郭浩輝，許志猛
?。ǜＶ荽髮W 物理與信息工程學院，福建 福州 350100）
摘要：提出了一種基于單片機和PC的燃氣灶安全操作演示系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。用單片機仿真燃氣灶的點火和開關控制，配合PC可實現(xiàn)模擬真實場景的燃氣灶安全使用操作訓練。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。
關鍵詞：單片機；廚房燃氣灶系統(tǒng)仿真；用氣安全教育
中圖分類號：TP368.2文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.008
引用格式：郭浩輝，許志猛.一種燃氣灶安全操作虛擬演示系統(tǒng)的設計［J］.微型機與應用，2017,36（8）：23-25.
0引言
*基金項目：福州大學科技發(fā)展基金（2013XQ43）在社會飛速發(fā)展的同時，人們的生活水平和質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，天然氣產業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，燃氣灶裝置在全國大、中、小城市居民家中隨處可見［2］。然而相關的消防安全知識宣傳力度遠遠不夠，因為燃氣灶使用方法不當引起的火災甚至爆炸事故時有發(fā)生［3］，為此有必要加強對公眾特別是青少年使用燃氣灶的安全教育。國內一些安全教育場館陸續(xù)引入了燃氣灶使用安全教育演示系統(tǒng)［4］。
使用真實的燃氣灶系統(tǒng)對公眾進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開發(fā)的燃氣灶仿真設備的實現(xiàn)方案。該方案通過對硬件的仿真處理協(xié)同上位機交互動畫共同引導青少年正確完成對燃氣灶的操作，并對青少年進行相關的消防安全知識教育。在當前背景下，該系統(tǒng)可以作為燃氣灶使用方面的消防安全教育設備。
1整體框架
燃氣灶仿真系統(tǒng)由單片機部分和上位機部分組成。燃氣灶仿真系統(tǒng)框架如圖1所示。按鍵1進入消防安全知識教育講解界面，按鍵2進入燃氣灶模擬操作界面，其中上位機部分通過PC端演示消防安全知識和指示正確使用燃氣灶的步驟；單片機部分通過按鍵檢測以及內部的模數(shù)轉換器（Analog to Digital Converter，ADC）通道對打火開關和氣閥開關的操作信息進行采集、分析，最后結合上位機的步驟指示控制由藍色LED燈模擬的爐火燃燒情況。
2系統(tǒng)設計
2.1系統(tǒng)硬件設計
本文采用STC15F2K60S2單片機做控制器，它是一款高速、高可靠、低功耗和超強抗干擾的單片機，自帶8路高速10位A/D轉換、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)，可用于脈寬調制（Pulse Width Modulation, PWM）輸出［5］。
2.1.1打火及氣閥開關的模擬實現(xiàn)
STC1系列單片機的ADC組成包括：多路選擇開關、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC和轉換結果寄存器。
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置DAC輸出進行比較，經過多次比較使得轉換后的數(shù)字量逐漸逼近輸入模擬量的對應值。如圖2所示，將輸入端模擬量和DAC的輸出的模擬量發(fā)送到比較器中進行比較，比較結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］。
通過單片機的ADC功能將點火開關旋鈕平均地劃分成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火，隨著擋位增大，虛擬爐火的LED明亮程度增高，表示燃氣灶的火力增大。
2.1.2爐火仿真的實現(xiàn)
為了對應上述點火開關的10個擋位，通過單片機控制PWM輸出，進而控制LED對應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。脈沖寬度調節(jié)如圖3所示，當寄存器{0, CL［7:0］}的值小于{EPCnL, CCAPnL［7:0］}時，輸出為低；當{0, CL［7:0］}的值等于或者大于{EPCnL, CCAPnL［7:0］}時，輸出為高。當CL的值由FF變?yōu)?0溢出時，{EPCnH, CCAPnH［7:0］}的內容裝載到{EPCnL, CCAPnL［7:0］}中。這樣就可實現(xiàn)PWM輸出的無干擾更新。
2.1.3上位機通信的實現(xiàn)
單片機與上位機的交互通過串行口通信完成，STC15F4K60S單片機具有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，本設計采用工作模式1，即8位UART，波特率設置為9 600 b/s。
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，當主機執(zhí)行寫“SBUF”的指令時就啟動串行口通信的發(fā)送，把“1”轉入發(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“0”，當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，當檢測到RxD端口有從“1”負跳變到“0”時就啟動接收器準備接收數(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)軟件設計
2.2.1單片機軟件的實現(xiàn)
軟件設計主要包括主程序、中斷服務程序、定時程序、AD采樣程序和PWM火力調節(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、判斷是進行安全知識學習模式還是模擬操作模式。若進行模擬操作模式，則開始檢測氣閥是否開啟，氣閥關閉由LED模擬的爐火處于熄滅狀態(tài)，當氣閥打開后立即進行AD采樣并檢測是否達到開關閾值，未達到開關閾值爐火仍處于熄滅狀態(tài)，如達到閾值則對AD信號進行處理，通過PWM控制調節(jié)LED明亮程度來表示爐火的大?。蛔詈髾z測是否收到終止命令，若未收到終止命令則繼續(xù)對氣閥開關狀態(tài)和AD采樣信號的狀態(tài)進行檢測，如收到終止命令則退出，回到初始界面。
2.2.2上位機軟件的實現(xiàn)
上位機動畫使用Unity3D進行構建，Unity3D可支持所有平臺，且內置光照貼圖、遮擋剔除和調試器等強大功能。這里將燃氣灶操作的不同階段制作成動畫并打包成組件，通過PC端的COM1口接收單片機傳送過來的串行口命令來調用對應的組件，播放不同的動畫界面，例如，當接收到0x02命令時，上位機就進入模擬操作的動畫界面，與單片機實現(xiàn)互動功能。
3測試結果
系統(tǒng)上電開啟電腦，系統(tǒng)自動進入上位機軟件的畫面，等待用戶操作。圖5程序流程圖經過反復調試，燃氣灶系統(tǒng)的仿真邏輯以及功能實現(xiàn)已達到預定的要求，結果表達明確，操作反應快，無明顯延遲現(xiàn)象。測試結果如下：
?。?）按下用氣安全知識按鍵，進入相關知識講解界面進行觀看，此時對氣閥開關和點火開關操作不會有任何響應；
?。?）按下模擬操作按鍵，進入模擬操作界面，根據(jù)界面上的文字提示能夠正確完成整個燃氣灶的使用過程;
?。?）如在模擬操作狀態(tài)下未按照文字提示進行正確操作，會立刻提示操作錯誤并重新嘗試。4結論
本文提出了一種基于單片機的燃氣灶系統(tǒng)仿真操作設計方案，經測試表明，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，能夠滿足學校、社區(qū)乃至政府部門對燃氣灶安全使用操作的消防安全教育的基本要求，適應于科技發(fā)展的潮流，未來可以應用在更多類似的系統(tǒng)仿真中。
參考文獻
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