《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計應(yīng)用 > 一種燃?xì)庠畎踩僮魈摂M演示系統(tǒng)的設(shè)計
一種燃?xì)庠畎踩僮魈摂M演示系統(tǒng)的設(shè)計
2017年微型機(jī)與應(yīng)用第8期
郭浩輝,許志猛
福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院,福建 福州 350100
摘要: 提出了一種基于單片機(jī)和PC的燃?xì)庠畎踩僮餮菔鞠到y(tǒng)的實現(xiàn)方案。用單片機(jī)仿真燃?xì)庠畹狞c火和開關(guān)控制,配合PC可實現(xiàn)模擬真實場景的燃?xì)庠畎踩褂貌僮饔?xùn)練。實際測試表明,該方案操作簡易方便且仿真效果好,硬件成本極低,可在公眾消防安全教育中推廣使用。
Abstract:
Key words :

  郭浩輝,許志猛

 ?。ǜV荽髮W(xué) 物理與信息工程學(xué)院,福建 福州 350100)

       摘要:提出了一種基于單片機(jī)和PC的燃?xì)庠畎踩僮餮菔鞠到y(tǒng)的實現(xiàn)方案。用單片機(jī)仿真燃?xì)庠畹狞c火和開關(guān)控制,配合PC可實現(xiàn)模擬真實場景的燃?xì)庠畎踩褂貌僮饔?xùn)練。實際測試表明,該方案操作簡易方便且仿真效果好,硬件成本極低,可在公眾消防安全教育中推廣使用。

  關(guān)鍵詞:單片機(jī);廚房燃?xì)庠钕到y(tǒng)仿真;用氣安全教育

  中圖分類號:TP368.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.008

  引用格式:郭浩輝,許志猛.一種燃?xì)庠畎踩僮魈摂M演示系統(tǒng)的設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2017,36(8):23-25.

0引言

  *基金項目:福州大學(xué)科技發(fā)展基金(2013XQ43)在社會飛速發(fā)展的同時,人們的生活水平和質(zhì)量也隨之在不斷地提高,消防安全教育成為一個不容忽視的問題。要切實提高全民的消防安全意識,青少年的消防安全教育就顯得尤為重要[1]。近幾年,天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛,燃?xì)庠钛b置在全國大、中、小城市居民家中隨處可見[2]。然而相關(guān)的消防安全知識宣傳力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,因為燃?xì)庠钍褂梅椒ú划?dāng)引起的火災(zāi)甚至爆炸事故時有發(fā)生[3],為此有必要加強(qiáng)對公眾特別是青少年使用燃?xì)庠畹陌踩逃?。國?nèi)一些安全教育場館陸續(xù)引入了燃?xì)庠钍褂冒踩逃菔鞠到y(tǒng)[4]。

  使用真實的燃?xì)庠钕到y(tǒng)對公眾進(jìn)行操作安全演示教育具有一定的危險性,為此本文提出一種基于單片機(jī)開發(fā)的燃?xì)庠罘抡嬖O(shè)備的實現(xiàn)方案。該方案通過對硬件的仿真處理協(xié)同上位機(jī)交互動畫共同引導(dǎo)青少年正確完成對燃?xì)庠畹牟僮?,并對青少年進(jìn)行相關(guān)的消防安全知識教育。在當(dāng)前背景下,該系統(tǒng)可以作為燃?xì)庠钍褂梅矫娴南腊踩逃O(shè)備。

1整體框架

  燃?xì)庠罘抡嫦到y(tǒng)由單片機(jī)部分和上位機(jī)部分組成。燃?xì)庠罘抡嫦到y(tǒng)框架如圖1所示。按鍵1進(jìn)入消防安全知識教育講解界面,按鍵2進(jìn)入燃?xì)庠钅M操作界面,其中上位機(jī)部分通過PC端演示消防安全知識和指示正確使用燃?xì)庠畹牟襟E;單片機(jī)部分通過按鍵檢測以及內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)通道對打火開關(guān)和氣閥開關(guān)的操作信息進(jìn)行采集、分析,最后結(jié)合上位機(jī)的步驟指示控制由藍(lán)色LED燈模擬的爐火燃燒情況。

 

001.jpg

2系統(tǒng)設(shè)計

  2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計

  本文采用STC15F2K60S2單片機(jī)做控制器,它是一款高速、高可靠、低功耗和超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī),自帶8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換、兩組高速異步串行通信口,并集成了3路可編程計數(shù)器陣列模塊(Programmable Counter Array, PCA),可用于脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)輸出[5]。

  2.1.1打火及氣閥開關(guān)的模擬實現(xiàn)

  STC1系列單片機(jī)的ADC組成包括:多路選擇開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC和轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器。

002.jpg

  逐次比較型的ADC通過與DAC逐次比較邏輯,從最高位依次對輸入電壓與內(nèi)置DAC輸出進(jìn)行比較,經(jīng)過多次比較使得轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量逐漸逼近輸入模擬量的對應(yīng)值。如圖2所示,將輸入端模擬量和DAC的輸出的模擬量發(fā)送到比較器中進(jìn)行比較,比較結(jié)果存儲到逐次比較寄存器,最后通過逐次比較寄存器輸出結(jié)果。這種逐次比較的ADC具有速度快、功耗低等優(yōu)點[6]。

  通過單片機(jī)的ADC功能將點火開關(guān)旋鈕平均地劃分成10個擋位,每一個擋位都代表著爐火不同程度的火力情況,其中第一個擋位表示關(guān)火,隨著擋位增大,虛擬爐火的LED明亮程度增高,表示燃?xì)庠畹幕鹆υ龃蟆?/p>

  2.1.2爐火仿真的實現(xiàn)

  為了對應(yīng)上述點火開關(guān)的10個擋位,通過單片機(jī)控制PWM輸出,進(jìn)而控制LED對應(yīng)不同擋位的明亮程度。

  先將PCA模塊工作在8位PWM模式下,因為所有的模塊共用PCA定時器,所以輸出頻率是相同的。通過捕獲寄存器{EPCnL, CCAPnL[7:0]}改變輸出占空比,且占空比的變化是獨立的。脈沖寬度調(diào)節(jié)如圖3所示,當(dāng)寄存器{0, CL[7:0]}的值小于{EPCnL, CCAPnL[7:0]}時,輸出為低;當(dāng){0, CL[7:0]}的值等于或者大于{EPCnL, CCAPnL[7:0]}時,輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時,{EPCnH, CCAPnH[7:0]}的內(nèi)容裝載到{EPCnL, CCAPnL[7:0]}中。這樣就可實現(xiàn)PWM輸出的無干擾更新。

003.jpg

  2.1.3上位機(jī)通信的實現(xiàn)

  單片機(jī)與上位機(jī)的交互通過串行口通信完成,STC15F4K60S單片機(jī)具有4個采用通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asychronous Receiver/Transmitter, UART)工作方式的全雙工異步串行通信接口。每個串行口都有4種工作模式,本設(shè)計采用工作模式1,即8位UART,波特率設(shè)置為9 600 b/s。

004.jpg

  串行口收發(fā)時序如圖4所示,發(fā)送時數(shù)據(jù)由串行發(fā)送端TxD輸出,當(dāng)主機(jī)執(zhí)行寫“SBUF”的指令時就啟動串行口通信的發(fā)送,把“1”轉(zhuǎn)入發(fā)送移位寄存器的第9位中,并使TX控制單元開始發(fā)送,移位寄存器會將數(shù)據(jù)不斷右移到TxD端口發(fā)送,在數(shù)據(jù)左邊不斷補(bǔ)“0”,當(dāng)TX控制單元作最后一次移位輸出時允許發(fā)送信號“SEND”失效,完成信息發(fā)送。在接收信息時接收器以選定波特率的16分頻速率采樣串行接收端RxD,當(dāng)檢測到RxD端口有從“1”負(fù)跳變到“0”時就啟動接收器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù),并將1FFH裝入移位寄存器中,然后接收的數(shù)據(jù)從接收移位寄存器的右邊移入,已裝入的1FFH向左移動,當(dāng)起始位“0”移動到了移位寄存器的最左邊時,RX控制器作最后一次移位,完成信息的接收。

  但是,只有當(dāng)RI=0和接收到停止位為1這兩個條件同時滿足時接收到的數(shù)據(jù)才是有效的,否則接收到的數(shù)據(jù)作廢并丟失。

  2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計

  2.2.1單片機(jī)軟件的實現(xiàn)

005.jpg

  軟件設(shè)計主要包括主程序、中斷服務(wù)程序、定時程序、AD采樣程序和PWM火力調(diào)節(jié)程序[7]。如圖5所示,主要控制流程為打開電源、檢測按鍵是否按下、判斷是進(jìn)行安全知識學(xué)習(xí)模式還是模擬操作模式。若進(jìn)行模擬操作模式,則開始檢測氣閥是否開啟,氣閥關(guān)閉由LED模擬的爐火處于熄滅狀態(tài),當(dāng)氣閥打開后立即進(jìn)行AD采樣并檢測是否達(dá)到開關(guān)閾值,未達(dá)到開關(guān)閾值爐火仍處于熄滅狀態(tài),如達(dá)到閾值則對AD信號進(jìn)行處理,通過PWM控制調(diào)節(jié)LED明亮程度來表示爐火的大小;最后檢測是否收到終止命令,若未收到終止命令則繼續(xù)對氣閥開關(guān)狀態(tài)和AD采樣信號的狀態(tài)進(jìn)行檢測,如收到終止命令則退出,回到初始界面。

  2.2.2上位機(jī)軟件的實現(xiàn)

  上位機(jī)動畫使用Unity3D進(jìn)行構(gòu)建,Unity3D可支持所有平臺,且內(nèi)置光照貼圖、遮擋剔除和調(diào)試器等強(qiáng)大功能。這里將燃?xì)庠畈僮鞯牟煌A段制作成動畫并打包成組件,通過PC端的COM1口接收單片機(jī)傳送過來的串行口命令來調(diào)用對應(yīng)的組件,播放不同的動畫界面,例如,當(dāng)接收到0x02命令時,上位機(jī)就進(jìn)入模擬操作的動畫界面,與單片機(jī)實現(xiàn)互動功能。

3測試結(jié)果

  系統(tǒng)上電開啟電腦,系統(tǒng)自動進(jìn)入上位機(jī)軟件的畫面,等待用戶操作。圖5程序流程圖經(jīng)過反復(fù)調(diào)試,燃?xì)庠钕到y(tǒng)的仿真邏輯以及功能實現(xiàn)已達(dá)到預(yù)定的要求,結(jié)果表達(dá)明確,操作反應(yīng)快,無明顯延遲現(xiàn)象。測試結(jié)果如下:

 ?。?)按下用氣安全知識按鍵,進(jìn)入相關(guān)知識講解界面進(jìn)行觀看,此時對氣閥開關(guān)和點火開關(guān)操作不會有任何響應(yīng);

 ?。?)按下模擬操作按鍵,進(jìn)入模擬操作界面,根據(jù)界面上的文字提示能夠正確完成整個燃?xì)庠畹氖褂眠^程;

 ?。?)如在模擬操作狀態(tài)下未按照文字提示進(jìn)行正確操作,會立刻提示操作錯誤并重新嘗試。4結(jié)論

  本文提出了一種基于單片機(jī)的燃?xì)庠钕到y(tǒng)仿真操作設(shè)計方案,經(jīng)測試表明,該方案具有工作穩(wěn)定、操作簡單、功耗低、節(jié)約成本的優(yōu)點,能夠滿足學(xué)校、社區(qū)乃至政府部門對燃?xì)庠畎踩褂貌僮鞯南腊踩逃幕疽?,適應(yīng)于科技發(fā)展的潮流,未來可以應(yīng)用在更多類似的系統(tǒng)仿真中。

參考文獻(xiàn)

 ?。?] 陳家強(qiáng).在應(yīng)急救援力量體系建設(shè)中充分發(fā)揮公安消防部隊的突擊隊作用[J].消防科學(xué)與技術(shù), 2005,24(5): 614-618.

  [2] 羅東曉.節(jié)能環(huán)保是我國燃?xì)饩弋a(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[J].煤氣與熱力,2012,32(10):66-70.

 ?。?] 劉旭.淺談燃?xì)庠罨馂?zāi)危險性及防范措施[C].安徽省科協(xié)年會——海灣杯“社會消防安全管理創(chuàng)新”專題年會論文集,安徽省科學(xué)技術(shù)協(xié)會、安徽省消防協(xié)會,2011:222-231.

  [4] 華征豪.科技館安全科普宣傳教育的現(xiàn)狀、問題與對策[J]. 科技風(fēng),2015(4):214.

  [5] 江世明,許建明,朱群峰,等.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2013.

 ?。?] 韓克,薛迎霄.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

  [7] 王東峰,王會良,董冠強(qiáng),等.單片機(jī)C語言應(yīng)用100例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.


此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。