基于单片机自动报警系统的设计.pdf

Telecom Power Technology 28 Oct.10,2023,Vol.40 No.19 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.19.010基于单片机自动报警系统的设计郭家建（福建船政交通职业学院，福建 福州 350007）摘要：故障自动报警系统是工业自动化系统必不可少的部件之一，能保障系统运行的稳定性和安全性。设计的报警系统利用单片机的控制优势，能结合实际场景实现系统故障自动报警，并具备完成相应故障处理的功能。通过仿真实验验证，该自动报警系统可靠性高、性能较好，具有广泛的应用前景。关键词：单片机；自动报警系统；故障处理Design of an Automatic Alarm System Based on Single Chip MicrocomputerGUO Jiajian(Fujian Chuanzheng Communications College,Fuzhou 350007,China)Abstract:Automatic fault alarm system is one of the essential components of industrial automation system,which can ensure the stability and safety of system operation.The designed alarm system utilizes the control advantages of single-chip microcomputer,can realize automatic alarm of system faults in combination with actual scenes,and has the function of completing corresponding fault handling.The simulation results show that the automatic alarm system has high reliability and good performance,and has a wide application prospect.Keywords:single chip microcomputer;automatic alarm system;fault handling0 引 言工业自动化系统包含大量设备，长期运行难免出现各种故障，如开关跳闸、电路短路、设备失电等。当系统发生故障时，故障自动报警系统能第一时间发出报警信号，提醒工作人员处理故障。工作人员根据报警信号，在控制台进行响应，并立即前往现场处理故障，使设备正常运行。随着社会经济的发展，科学技术如单片机技术、通信技术与人工智能技术也在不断发展，报警系统越来越智能化1-3。文章主要研究自动报警系统的整体设计和功能，通过硬件和软件程序的设计，满足报警系统的功能要求。1 自动报警系统总体设计方案自动报警系统由单片机、故障传感器、响应电路、复位电路、电源电路以及输出模块组成。其中复位电路实现报警系统复位功能。当工业自动化系统发生故障时，首先故障传感器将检测到的故障信号送至SCT89C52 单片机；其次单片机根据故障信号输出相应的声光报警控制信号；再次输出模块向外界环境发出声音警示，同时报警指示灯闪烁；最后工作人员按下响应按钮，声音警示消失，报警指示灯常亮。若故障修复，则声音警示消失、报警指示灯熄灭。自动报警系统组成模块如图 1 所示。SCT89C52单片机输出模块响应电路故障传感器复位电路电源电路图 1 自动报警系统组成模块2 自动报警系统硬件设计设计的自动报警系统核心为单片机。单片机芯片上集成了中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、存储器、输入/输出（Input/Output，I/O）部件以及时钟电路等，具有优越的性能，已广泛应用于控制、通信、检测等领域。单片机具备显著的应用优势。第一，体积小、重量轻、价格低以及功能强，易于产品化，可以嵌入各种测控设备和仪器仪表。第二，可靠性高、抗干扰能力强，能适应各种环境。第三，使用方便灵活、通用性强。在开发过程中可以使用语言进行编程，开发周期短，且具有一定的可移植性。第四，实时控制能力强，可以直接通过 I/O 口进行各种操作，实时响应事件且处理速度快，具有丰富的控制指令，可以控制逻辑功能较为复杂的系统。第五，低电压、低功耗，可在 5 V、3 V 甚至更低的电压下收稿日期：2023-09-06作者简介：郭家建（1985），男，福建浦城人，硕士研究生，副教授，主要研究方向为电气自动化、虚拟仿真技术。2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期 29 Telecom Power TechnologyOct.10,2023,Vol.40 No.19 郭家建：基于单片机自动报警 系统的设计工作。设计的基于单片机自动报警系统采用 SCT89C52单片机。STC89C52 单片机是一种低功耗、高性能的微控制器，拥有 8 位 CPU、8 kb 可重复擦写的 Flash闪速存储器、3 个 16 位定时器/计数器、32 条可编程的 I/O 线（4 个 8 位并行 I/O 端口）、1 个可编程全双工串行口、512 bits 的随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）以及看门狗定时器等部件。单片机自动报警系统的硬件部分由故障传感器、响应电路、复位电路、电源电路以及输出模块组成。2.1 故障传感器故障传感器通过开关信号来模拟，输入信号接到单片机 P1.7 引脚。开关断开，表示系统无故障，单片机输入信号为“1”（高电平）；开关闭合，表示系统有故障，单片机输入信号为“0”（低电平）。2.2 响应电路单片机自动报警系统设置有响应按钮。工业自动化系统发生故障时，报警系统会发出报警信号，工作人员按下响应按钮，即可关闭报警声，同时报警指示灯由闪烁变为常亮。响应按钮作为输入信号与单片机的 P1.0 引脚相连。响应按钮按下，表示工作人员已响应，单片机输入信号为“0”（低电平）；若响应按钮未按下，表示工作人员未响应，单片机输入信号为“1”（高电平）。2.3 复位电路单片机自动报警系统设置有复位按钮。复位按钮按下，即给单片机复位引脚（RST）输入高电平，当高电平持续 2 个机器周期以上，单片机就执行复位操作，实现自动报警系统的复位。2.4 电源电路电源电路负责为单片机自动报警系统提供电能，包括单片机和其他硬件组成部分。单片机芯片电源线连接 VCC（+5 V）和 VSS（地）2 个引脚。2.5 输出模块自动报警系统输出模块由发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）电路和声音报警电路组成。2.5.1 LED 灯电路设计的基于单片机自动报警系统是声光报警系统，采用 LED 灯进行警示，不仅能保证充足的亮度，而且节能。LED 灯的阳极接电源，阴极经过电阻连接到单片机 P3.0 引脚。其中电阻起到限流的作用，电阻的阻值取 220。当单片机的 P3.0 引脚输出为 0（低电平）时，LED 灯点亮；输出为 1（高电平）时，LED 灯熄灭。2.5.2 声音报警电路声音报警电路的发声装置选用 Buzzer 蜂鸣器。蜂鸣器采用一体化结构，使用直流电压供电，常作发声器件应用于各种电子产品。蜂鸣器按驱动方式可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。其中有源蜂鸣器直接连接额定电源即可连续发声；而无源蜂鸣器和电磁扬声器一样，只有连接音频输出电路才能发声。由于蜂鸣器的工作电流较大，而单片机的 I/O 口输出电流较小，无法直接驱动蜂鸣器，需要连接放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流。文章选用的蜂鸣器为有源蜂鸣器，单片机的P0.7 引脚输出声音报警控制信号，只需改变该引脚输出的电平即可控制蜂鸣器。当单片机 P0.7 引脚输出为 0（低电平）时，三极管导通，蜂鸣器工作，发出声音；当单片机 P0.7 引脚输出为 1（高电平）时，三极管截止，蜂鸣器不工作，不发出声音。3 自动报警系统软件设计单片机自动报警系统功能的实现除了硬件，软件设计也非常重要。文章采用 Keil C51 软件进行软件编程。Keil C51 是美国 Keil Software 软件公司开发的基于 8051 内核的微控制器软件开发平台。Keil C51是 51 系列单片机 C 语言软件开发系统，也是目前开发8051内核单片机的主流工具，提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理以及仿真调试器等的完整开发方案4。单片机自动报警系统软件设计重点是程序的编写，文章采用 C 语言进行编程。根据报警系统所要实现的功能，设计程序流程图。系统整体程序流程如图 2 所示。依据程序流程图编写 C 语言程序，程序主要包含 main 主函数和报警函数。其中报警函数主要用于实现报警功能，main 主函数则实现系统的初始化和报警函数的调用。利用Keil C51软件进行调试、编译，生成.HEX 文件。部分程序代码为#include sbit BUZ=P07;/定义蜂鸣器输出引脚sbit GZ=P17;/定义故障输入引脚sbit LED=P30;/定义报警灯输出引脚sbit XY=P10;/定义响应输入引脚 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期Oct.10,2023,Vol.40 No.19Telecom Power Technology 30 bit F;/定义标志位void main()BUZ=1;/初始化蜂鸣器 LED=1;/初始化报警灯 F=0;/初始化标志位 while(1);alarm();/调用报警函数 声音报警消失，报警灯常亮结束开始声音报警，报警灯闪烁故障是否有响应？是否有故障？是是否否故障是否消失？是声音报警消失，报警灯熄灭否图 2 系统整体程序流程4 自动报警系统仿真单片机自动报警系统的仿真使用 Proteus 软件，该软件是英国 Labcenter Electronics 公司开发的 EDA工具软件，可以设计和仿真模拟电路、数字电路，是目前较先进的单片机和嵌入式系统的设计与仿真平台，也是目前单片机系统设计广泛使用的仿真软件5。Proteus 软件具有生动的仿真显示功能和丰富的元器件库，拥有超过 27 000 种元器件6。该软件适用于单片机及其外围器件的仿真，输入类器件如矩阵式键盘、按键、开关等；输出类器件如LED灯、蜂鸣器、LCD12864/1602 液晶显示屏、数码管以及点阵屏等。采用 Proteus 软件验证设计的单片机自动报警系统的仿真电路图，打开 Proteus 软件，将之前生成的.HEX 文件导入单片机，然后点击运行按钮，开始运行仿真。仿真结果显示，系统无故障时（即开关处于断开状态），蜂鸣器不工作，同时 LED 灯处于熄灭状态；当系统出现故障时（即开关处于闭合状态），蜂鸣器工作，发出报警声音，同时 LED 灯处于闪烁状态；当工作人员按下响应按钮后（即故障未修复，开关处于闭合状态），蜂鸣器不工作，同时 LED 灯处于常亮状态；当系统故障修复后（即开关处于断开状态），报警系统回复为初始状态，即蜂鸣器不工作，LED 灯处于熄灭状态。仿真运行结果达到预期效果，实现了单片机自动报警系统所需的功能。5 结 论设计的基于单片机自动报警系统，主要用于接收故障传感器的信号，利用单片机处理故障信息，实现系统故障自动报警，同时可以进行故障响应操作。设计的报警系统具有结构简单、维护成本低、操作简单以及可靠性高等优势，可以应用于各类需要进行故障自动报警和故障处理的场景，如自动化生产线、防盗系统、门禁系统等。同时，该系统具有可拓展性，可以根据用户的需求增加功能，应用前景较为广阔。参考文献：1 喻丽丽，朱 艳，吴 婷.基于单片机的防盗报警系统 J.大众标准化，2022（23）：109-111.2 焦金伟，张述勇，张屹帆.单片机智能火灾报警器 J.科学技术创新，2020（10）：132-133.3 徐琬婷，蒋 玲，张建勋.基于 STC89C52 单片机智能火灾报警器的设计 J.西昌学院学报（自然科学版），2021，35（3）：55-59.4 赵鹏博.基于单片机的火灾报警的设计与实现 J.中国水运，2023，23（2）：41-43.5 石 波.基于 Proteus 仿真软件的单片机电子钟设计 J.科学咨询，2017（3）：91-92.6 丁 莉，何 波，丁有军，等.Proteus 仿真软件在单片机教学中的应用 J.教育教学论坛，2019（45）：256-257.