基于单片机的家庭防盗报警系统的设计分析

余金永 钟祥

摘要：本论文以STM32单片机为核心，设计了一套具有遥控和自动两种功能的家用防盗报警系统。在硬件设计上，根据系统的功能要求，选取了STM32F103C8T6的最小系统模块，并对各个传感器模块进行了选型，完成了系统的硬件结构设计。通过对传感器模块性能的分析，实现了系统的硬件接口。然后根据智云云平台的特性和优点，实现了手机 APP与智能云平台的连接。

关键词：智能住宅；防盗报警；STM32；MCU

近年来，无线网络、5 G移动通信、物联网等技术迅速发展，并得到政府的大力扶持。以单片机为核心的云计算技术正在逐步渗透到人们的生活中^[1]。该系统具有更丰富的功能，更可靠的性能，更高的性价比，操作和维护更加便捷，无须繁琐的线路，即可实现家庭安全设备的无线连接^[2]。此外，家用防盗报警系统通过手机App进行报警，更加安全高效。

一、防盗警报系统需求

通常情况下，人们会将贵重物品放在家里，认为家里相对较为安全。但由于无法每天都在家里保护财物，不法分子有机可乘，可能导致财产损失^[3]。为解决这个问题，该系统采用红外感应器模块，用于探测特定区域（如窗户、入户门等）的“入侵”。当有人进入所设有反射式红外线感应器的特殊区域时，其红外线会被反射并被接收器接收。接着，通过运算放大器对信号进行放大，以获取稳定的电信号。控制系统根据接收到的信号判断是否有人进入，并通过控制蜂鸣器发出声音、打开LED指示灯等方式发出警报来报告有人闯入。

二、系统的硬件配置

（一）主控芯片的选用

主控芯片在该系统中扮演着核心的角色，类似于人类的大脑，负责数据的采集、分析、处理和执行^[4]。该系统以STM32F103C8T6单片机为核心，它由时钟电路、复位电路、电源等组成，并与外部电路相结合。它能够将传感器采集到的数据转化为可识别的格式，实现对家庭环境的监控、集中化显示和系统的控制。STM32系列微处理器是由ARM公司开发的32位微处理器，其核心是ARM Cortex-M内核^[5]。

（二）系统硬件结构设计

根据整个系统的总体设计，该控制系统的硬件部分采用了STM32单片机以及温度、湿度、红外、光敏传感器等。系统的硬件部分，包括STM32F103C8T6最小系统、电源模块、OLED显示模块、独立按键模块、红外、光敏传感器模块、继电器开关控制模块、声光报警模块、WiFi通信模块^[6]。

三、电路设计

（一）STM32极简电路设计

STM32系统的电路主要包括：系统时钟电路、实时时钟电路、JTAG的接口电路，包括复位和启动方式选择。

主要的电路结构和功能如下：

1.时钟电路

系统的时钟电路主要是为人体提供节拍，就像是人体的心跳一样，随着心跳，血液流向身体各处，这就是系统时钟的重要性。本系统采用8 M晶振作为时钟电路。

2.复位电路

复位回路的功能是将系统还原为原始状态。对于该控制系统，采用的是低电平复位。当在按键未被按下时，RESET输入为高电平，系统处于正常状态。而当按下一个键时，RESET引脚会变为低电平，此时电路发生复位，将系统还原为初始状态。这样可以确保在需要时可以将系统重置为可操作状态。

3.启动模式电路

通过设定 BOOT 【1：0】管脚，可以选择3种不同的启动方式，如图1中所示。

（二）电源电路设计

该控制系统使用了 USB接口 TTL （PL2303HX）供电模块，具有3.3V和5V两种供电电压选项。它通过RXD、TXD和GND 5个引脚与计算机的USB接口相连。该模块具有自动回路和过流保护的特点，可以为单片机和多种传感器功能模块提供电源。同时，它还可以用作下载器的MCU程序^[7]。在电源供电时，该模块的5V和GND引脚需连接到STM32 MCU最小系统的VCC-5V和GND引脚。为提高电源的稳定性，可以在STM32 VCC-5V和GND引脚之间添加一个470μF的电解电容，以确保系统的稳定工作。这样可以提供稳定的电源供应，确保系统正常运行。

（三）OLED电路设计

该控制系统采用OLED12864 LCD显示屏作为显示设备，实现了人机交互功能。

OLED12864 LCD显示系统具有无背景照明、高反差、高亮度、超薄、大视角、快速反应能力，同时具有广泛的工作温度范围、大面积显示、成本低、使用寿命长、结构及制程简单等优点，被视为继 LCD、等离子显示器后的新一代平板显示产品及技术^[8]。自21世纪起，基于 OLED技术的新一代显示和发光产业以及产业链迅速发展，受到了世界各地的广泛关注和应用。OLED12864 LCD顯示屏内部还具有8个存储器，可以存储汉字，并且可以直接显示已储存的汉字。这意味着不需要额外添加其他液晶组件作为显示器，既节省了成本，又易于使用。这使得OLED12864 LCD显示屏成为许多应用领域的理想选择。

OLED显示模块共有4种不同的界面模式，可以根据BS1/BS2来设定。接口方式有：并行接口6800和8080，4线串行 SPI接口和 IIC接口。针对该控制系统的具体应用，采用4针 IIC接口的 OLED显示屏，其线迹和相应的连接方法如下：

VCC：供电3.3伏；

GND：接地；

SCL：IIC时钟线路，与STM32微处理器PA7端口相连接；

SDA：IIC数据线路，与STM32微处理器PA6端口相连接。

（四）独立按键模组电路设计

单键的特点是结构简单，单独的键入模式在使用时，需要有一个键与I/O端口相对应，在按下按钮的同时，I/O端口的电压也会随之改变^[9]。该独立按键电路以输入/输出端口的预设状态为高，在按下按钮时，输入/输出端口的电平会降低，相应的 I/O端口的输出水平也会随之改变，也就是键按下时的Low，键不按下时就是高电平。单片机是根据输入输出信号的高低电平来完成按键功能的。

（五）红外防盗系统电路设计

反射式红外感应器的探测原理如下：感应器上配备了一根白光发射管和一根黑光接收管。在正常情况下，白光发射管发出的红外线不会被目标物体反射回来，因此接收器的输出为高电平。但当有目标物体进入感应器范围时，白光发射管发出的红外光会被目标物体反射到黑光接收管上^[10]。这种反射会导致接收器接收到红外光，并改变其输出状态。通过STM32上的PB15接口，可以检测到是否发生入侵。一旦检测到有人入侵，系统会自动发出警报，并且LED灯会闪烁。图2显示了反射型红外防盗传感器的电路原理。

（六）射线探测组件的电路设计

该系统采用了光电传感器的数字信号输出方式。在 DO方式下，通过一个感光电阻器和一个10 KQ的电阻构成一个分压回路，将信号输出到运放 LM 393的逆向输入端，并通过调整电位计VR1，以提供给运放的比较电压，用于对输入信号进行比较。运放对输入信号进行放大处理后，DO端输出一个高或低电平的数字信号。当周围的光照强度没有达到设置的阈值时，感光传感器模块 DO端输出一个高电平的信号，LED显示关闭状态；当周围的光照强度超过设定门限时，感光传感器模块的DO端输出低电平信号，LED显示亮起。DO的输出直接与STM32的PB4接口连接，CU可以检测DO端的高低电平，从而判断周围光强度。在布帘继电器切换控制模块启动状态下，可以直接驱动该继电器模块工作，实现窗帘的自动开启。通过旋转电位器可以调整感光元件的灵敏度。图3显示了光电传感器组件的物理结构和光电探测电路的原理图。

（七）声光报警器的电路设计

该系统采用了S8550PNP三极管作为开关，并与STM32单片机的PB10GPIO端口相连，通过PB10输出高低电平来控制开关。系统还配备了LED告警指示灯，与STM32的PB11GPIO接口相连，通过PB11的输出高低电平来控制LED指示灯的状态。在STM32单片机PB10输出高的情况下， PNP三极管的基极电压比集电极高，三极管处于接通状态，触发了蜂鸣器的警报；PNP三极管在STM32PB10输出为低的情况下，不能触发蜂鸣器的警报。在STM32单片机PB11输出高时， LED告警指示灯为倒相关断， LED告警灯熄灭；在STM32单片机PB11输出到低压时， LED告警指示器接通， LED告警指示灯被点亮。通过对检测到的反光红外感应器进行检测，在防盗达到报警功能的触发状态时，通过 LED报警器和蜂鸣器来进行报警。

四、防盜警报系统的试验

在该控制系统中，使用了反射式红外感应器来实现防盗报警功能。当有人进入感应范围时，红外感应器会立即检测到，并自动识别。作为反应，系统会触发蜂鸣器和LED指示灯，从而实现声光报警功能。在进行防盗报警功能试验时，如果你将手放在红外感应器上方，系统立即会有相应的响应。蜂鸣器会发出声音，LED指示灯也会亮起，以进行声光报警。这些反应表明系统成功地实现了防盗警报功能，并能够及时地发现并提示有人进入感应范围。这种反射式红外感应器和控制系统是一种常用的防盗警报解决方案，具有快速响应和可靠性的特点。它在许多安全领域得到广泛应用，提供有效的防护手段。

五、结束语

通过使用反射式红外感应器和相应的控制系统，成功实现了防盗报警的功能。该系统在检测到有人进入感应范围时，能够立即触发蜂鸣器和LED指示灯进行声光报警，提供了有效的防护手段。这种基于红外技术的防盗系统具有快速响应、可靠性高的特点，为安全防护领域带来了重要的应用价值。通过这样的技术创新和应用，能够给人们提供一个安全可靠的环境，更好地保护财产和人身安全。

作者单位：余金永 钟祥 广西城市职业大学

参  考  文  献

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基金项目：2020年度广西城市职业大学校级科研项目；光控声光报警装置的应用研究（GXCVUKY2020B028）。

余金永（1983.11-）男，汉族，河南南阳，大学本科，副教授，研究方向：控制工程。