李建杰，楊延寧，2，孫宇航，杜永星

（1.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000；2.南昌理工學(xué)院，江西 南昌 330044）

目前，安全防護(hù)技術(shù)越來越先進(jìn)，特別是道路交通、商場超市等公共場所設(shè)置了大量的監(jiān)控，人們的安全感越來越高。相對而言，家庭的防盜基本上還是停留在防盜門和防盜網(wǎng)的較低層次上。由于工作忙碌，單位和住所距離較遠(yuǎn)，家庭遠(yuǎn)程防盜的需求越來越高。而傳統(tǒng)的防盜門和防盜網(wǎng)雖然能阻止一定盜竊行為的發(fā)生，但它們在防火中的問題越來越多。因此，家庭防盜報警器的安裝變得尤為重要。文中設(shè)計了一款符合市場需求的高性能、低價格的遠(yuǎn)程防盜報警器，用戶手機(jī)可通過GSM 網(wǎng)絡(luò)接收報警信息,對遠(yuǎn)程防盜技術(shù)領(lǐng)域有較大的促進(jìn)作用[1-2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

遠(yuǎn)程防盜報警系統(tǒng)設(shè)計方框圖如圖1 所示。外圍電路以單片機(jī)STM32F103C8T6 為主控器，包括熱釋電紅外傳感器、蜂鳴器報警模塊、GSM 模塊以及電源模塊等。熱釋電紅外傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測紅外輻射的變化，進(jìn)行防盜監(jiān)測，出現(xiàn)被盜情況時，由單片機(jī)控制蜂鳴器報警模塊發(fā)出警報，用戶手機(jī)通過GSM 模塊接收報警信息。

圖1 系統(tǒng)總體方框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件原理

系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖2 所示。硬件電路包括手機(jī)通信模塊（GSM）、電源接口電路、人體傳感器（熱釋電紅外傳感器）電路、蜂鳴器報警電路、MCU以及按鍵電路等。

圖2 硬件電路原理圖

2.2 熱釋電紅外傳感器

熱釋電紅外傳感器又稱人體紅外傳感器，是一種將紅外熱信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件，其內(nèi)部原理圖如圖3 所示。從圖3 可以看到，其本質(zhì)上就是在一個場效應(yīng)管基礎(chǔ)上給柵極g 接入一個探頭，探頭內(nèi)由壓電陶瓷電介質(zhì)制作。探頭檢測到10 μm 左右的紅外線時就將紅外信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴弘姴牧辖邮占t外輻射后溫度升高，將失去其表面電荷，這就是熱釋電概念的由來[3-4]。這些失去的電荷通過放大器放大而轉(zhuǎn)換為電壓輸出。恰好人體在37°左右的溫度時會發(fā)出波長為10 μm 左右的紅外線，因此，稱之為人體傳感器[5-8]。

圖3 熱釋電紅外傳感器原理圖

2.3 GSM模塊

GSM 模塊采用SIM800C 通信模塊，具有短信發(fā)送、語音通話、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸?shù)葦?shù)據(jù)通信功能，其性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價比高[9]。用戶首先將自己的手機(jī)與防盜系統(tǒng)通信端口綁定，以便能夠接收GSM網(wǎng)絡(luò)的盜竊信息，實時提醒用戶正在發(fā)生的情況。SIM800C 共有40 個引腳，通過一個ZIF(Zero Insertion Force)連接器引出[10]。SIM800C 引腳圖如圖4 所示。

圖4 SIM800C 引腳圖

2.4 報警電路

在防盜報警器設(shè)計中，選用了蜂鳴器報警，通過外接一個9012的三極管作為驅(qū)動，起到電路報警開關(guān)的作用，三極管9012 的發(fā)射極接到供電端，電壓為高電平3.3 V，基極接收來自單片機(jī)的控制端29腳PB10。當(dāng)傳感器未檢測到有人入侵時，單片機(jī)控制端PB10輸出高電平，三極管9012處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不響，同時，單片機(jī)15腳PA1輸出低電平，D2綠色發(fā)光二極管發(fā)光，表示沒有被盜。當(dāng)傳感器檢測到有人入侵時，單片機(jī)控制端PB10 輸出低電平，三極管9012 就進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出響聲[11]，同時，單片機(jī)20腳PA4 輸出高低脈沖，D1 紅色發(fā)光二極管閃爍，表示現(xiàn)場處于被盜狀態(tài)。蜂鳴器報警電路圖如圖5所示。

圖5 蜂鳴器報警電路圖

2.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)

報警器設(shè)計中選用的單片機(jī)是STM32F103C8T6，其采用LQFP44 封裝。該單片機(jī)相比其他產(chǎn)品具有更高性價比。STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)板原理圖如圖6 所示。

圖6 STM32F103C8T6最小系統(tǒng)板原理圖

最小系統(tǒng)電路有STM32F103C8T6 單片機(jī)芯片和時鐘電路，時鐘電路由一個8 MHz 晶振和兩個30 pF 電容串聯(lián)接入時鐘輸入腳[12-13]。

BOOT 引腳可以選擇不同的啟動模式，如表1 所示，通過BOOT0 和BOOT1 腳的電平組態(tài)可以控制啟動模式[14]。

表1 STM32啟動模式表

復(fù)位電路：系統(tǒng)工作前需要進(jìn)行復(fù)位，通過足夠的時間進(jìn)行初始化，需要在NRST 腳（單片機(jī)的第7腳）保持低電平信號，芯片正常工作[15]。

3 軟件設(shè)計

在用戶按下布防鍵后，經(jīng)過15 s 倒計時，系統(tǒng)開始進(jìn)入工作狀態(tài)，熱釋電紅外傳感器一旦監(jiān)測到人體（竊賊）信號，就將信號傳遞給單片機(jī)進(jìn)行程序處理，單片機(jī)輸出信號，驅(qū)動蜂鳴器報警和發(fā)光二極管閃爍，并通過GSM 模塊向手機(jī)發(fā)送報警信息，通過軟件設(shè)計保證發(fā)光二極管的閃爍和蜂鳴器警報同步。如果沒有人取消報警，程序?qū)掷m(xù)循環(huán)進(jìn)行報警工作。系統(tǒng)還設(shè)置了手動報警按鍵，突發(fā)情況下通過手動按鍵也能達(dá)到報警效果。主程序流程圖如圖7 所示。

圖7 主程序流程圖

4 調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

系統(tǒng)的硬件調(diào)試步驟如下：

1）在上電之前，對照電路圖檢查硬件電路，進(jìn)行逐個排查，檢查是否有多線、少線和引腳短路、開路等現(xiàn)象。

2）檢查單片機(jī)及各硬件模塊供電是否正常，電源電壓是否穩(wěn)定。

3）通電后檢查單片機(jī)外設(shè)電路是否可以正常工作，特別檢查熱釋電紅外傳感器等部件是否正常工作。在燒入程序后檢查復(fù)位功能和程序燒寫是否正常。

4）用萬用表和示波器按照信號流動的方向測量電路的連通性。

電路調(diào)試是一個循環(huán)往復(fù)的過程，需要通過檢測-調(diào)試-檢測-調(diào)試的過程來提高硬件電路的性能，減小系統(tǒng)誤差，達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計要求。

4.2 軟件調(diào)試

在確認(rèn)硬件電路調(diào)試無誤后，再對系統(tǒng)軟件進(jìn)行調(diào)試。編程語言采用C 語言，軟件平臺采用Keil5。軟件部分的調(diào)試主要是檢測硬件部分與編寫的軟件程序是否匹配，確認(rèn)是否可以達(dá)到設(shè)計要求。

1）首先檢測各模塊初始化配置是否正常，比如熱釋電紅外傳感器的引腳配置以及STM32F103C8T6的GPIO 配置是否正常。

2）檢查各模塊的數(shù)據(jù)是否可以接收和發(fā)送，比如，熱釋電紅外傳感器是否可以將采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)送給報警電路，確保信息傳輸?shù)倪B通性和準(zhǔn)確性，防止出現(xiàn)亂碼傳輸現(xiàn)象。

3）用仿真CPU 來模擬執(zhí)行程序，在沒有正式上機(jī)之前，可以采用MDK 自帶的在線仿真器來調(diào)試程序。在線仿真調(diào)試能使程序的執(zhí)行速度提高，但程序執(zhí)行完后如果出現(xiàn)錯誤，不容易找出具體出錯的行。如果采取單行程序執(zhí)行，當(dāng)程序執(zhí)行到某一行并出現(xiàn)錯誤時，可以容易發(fā)現(xiàn)錯誤之處，但當(dāng)程序運行量很大時，就會大大降低效率。有些程序中的變量需要達(dá)到某一個值時才能被執(zhí)行到，因此，單行調(diào)試就很難執(zhí)行整個程序。

基于上面仿真調(diào)試遇到的問題，主要的解決方法就是在進(jìn)行程序調(diào)試時設(shè)置斷點，斷點設(shè)置好以后開始不間斷地全速運行程序。當(dāng)執(zhí)行到斷點行時程序就會自動停止，通過觀察變量和相關(guān)寄存器的值就可以確定錯誤之處，此方法方便快捷，可以提高編程效率。

5 結(jié)論

該文設(shè)計的基于SIM800C 通信模塊的遠(yuǎn)程防盜報警器，當(dāng)熱釋電紅外傳感器檢測到有人在檢測區(qū)域內(nèi)移動時，系統(tǒng)進(jìn)入報警模式，微控制器接收信號處理后發(fā)送報警控制信號，驅(qū)動聲光報警電路開始報警，同時，微控制器通過GSM 向預(yù)先綁定的用戶手機(jī)發(fā)送報警信息，使得用戶及時獲知被盜警情。經(jīng)調(diào)試，其符合設(shè)計要求。該報警器功能還可以進(jìn)一步拓寬，可在紅外報警的基礎(chǔ)上增加煙霧溫度報警、紅外遙控等功能[16]。