基于單片機的校園報警系統設計摘要：本畢業設計為以STM32單片機、GSM模塊為核心的校園安全報警系統。現在科技發展迅速，安全防范問題不容忽視，只有保證最基本的安全問題，人們才能夠在學習生活中潛下心來，才能夠更加安心生活、放心學習。該系統可以方便人們在遇到緊急情況時第一時間進行報警，并且及時得到救助，以確保人身安全問題得到保障。該報警電路具有兩個按鍵，一個為緊急報警鍵，在遇到危險時可以立即按下按鍵，蜂鳴器會鳴響，指示燈會常亮，GSM模塊會將短信發送到相應手機中；另一個按鍵為取消報警按鍵，考慮到在某些情況下人們可能會誤觸的情形，按下取消鍵可以立刻取消聲光報警，以免對他人造成干擾。GSM模塊具有高度成熟性以及可靠性，可以被用于發送短信以及分析事故發生的具體位置，便于更好地實現安全防范功能。關鍵詞：單片機；GSM模塊；報警系統目錄1引言 21.1課題研究背景及意義 21.2國內外研究現狀及趨勢 21.3設計任務與要求 32總體設計方案 52.1方案設計思路 52.2總體設計框圖 53硬件的設計 73.1單片機最小系統模塊 73.2信息傳輸模塊 83.3按鍵控制電路 103.4報警電路 113.5供電電路 114軟件的程序實現 134.1主程序工作流程圖 135制作與調試 145.1制作 145.1.1電路板制作 145.1.2電路板焊接 145.1.3電路板調試 14結論 15參考文獻 17附錄 181引言1.1課題研究背景及意義從古至今，安全防范問題始終是不容忽視的重要問題。在過去，傳統的安全裝置例如防盜門、防盜窗等等得到人們的青睞，并得到廣泛使用。但隨著科學技術水平的發展，僅僅是機械類的安全防范裝置已經不足以滿足人們的生活需求，安全無法得到充分保障，此時電子類安防裝置應運而生，通過機械裝置與電子技術相結合，可以更好地實現安全保障問題，例如最廣泛應用的電子攝像頭，它能夠監視人們看不到的角落，為人們提供“第三只眼睛”，有效地解決了防范盜竊等問題。此類安防裝置廣泛應用于公眾場合，其中，學校作為廣大青少年學習生活的主要場所，其安防問題更是不容小覷，只有保證青少年的身心健康以及安全問題得到實現，社會未來才會越來越美好。因為學校保安人員主要集中在校門口等人員出入場所，雖然也有安保巡邏，但是由于學校場所面積較大，由于部分場所的隱私性，攝像頭無法做到充分監視，不能確保安全防范的面面俱到。而且其缺點非常明顯，由于人力資源有限，所以安排的工作人員數量非常有限，不能保證所有地方所有角落都能被監控到，而且由于人力成本高昂，對于校方來說也會是一筆較大的開銷。[1]此時，報警器的作用就可以充分體現出來了。報警器由于其自身體積小，便于人們攜帶，在遇到緊急情況時可以立刻按下報警器進行報警，相關人員在接收到報警短信后可以通過分析事故發生的具體地點，立刻采取救助行動。同時，由于通過科技手段實現安防功能，可以降低人力資源的投入，節省成本開銷。另外，如果只是使用最原始的安全巡邏方法，在實際中會存在浪費人力資源的問題，而且還很有可能會導致隱私泄露，而且由于種種局限性，不能實時確保人身安全問題。只有在發現問題的同時，也在分析問題并能夠準確定位到地點，這樣才能夠使學生們的安全問題在第一時間得到保障。校園安全報警裝置可以起到對學生安全的保障作用，適用于所有學校以及其他公共場所，此設計的廣泛普及對于學校安全具有現實意義。[2]1.2國內外研究現狀及趨勢現在科技發展很快，電子通信技術急速發展，與此同時，單片機的性能也得到了總體性的快速提升。單片機具有體積小、集成度高、成本低和性價比高等優點，使其占據了市場。由單片機構成的嵌入式系統廣泛應用于人們的日常生活中，并形成密不可分的關系。當人們為保障家庭安全而煩惱時，購買家庭安全防范裝置顯然是最有效的選擇。生產這方面裝置的公司企業擁有最先進的安全設備，能夠做到安全、快速有效地監控并且保護自己的家。事實上，報警系統早在上世紀初就已在北美出現，但當時只是一個非常簡易的裝置，通過報警呼救箱來向附近的警局聯系，可以有效保障人們的人身安全。[3]后來隨著工業技術手段的發展與革新，更多類型的安防裝置出現在大家的眼前，使人們可以根據不同的需求進行相應的選擇。目前國外的安防裝置也已經發展到了一種非常高的水平，以安防為經營內容的企業，其規模得到了迅速發展，具有成熟的研發技術。美國霍尼韋爾企業是一家知名的高科技制造企業，其推出的產品具有多元化的功能，以及較為完善的安防體系，可以為人們帶來舒適便捷的體驗，其家庭安全系統具有多個組成部分，將多種技術手段相結合，例如紅外線探測、溫度感應與短信、聲光報警相結合，實現對家庭安全問題的全方位控制。德國西門子公司在面對小區住宅的安全問題時，同樣也是如此，并且結合了各業主的需求進行設計。國內家庭報警器都具有具有煙霧感應、紅外感應以及溫度感應等多種功能，不僅可以在現場進行聲光報警，更可以通過聯網、短信通訊以及電話報警的方式有效統一地實現聯防效果。我國從一開始是采取聲控報警的技術手段，但是在當時安全措施知識并未完全普及，所以當時認識到安防重要性的人較少。后來隨著發展出紅外、聲波聲控等多種技術，安防知識也得到了普及，更多的小區住宅選擇使用了安防裝置。[4]隨著技術向數字化、集成化以及無線化逐漸趨近，安防技術變得更加可靠，應用更加細化，設計更加智能化、人性化，種類更加多樣化，更便于人們進行操作和理解。在國內自動報警系統成為了以監控防火防盜等為內容的自動化管理的重要組成部分，并形成了完善的預防系統，通過對主機功能的不斷拓展，進而可以實現更加豐富的功能。目前國內安防技術與國際基本接軌，這同時也標志著我國的安防技術邁進了新的階段。1.3設計任務與要求（1）該設計包括電路設計以及軟件程序設計。以STM32單片機為核心，包括GSM、聲光報警等模塊。（2）本設計的核心控制采用芯片STM32F103C8T6，GSM模塊采用市面上常見的SIM800C模塊。當遇到緊急情況時按下報警按鍵可實現聲光報警，指示燈常亮可以便于識別，與此同時GSM模塊會發送報警短信到事先設置好的接收報警短信的手機中，而且可以通過GSM模塊來分析事故發生的位置，以便第一時間實現救援。同時設置有取消報警按鍵可以進行取消聲光報警。電路原理圖采用ProtelDXP工具進行繪制，程序使用KEIL軟件進行編制，在畢設過程中逐一完成了功能調試，以增加后期工作的穩定性。該系統降低了實現校園安全問題的成本，節省了人力財力時間等問題，在實際生活中也會得到廣泛使用。（3）該系統的設計極大程度地改善了目前校園安全防范的機制，在過去，校園在應對安全問題的解決措施主要以人力為核心的安全巡邏活動為主，但該系統的開發可以改變這一狀況，節省人力資源，減少安保人員的數量并將其從巡邏崗位調度到監控崗位，保安人員只需要執行靜態監控，而不是原來的巡查方法，提高效率的同時降低了勞動成本，實現精益求精，安全防范不在于投入的人力數量而在于防范的質量。在面對校園安全隱患和意外因素時，校園警報裝置的開發和實施具有重要的實用性。

2總體設計方案2.1方案設計思路本設計以32單片機控制為核心，根據系統擬達到的功能，設計有GSM模塊、按鍵控制電路、聲光報警電路，以及USB供電電源電路。方案設計框圖如圖2-1所示。通過按鍵電路使單片機做出響應，開啟聲光報警以及報警短信的發送。圖2-1方案設計2.2總體設計框圖本畢業設計包括電路設計以及程序設計兩部分。本設計是利用單片機對聲光報警系統進行控制，若有危險事故，可向外界發出聲光報警。單片機相當于人類的大腦，是電路中的核心要件，其廣泛應用于人們生活中的各個場景。電路設計包括按鍵控制電路、聲光報警電路，以及供電電路。該系統分為兩部分，一部分是通過單片機控制實現聲光報警，另一部分是短信報警，通過GSM模塊和手機進行實現。程序設計要根據需求進行分析，在電路設計完成的基礎上進行編制。要先畫好程序流程圖，有一個大體的框架，再進行詳細編制，這同時也可以提高我們結構化思考的能力。總體設計框圖如圖2-2所示。圖2-2總體設計框圖3硬件的設計3.1單片機最小系統模塊圖3-1STM32芯片本設計采用STM32F103C8T6單片機，該單片機為以ARM為核心的32位微處理器，具有低功耗、低成本和高性能的特點，性價比很高。STM32系列產品應用于多種場合，可以應用于PLC、變頻器和、醫療和手持設備、GPS平臺，還可以應用于警報系統等場合。該單片機具有64K或128K的內置閃存，可以用于存儲程序。電源是2.0V-3.6V，一般情況下選取3.3V。該產品具有強大的時鐘系統，可以支持4-16M的外部高速晶振，一般是用8M，8M事實上并不低，因為32單片機有內部鎖相環，也就是PLL倍頻。[5]內部有8MHz的RC振蕩器，一般情況下用不到。還有內部40KHz的低速RC振蕩器，可以給看門狗提供時鐘。外部可以外接32.768K的低速晶振，可以給RTC作為時鐘源。在低功耗方面，支持睡眠、停止與待機這三種模式，還可以用后備電池為RTC和備份寄存器供電。外設資源包括AD、DA、DMA、定時器和通信接口等。AD就是模數轉換，該型號單片機有兩個12位AD，轉換范圍一般是0-3.6V，如果是用3.3V供電，那么模擬信號量就在0-3.3V之間。因為內部有相應的溫度傳感器，隨著溫度不同，輸出電壓也會不同，這樣就可以把內部溫度傳感器連接到ADC，達到測量溫度的目的。內置參考電壓。[6]DMA的作用很重要，它是為CPU減負的。DMA通道可以連接到定時器等外設。定時器是很重要的內部資源，基本都是16位的。3.2信息傳輸模塊圖3-2GSM模塊SIM800C模塊可支持四頻GSM/GPRS，性能穩定，外觀小巧，性價比高，其尺寸可以就滿足所用應用中用戶對空間尺寸的要求，42引腳的SMT焊盤可以提供模塊的所有硬件接口。SIM800C工作頻率在850左右MHZ,能以低功耗實現語音，滿足緊湊型產品設計需求。該產品具有標準AT命令接口，可以為人們提供GSM語音、短信發送等業務。VBAT模塊的電壓輸入范圍為3.4-4.4V，推薦電壓為4.0V。模塊包含兩種省點模式，即休眠模式和最小功能模式，在休眠模式下的模塊的耗流值非常小，在模塊被設置為最小功能模式并進入休眠模式后，其模塊的耗流值最小。另外GSM手機終端在射頻信號和蜂窩網下操作，但并不能保證所有情況下都可以連接，如果SIM卡無效或者沒有話費，那么是沒有用的，而且手機必須要開機并且處于信號足夠強的服務區域。[7]■主要特性?四頻850/900/1800/1900MHz；?供應電壓范圍：3.4-4.4V；?低功耗；?操作溫度范圍：-40~+85°C；■數據傳輸?GPRSclass12：最大下行速率85.6kbps；?支持PBCCH；?CodingschemesCS1,2,3,4；?PPP-stack；?USSD；■短信?點對點MOandMT；短信廣播；文本和PDU模式■接口?42個SMT管腳；支持RTC；?USB接口；串行接口；SIM卡接口（3V/1.8V）；GSM天線pad；BT天線pad■兼容性?ATcellularcommandinterface3.3按鍵控制電路圖3-3按鍵電路該電路的設計是為了讓人們在遇到緊急情況時可以迅速報警來確保自己的人身安全。這里總共設置兩個按鍵，即一個報警鍵和一個取消報警鍵。取消報警鍵的設置原因為，在日常生活中如果有人誤觸導致發送報警信息，這時可以立刻取消，以免發生不應有的誤會、造成不該有的麻煩。S2即為報警鍵，當緊急情況發生時我們按下報警鍵，蜂鳴器會開始報警，GSM模塊會將短信發送給顯示屏，但這時一定要保證信號良好，手機能夠正常接收短信。S3即為取消報警鍵，如果按錯了，可以馬上按下S3來取消報警。報警短信的發送可以讓工作人員馬上判斷出具體的報警時間。3.4報警電路圖3-4聲光報警電路報警系統為聲光報警電路，本設計中采取發光二極管與蜂鳴器并聯，再通過三極管接到單片機引腳上，構成聲光報警。因為單片機的引腳電流不足以驅動蜂鳴器這種電流較大的設備，所以需要用三極管，起到擴流作用。R3通過限制電流來保護發光二極管不被燒壞。當PB12輸出低電平時，三極管導通，導通時蜂鳴器鳴響，二極管會發光，以此實現聲光報警的功能。一端是5V，一端接GND，開始工作；當PB12輸出高電平時，三極管截止，此時則不工作。3.5供電電路圖3-5USB供電電源電路USB接口非常常見，現在的USB接口基本都有5V2A的負載能力，所以對于一些電源要求不高的設計，都可以用這種電路。電路圖的構成是一個電源接口，兩個濾波電容，一個電源開關。P1是黑色的圓口，C1、C2是兩個濾波的電容，S1是開關。C1是220微法的電解電容，有利于濾除低頻雜波。電解電容的作用是過濾掉電流中的低頻信號。C2是0.1微法的瓷片電容，有利于濾除高頻雜波，瓷片電容是平板結構的電容，這種結構容量小，但容量穩定，使用一個電解電容與一個瓷片電容并聯，是讓它們“高低搭配”，以取得更好的濾波效果。

4軟件的程序實現4.1主程序工作流程圖系統的功能是通過硬件電路和軟件程序統一結合相實現的。在硬件電路設計完成的基礎上，進行軟件程序的編制。從功能實現的角度，該系統可以分成聲光報警的實現和短信報警的實現。在設計具體程序前，先繪制出相應的流程框圖，通過詳細分析處理過程，更有利于程序的編制。[8]軟件設計可以將需求轉換為實際，以模塊形式分解并分析問題，將事物抽象化，制定出總體計劃，能夠更加容易地解決問題并進行深入處理。程序的設計直接影響到了系統的質量。從該框圖可以看出，系統會先初始化，在有人按下按鍵后，GSM模塊會將報警短信發送到對應手機上，對應指示燈會點亮，蜂鳴器鳴響，實現短信報警和聲光報警的功能。這樣做可以有效減少人力成本，減少財力消耗。開始開始系統初始化系統初始化否掃描報警按鍵是否按下否掃描報警按鍵是否按下是是GSM模塊發送報警短信GSM模塊發送報警短信圖4-1主程序流程圖否是結束取消聲光報警檢測是否按下取消報警鍵蜂鳴器鳴響對應指示燈點亮圖4-1主程序流程圖否是結束取消聲光報警檢測是否按下取消報警鍵蜂鳴器鳴響對應指示燈點亮5制作與調試5.1制作5.1.1電路板制作在制作電路板前要做好充分準備，想要做好一塊電路板，不僅需要充分掌握電路原理和相關元器件，還要能畫好PCB電路圖。在繪制之前，需要確定好電路板的尺寸以及具體定位布局，位置和尺寸必須要精確。排放位置要考慮“先整體，后局部”的原則，使元件之間能夠排列整齊，節省空間。布線問題非常重要，尤其是對于電源、地線的布局，一般來說二者的寬度應該適當加寬，地線最好要比電源線寬。設計好PCB之后就可以拿去投板了，可以事先通過軟件來看3D效果，做出來的效果和3D效果差不多，通過實現模擬可以增加容錯率。[9]在制作電路板的過程中需要用到很多工具，主要有覆銅板、焊錫、松香、鑷子、萬用表等等。需要用到的元件要根據你具體制作什么電路來進行選取。如果是自己簡易制作的話要先用馬克筆在覆銅板上畫出設計的圖形，用腐蝕劑把沒畫過的區域給腐蝕掉，得到我們需要的電路。可以先用鉛筆起草圖，不起草圖也沒問題。腐蝕電路時需要把三氯化鐵和溫水放在一起，等完全溶解后再放入電路板，好了之后用鑷子取出，沖洗干凈后把馬克筆的印記擦掉。然后是焊接問題，需要小心謹慎地進行焊接。5.1.2電路板焊接電路板焊接使用普通電烙鐵就可以了，在耗材的選擇方面，需要對焊錫、助焊劑和清潔工具進行選擇。在焊接時要注意，是否有電路板的銅線存在隔斷問題，如果有的話就進行焊錫來實現連接。在焊接過程中需要注意電烙鐵頭的清潔，如果電烙鐵頭被氧化腐蝕，會影響焊件和烙鐵頭之間的熱傳導。焊錫用量要適中，如果焊錫用量少可能會造成導線的脫落，過多的話可能會造成電路短路，而且也會影響美觀。[10]焊錫撤離要及時，否則造成焊料過多或過少。如果焊接時間不足，加熱不足，會導致強度不足，電路可能導通不良，可能時通時斷。另外焊錫的用量也要適量，如果過量可能會造成接觸不良。為了得到良好焊點，對于初學者來說在移開焊點的時候要格外小心，移開方向大致為45°，得到良好焊點可以保證可靠的電氣連接以及整齊的外觀。如果焊盤上金屬鍍層不良可能會導致焊點剝落，會導致斷路，需要多加注意。5.1.3電路板調試在電路板完成焊接后就可以進行電路板的調試了，調試分為通電前的檢測和通電檢測。通電前的檢測不要急于求成，要檢查好連線是否正確，把實際線路與對應原理圖相對照進行嚴格檢查，元器件安裝是否存在問題，用萬用表歐姆檔的蜂鳴器進行檢測是否接線不良。做好這些檢測之后可以進行上電，但上電之后不要急于調試，要先確認電源電壓和參考電壓是否正常，信號源要加到輸入端看輸出波形是否正常，還要觀察是否存在冒煙、發燙、有氣味等問題。如果存在這些問題，要及時切斷電源進行檢查，以防發生安全事故。在調試過程中如果發生故障，要及時進行排查。對于復雜的電路設計而言，排除故障是很不容易的。一般是用萬用表檢查靜態工作點，也可以用示波器進行測定。可以用短路法或斷路法來檢查電路，短路法就是臨時短接，用來檢查斷路性故障，斷路法用來檢查短路線故障。另外由于在測試過程中是直接觸摸裸板，這樣容易造成電路板的損壞，所以要做到輕拿輕放，要注意在取放的時候是拿住電路板的板邊。

結論該畢業設計的內容為校園安全報警裝置的設計，以32單片機為核心，實現短信報警和聲光報警的功能。該設計有2個按鍵，S2是報警按鍵，按下S2后蜂鳴器鳴響，報警短信會發送到相應手機上。S3是取消報警鍵，如果發生誤觸可以立刻按下，蜂鳴器會停止鳴響，指示燈會熄滅，既方便又簡潔。本設計有效地節省了人力資源，在校園中可以減少安保人員的數量，并將其從巡邏崗位調度到監控崗位，保安人員只需要執行靜態監控，而不是原來的巡查方法，提高效率的同時降低了勞動成本，既提高了應對問題的解決效率，又可以極大程度上節約成本。此類裝置的研發具有極大程度的現實意義。在設計過程中也遇到了一些問題，例如編制程序時出現了差錯，導致無法實現事先預想的功能，這個時候我采取的解決方法