救援指导报警器的设计

实验题目：救援指导报警器的设计

课程简要信息

课程名称：（单片机原理及应用）

课程学时： 96学时（理论64学时+实验32学时）

项目学时：（课内20学时、课外12学时）

适用专业：（电子信息类、机械电子类）

学生年级：（大二、上学期）

实验内容与任务（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

本实验旨在设计并实现一款救援指导报警器，可根据实际需求实现录音、语音播报、警报灯灯光闪烁、模式选择等功能，并通过PCB将各模块功能进行硬件电路集成、3D打印技术实现产品包装的定制化设计。通过实验，学生将掌握单片机控制、音频处理、灯光控制、3D建模与打印等技术，并培养产品设计和调试能力。实验过程中，学生需明确功能需求，查阅资料，设计硬件电路与软件程序，搭建实验平台，选择合适的器件，记录测试数据，分析问题并撰写实验报告，最终通过演讲展示成果，培养综合实践能力与团队协作精神。项目的实验过程、内容及任务要求如下：

**1）项目启动与需求分析。**根据课题来源、工程应用背景等对本实验需实现的具体功能及指标进行设计。

**2）方案设计与器件选型。**小组组队讨论设计方案，通过多渠道查阅搜集相关知识进行整体设计方案论证以及器件选型，包含参数、性能、性价比等进行对比。

**3）硬件电路与软件程序设计及功能调试。**小组内分工分别对本实验内容的硬件电路设计，如原理图仿真设计、PCB版集成绘制、制版、焊接、调试以及对应的软件程序设计，如按键模式选择、音频录制、音频噪声处理算法等分别进行设计，并进行调试、修改、完善，记录测试数据，直至稳定实现所有功能和指标。

**4）3D建模与打印。**根据硬件核心板尺寸设计产品外壳，进行3D打印和装配测试。

**5）设计内容制作。**设计报告的撰写、作品功能视频录制、答辩PPT的制作。

**6）答辩与成果展示以及总结。**进行项目答辩，展示设计成果，并对设计作品过程的经验与需改进的地方进行总结。

相关知识及背景（限150字）

本实验项目涉及单片机控制、音频处理、3D建模与打印等多学科知识，要求学生掌握需求分析、电路设计、软件编程、仿真调试、数据测试等实践技能，需运用硬件电路设计、嵌入式软件开发及3D打印技术，实现产品定制化、轻薄化与功能优化。通过对救援指导过程中的警报系统、语音播报设备及便携式救援工具的设计与实现，提升救援效率与安全性，同时培养学生将理论知识与实际工程结合，培养解决复杂工程问题的能力，为未来从事电子产品开发与创新奠定基础。

实验环境条件

项目实施需要实验资源，包括实验仪器设备、设计软件工具、主要电子元器件等。

实验仪器设备：

示波器（普源DS4024E）: 用于观察电路信号波形。

万用表（胜利VC86E）: 用于测量电路电压、电流等参数。

音频测试仪（龙威1212BL）: 用于测试音频信号质量。

计算机（ThinkStation P330）: 用于编程、仿真、3D建模等。

3D打印机（ELEGOO/爱乐酷 Neptune 4）: 根据本设计内外部功能尺寸，打印救援指导报警器外壳包装。

设计软件工具：

单片机开发环境: 如Keil、IAR等。

电路设计软件: 如Altium Designer、Protel等。

3D建模软件: 如SolidWorks、AutoCAD等。

音频处理软件: 如Audacity、Adobe Audition等。

主要电子元器件：

单片机:STM32F103c8t6、STM32F407。

音频功放芯片: LM386、TDA2030等。

LED灯:多种颜色，高亮度。

按 键: 轻触开关。

喇 叭: 1~2个，小体积，高音质。

电阻、电容、二极管等: 用于电路搭建。

锂电池或小节电池: 为系统供电。

教学目标与目的（限150字）

本实验通过设计与实现基于单片机的救援指导报警器，使学生学习并运用单片机控制、音频处理、灯光控制、3D建模与打印等知识，掌握硬件设计、软件开发、仿真调试及数据测试、3D打印等技术。实验培养学生需求分析、问题解决、团队协作能力，提升实践操作与创新设计技能，同时注重严谨科学态度、工程素养及安全意识。通过从需求分析到产品实现的完整流程，学生将理论与实践结合，全面提升综合素质与职业竞争力。

教学设计与实施进程

本实验整体设计研究过程中，难点在于录音及语音播放实验涉及声电转换、信号放大、数字信号处理、噪声抑制软件算法过程，通过小组讨论、指导教师与小组共同进行方案论证后，小组成员分工进行系统软硬件调试、测试标定、设计报告、视频录制、答辩材料以及整体设计总结等过程。其中，20学时的教学设计与实施进程分别从以下六个方面进行设计与实施：

1. **指导教师分析设计来源。**校企合作项目中应急救援指导模块的设计与实现，旨在通过智能化设备，提升救援效率与安全性。（计划1~2学时）

2. **师生进行整体设计方案的确定。**小组在指导老师指导下讨论确定系统整体设计方案，对软硬件模块进行划分，小组内进行明确分工。（计划1~2学时）

3. **小组团队进行硬件电路设计。**根据设计方案，设计硬件电路。包括单片机最小系统、音频放大电路、LED驱动电路、按键输入电路、电源电路；绘制电路原理图和PCB图；制作PCB板，并焊接元器件；安装录音模块、喇叭、LED灯、按键等外部器件。（计划10~12学时）

**4）小组团队进行软件程序设计。**根据设计方案，进行软件程序设计。（计划6~8学时，该部分内容可以与第3）点小组内分工同时进行。）

主要包含：

（1）按键检测：启动按钮、消音键、录音键、模式选择键。

（2）警报音播放：播放预存的警报音文件，音量可调。

（3）灯光闪烁控制：控制LED灯闪烁，亮度可调。

（4）语音播报：播放预存的语音文件，内容为“救援注意事项”等。

（5）录音功能：按一下录音键开始录音，按一下结束录音，并保存录音文件。

（6）模式切换：按模式键切换语音播报内容，关机后下次启动默认为上次切换

的语音。

7. 调试程序，确保各项功能正常运行。

5）小组团队进行3D建模与打印。（计划4~6学时，该部分内容可与以上内容同时进行，适时调整）。

（1）使用3D建模软件设计产品外壳模型，确保厚度精巧，并预留喇叭安装孔、按键孔、标注位置等。

（2）使用3D打印机打印产品外壳。

（3）将电路板、喇叭、LED灯、按键等安装到外壳中。

6）小组团队进行系统调试与测试（计划4~6学时，该部分内容可与以上内容同时进行，适时调整）。

（1）对系统进行功能测试，验证各项功能是否正常。

（2）对系统进行性能测试，测试警报音音量、灯光亮度、语音播报清晰度、录音效果等。

（3）对系统进行外观检查，检查外壳是否完好，标注是否清晰。

7. **答辩与成果展示以及总结。**进行项目答辩，展示设计成果，并对设计作品过程的经验与需改进的地方进行总结。（计划2~3学时）

7、实验原理及方案

1）实验原理及设计依据

本实验基于单片机控制技术，通过硬件电路与软件编程实现救援报警器的核心功能。基本原理为利用单片机（本实验选用型号STM32F108zet6）作为主控，通过按键输入触发不同模式，控制音频模块（本实验选用型号ISD1760）实现录音与语音播报，驱动LED灯完成警报闪烁，并结合3D打印技术定制外壳以优化便携性。设计依据源于应急救援场景的实际需求，强调多功能集成（录音、播报、声光警报）与用户交互（模式切换、一键操作）。

2）实验整体设计方案及技术路线

本设计方案采用模块化架构，以STM32F103C8T6单片机为核心控制器，构建集声光报警、语音交互于一体的救援指导系统。技术路线分为硬件和软件两大模块：硬件系统包含主控模块（集成按键输入和PWM输出）、音频模块（WT588D语音芯片+LM386功放驱动多喇叭阵列）、电源模块（锂电池+TP4056管理芯片）及3D打印外壳；软件系统采用分层设计，包括底层驱动（GPIO/ADC）、功能层（音频处理/灯光控制）和应用层（状态机管理），重点实现一键录音/播报、动态PWM调光和多模式记忆存储（EEPROM）等功能。方案通过"需求分析-硬件设计-软件开发-系统集成"的技术路线，完成从电路设计（声压≥90dB）、结构优化（多喇叭侧向布局）到功能验证（跌落/续航测试）的全流程开发，既满足应急救援的可靠性要求，又体现系统开发的完整技术链条，适用于户外搜救、灾难预警等应用场景。整体设计方案如图1所示。

图1 救援指导系统整体设计方案

3）关键模块选型

（1）主控模块

STM32F103C8T6、STM32F103zet6（ARM Cortex-M3内核，72MHz主频，64KB Flash，

20KB RAM）、STM32F407（ARM Cortex-M4（带FPU浮点运算单元），主频 168MHz，性能达 210 DMIPS）等均可。成本低、外设丰富（12位ADC、PWM输出）、生态完善。

（2）音频模块 {#音频模块}

语音处理芯片：WT588D（支持MP3格式，可存储多段语音，UART控制）集成

度高、支持自定义语音烧录。

音频功放：LM386（驱动0.5W喇叭×3，增益可调至200倍）。

麦克风：驻极体麦克风（灵敏度-44dB，搭配STM32内置ADC实现录音）。

喇叭：40mm 8Ω/2W喇叭×2（侧向布局，声压≥90dB）。

（3）电源模块 {#电源模块}

电池：18650锂电池（3.7V/2600mAh）

充电管理：TP4056（支持1A充电，带过充/过放保护）

电压转换：AMS1117-3.3（5V转3.3V，为单片机供电）

（4）人机交互模块 {#人机交互模块}

按键：轻触开关×4（启动、消音、录音、模式切换）

指示灯：高亮LED（红/蓝双色，PWM调光，闪烁频率2Hz）

（5）结构模块 {#结构模块}

外壳：PLA材料3D打印（厚度1.5mm，预留喇叭孔/按键孔） {#外壳pla材料3d打印厚度1.5mm预留喇叭孔按键孔}

固定件：M3铜柱+尼龙螺丝（减震防松）

（6）扩展模块（可选） {#扩展模块可选}

无线传输：ESP8266（WiFi报警信息推送）

环境传感器：BME280（温湿度/气压监测）

北斗定位模块：BE-180（一体模块）

实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等），报告应包括封面、目录、正文、参考文献等部分，正文结构清晰，语言简洁，图表规范，符合学术报告格式，排版整齐。其中，正文内容包括但不限于以下部分：

**1）实验需求分析。**明确实验目标，分析救援指导报警器的功能需求（如警报音、灯光闪烁、语音播报、录音等），列出具体的技术指标（如音量、灯光频率、录音时长等），结合应用场景，说明设备的设计意义和实际价值。

**2）实现方案论证及结构划分。**提出多种实现方案，对比分析各自的优缺点，确定最终方案，说明选择理由。结构划分包括系统框图、功能模块划分及工作原理说明。

**3）理论推导与计算。**对关键电路（如音频放大电路、LED驱动电路、电源电路等）进行理论推导，计算电路参数（如电阻、电容、电感值）及性能指标（如放大倍数、功耗等），列出公式推导过程，确保计算准确。

**4）设计仿真分析。**使用仿真工具（如Multisim、Proteus）对电路进行仿真验证。提供仿真电路图及结果截图，对比理论值与仿真值。分析仿真结果，确保电路设计符合要求。

**5）电路参数选择。**根据理论计算和仿真结果，选择合适的元器件（如电阻、电容、晶体管、集成电路等）。列出元器件清单，注明型号和参数。

**6)实验过程设计。**设计实验步骤，包括硬件搭建、软件编程、系统调试等,说明实验中的注意事项和可能出现的问题。实验步骤清晰、可操作，确保实验顺利进行。

**7)数据测量与记录。**使用仪器（如示波器、万用表）测量关键数据（如电压、电流、频率等）,记录实验过程中的现象和数据。要求数据记录完整，注明测量条件和仪器设置。

**8）数据处理与分析。**对测量数据进行处理（如计算平均值、绘制曲线等）。分析数据，验证电路性能和功能实现情况，使用图表展示数据，分析结果应与理论值和仿真值对比。

**9）实验结果总结。**总结实验成果，说明是否达到预期目标。分析实验中的不足和改进方向。结论明确，结合数据和分析结果进行总结

**10）问题与改进。**列出实验过程中遇到的问题及解决方法。提出改进方案，优化设计。

考核要求与方法（限300字）

本实验考核采用多元综合评价方法，重点考查学生的实践能力与创新思维以及团队协作能力。基础部分（如电路焊接、单片机编程等）占比60%，发挥部分操作部分（如无线通信、组网、定位等功能）占比10%，实验报告及答辩总结部分占比40%，具体考核指标如表1所示。

1）实物功能演示：功能与性能指标的完成程度（如按键模式选择、录播功能、消除噪声干扰算法），完成时间。

2）实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。

3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5）实验数据：测试数据和测量误差。

具体考核方法及参考评分标准如表1所示所示：

表1 实验整体考核办法

项目特色或创新（可空缺，限150字）

本实验项目以服务社会公共安全需求为导向，深度融合家国情怀教育、技术创新实践与多学科交叉能力培养。项目通过聚焦灾害预警与生命救援场景，引导学生深刻理解科技工作者在民生保障中的社会责任，激发服务社会的使命感通过系统工程训练提升学生解决复杂工程问题的综合能力。该项目可为智慧城市建设提供可推广的应急技术解决方案，体现了教育链与产业链的深度融合。