漏，浓度初始值设定为0.21 mg/m³，将提前写好的程序下载到单片机中，系统实物通电后，通过容器气体释放来模拟改变环境中CO浓度，系统设置的CO浓度报警值为0.49 mg/m³。

测试过程中，当检测CO的浓度为低于设定报警值0.49 mg/m³时，此时绿色的指示灯常亮，蜂鸣器不工作，电扇处于关闭状态，此时显示浓度为0.3 mg/m³，如图12所示。

Figure 12. System not alarmed

图12. 系统未报警

Figure 13. System alarms

图13. 系统报警

测试过程中，当检测CO的浓度为超过设定报警值0.49 mg/m³时，此时红色的指示灯闪烁，蜂鸣器报警，电扇处于工作状态，驱散有毒气体，此时显示浓度为0.50 mg/m³，如图13所示。

将采集到的实时数据进行分析可知，初始浓度为0.21 mg/m³，随着模拟实验的进行，CO浓度逐渐升高，低于系统警戒值时，系统未报警，当浓度超过设定值0.49 mg/m³，系统报警，风扇开启，模拟气体浓度值逐渐降低，显示结果表明该系统可靠性高、工作稳定，符合设计要求，如图14和表2所示。

Figure 14. CO concentration data detection

图14. CO浓度数据检测

Table 2. Test results

表2. 测试结果

检测浓度	报警器状态	继电器及风扇状态
0.21 mg/m^3	绿灯常亮、蜂鸣器停	触点断开、风扇关闭
0.29 mg/m^3	绿灯常亮、蜂鸣器停	触点断开、风扇关闭
0.34 mg/m^3	绿灯常亮、蜂鸣器停	触点断开、风扇关闭
0.40 mg/m^3	绿灯常亮、蜂鸣器停	触点断开、风扇关闭
0.47 mg/m^3	绿灯常亮、蜂鸣器停	触点断开、风扇关闭
0.50 mg/m^3	红灯闪烁、蜂鸣器报警	触点闭合、风扇开启

5. 结论

本文以STC89C52单片机为控制器、MQ-7气体检测器，并以此为基础完模数转换、液晶显示、声光报警、串口通信等电路机完成家用安全报警器系统设计，在完成Proteus仿真验证的基础上，进行实物系统的硬件制作及软件编程，测试结果显示：随着检测浓度逐渐升高，检测浓度低于浓度报警值0.49 mg/m³，系统处于正常工作状态，超过浓度报警值0.49 mg/m³，进行声光报警且发送短信提醒，满足设计要求。实验证明，该报警系统性能良好，具有较高的可靠性和灵敏度，操作简单，通用性强，具有一定的工程价值和推广价值。