用于消防救援的裝備壓力監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與規(guī)劃

撰文/郭斌

■650208 昆明消防指揮學(xué)校訓(xùn)練部應(yīng)急救援教研室 云南 昆明

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用于消防救援的裝備壓力監(jiān)控系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與規(guī)劃

撰文/郭斌

■650208 昆明消防指揮學(xué)校訓(xùn)練部應(yīng)急救援教研室 云南 昆明

用于消防裝備的壓力監(jiān)控系統(tǒng)越穩(wěn)定，越能有效地檢測(cè)消防員使用的消防器件的壓力情況，讓整個(gè)過(guò)程自動(dòng)化、系統(tǒng)化，為消防員提供便捷的操作，可靠的數(shù)值信息，能夠在繁復(fù)的周?chē)h(huán)境中快速的解決各種緊急情況，文章對(duì)此進(jìn)行系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與規(guī)劃研究。關(guān)鍵詞：消防救援；裝備；壓力監(jiān)控系統(tǒng)；整體設(shè)計(jì)

壓力監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)壓力量程是0-40.00MPA，精度是0.2%，主要包括數(shù)字壓力表和藍(lán)牙通信裝備，在計(jì)算機(jī)端有一個(gè)基于MFC的串口通信軟件，如圖2.3所示。數(shù)字壓力表是基于PIC18F65K90單片機(jī)的壓力測(cè)量器，主要功能是檢測(cè)壓力傳感器的模擬信號(hào)，然后通過(guò)軟件處理獲得準(zhǔn)確的數(shù)字信號(hào)。藍(lán)牙通信裝備是基于PIC單片機(jī)的報(bào)警器，主要功能是通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線接收壓力表的壓力信號(hào)，然后按照設(shè)定用LED燈和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

PC機(jī)端是基于VS2008設(shè)計(jì)的MFC軟件。單片機(jī)在工作中得到的一些重要數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在單片機(jī)的EEPROM中，而PC機(jī)端的主要功能是用串口通信獲取這些數(shù)據(jù)，并且把這些數(shù)據(jù)存入SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存。

系統(tǒng)硬件架構(gòu)

硬件整體架構(gòu)主要分為五大功能模塊：PIC18F65K90微控制器、壓力傳感器、藍(lán)牙模塊、LCD液晶顯示和外圍輔助電路。各個(gè)模塊的功能如下：

aPIC18F65K90微控制器

數(shù)字壓力表的核心控制芯片是美國(guó)Microchip技術(shù)公司的PIC18F65K90單片機(jī)，具有穩(wěn)定性高、價(jià)格低廉、功能齊全等特點(diǎn)。

b壓力傳感器模塊

壓力傳感器模塊主要包括主要選用NKP192H型壓力傳感器和放大電路。NKP192H型壓力傳感器是一種擴(kuò)散硅式壓阻式壓力傳感器，壓力信號(hào)通過(guò)MCP6001構(gòu)建的差分放大電路進(jìn)行放大，放大后的壓力信號(hào)就供PIC18F65K90單片機(jī)的A/D模塊采集。

c藍(lán)牙模塊

作為壓力表與藍(lán)牙通信裝備、壓力表與PC機(jī)之間無(wú)線通信的橋梁，采用的是HC-06藍(lán)牙串口模塊。此模塊是藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，利用串口功能傳輸，速度快、穩(wěn)定性高、安全可靠。

dPC機(jī)/藍(lán)牙通信裝備

壓力表一部分?jǐn)?shù)據(jù)傳遞給PC機(jī)，一部分傳遞給藍(lán)牙通信裝備。PC機(jī)端主要是基于MFC類的C++軟件，用于獲取單片機(jī)EEPROM中的數(shù)據(jù)；而藍(lán)牙通信裝備是基于PIC16F886單片機(jī)的設(shè)計(jì)，主要是進(jìn)行壓力報(bào)警。

eLCD液晶模塊

壓 力 信 號(hào) 經(jīng) 過(guò)PIC18F65K90單片機(jī)處理后的到的穩(wěn)定信號(hào)，會(huì)通過(guò)PIC18F65K90單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊顯示到LCD液晶屏上。由于PIC18F65K90單片機(jī)自帶驅(qū)動(dòng)模塊，所以大大減少了周?chē)耐獠侩娐贰?/p>

微控制器模塊

隨著社會(huì)電子技術(shù)飛速發(fā)展，微控制器（Microcontroller）的應(yīng)用的廣泛度也越來(lái)越高，看待微控制器的性能指標(biāo)也越來(lái)越高。PIC18F65K90單片機(jī)具體技術(shù)特點(diǎn)如下所示：

a多種低功耗的工作模式：如果電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，單片機(jī)的時(shí)鐘源選自內(nèi)部定時(shí)器1時(shí)鐘源或者內(nèi)部RC振蕩電路，將會(huì)極大的降低功耗；如果單片機(jī)關(guān)閉內(nèi)部CPU內(nèi)核，也能夠降低功耗。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，功耗一直是重點(diǎn)問(wèn)題，因?yàn)楣╇婋娫词莾晒?jié)1.5V干電池，所以選擇了內(nèi)部500K的RC振蕩電路為時(shí)鐘源，另外啟用睡眠模式的功能作為一種超低功耗的工作模式，這樣能夠減少對(duì)電池電量的消耗。

bPIC18F65K90內(nèi)部自帶了一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)模塊：最多能夠設(shè)置4個(gè)公共端和32個(gè)段，最大像素?cái)?shù)是132；能夠產(chǎn)生A型和B型兩種驅(qū)動(dòng)波形，可以通過(guò)設(shè)置參考梯形電阻改變波形的功耗，然后復(fù)合使用；能夠?qū)?nèi)部7抽頭梯形電阻的設(shè)置改變液晶顯示屏對(duì)比度；在單片機(jī)休眠模式下能夠使得LCD驅(qū)動(dòng)模塊正常使用。LCD驅(qū)動(dòng)模塊不僅能夠簡(jiǎn)化外圍電路，而且大大減少成本。

c多種串行口通信方式：增強(qiáng)型通用同步/異步接收器EUSART，主要包括兩個(gè)相互獨(dú)立的USART模塊，工作模式包括全雙工異步模式、半雙工同步主、從模式；主同步串行端口MSSP。主要有SPI模式和I2C模式這兩種模式。

d12位A/D轉(zhuǎn)換器：PIC18F65K90單片機(jī)的兩路通道可實(shí)現(xiàn)做差運(yùn)算，即差分ADC；通過(guò)設(shè)置內(nèi)部寄存器可以靈活選擇采集時(shí)間，而且在A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)之前改變軟件改變采集時(shí)間，在下一個(gè)采集周期就會(huì)采用最新的采集時(shí)間，無(wú)需等待一個(gè)周期。

e充電時(shí)間測(cè)量單元（CTMU）：把CTMU與單片機(jī)內(nèi)部的模擬模塊一起使用可以非常有效地測(cè)量時(shí)間、電容的大小、脈沖延時(shí)等。此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要用到的是利用CTMU與單片機(jī)內(nèi)部的A/D模塊一起測(cè)量溫度，得到的ADC值與溫度成反比。

f看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）：PIC18F65K90單片機(jī)的看門(mén)狗定時(shí)器標(biāo)準(zhǔn)的溢出時(shí)間是4ms，它還有一個(gè)20位的預(yù)分配器，所以溢出時(shí)間范圍可以由4ms 至4194s之間。系統(tǒng)的超低功耗模式之下，是由看門(mén)狗進(jìn)行喚醒，進(jìn)入正常工作模式，然后再次進(jìn)入休眠模式，如此往復(fù)以實(shí)現(xiàn)功耗的降低目標(biāo)。

壓力傳感器模塊

隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，傳感器技術(shù)已經(jīng)遍布我們生活各處。在生活中，我們看到的、聽(tīng)到的許多信息，都是具有研究利用價(jià)值的，例如光的強(qiáng)弱、聲音的大小等。但是對(duì)于這些信號(hào)電子電路是無(wú)法直接進(jìn)行處理的，需要把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而傳感器就是連接兩端的橋梁，這為電路能夠處理各種非電的模擬信號(hào)提供了技術(shù)支持?，F(xiàn)在各行各業(yè)幾乎都采用到了傳感器技術(shù)，很好的詮釋了數(shù)字化時(shí)代的真正意義。

壓力傳感器模塊是用來(lái)把壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的，此次的NKP192H型壓力傳感器是一種擴(kuò)散硅壓阻式壓力傳感器，量程是0～40MPA，滿量程輸出在70～300mV之間，線性度在±0.25%FS之間，遲滯及重復(fù)性在±0.05%FS之間。

NKP192H型壓力傳感器的輸出的壓力信號(hào)與其所受的壓力呈現(xiàn)線性正比關(guān)系，雖然內(nèi)部硬件電路有對(duì)溫度補(bǔ)償和零點(diǎn)滿量程方面修正的設(shè)計(jì)，但是對(duì)于此次設(shè)計(jì)的壓力監(jiān)控系統(tǒng)的要求還是不夠的，需要在軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候添加一項(xiàng)軟件溫度補(bǔ)償函數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)更加準(zhǔn)確可靠。此次的壓力監(jiān)控系統(tǒng)，主要用的是軟件補(bǔ)償?shù)姆绞剑喊凑詹楸矸ǖ脑恚紫鹊玫饺舾蓸?biāo)定點(diǎn)，用這些直線去逼近傳感器的輸出壓力與壓力傳感器輸出電壓信號(hào)的曲線，然后通過(guò)溫度補(bǔ)償系數(shù)去修正每段直線的系數(shù)，即得到一個(gè)輸出壓力與壓力傳感器輸出電壓信號(hào)和溫度補(bǔ)償系數(shù)的二元函數(shù)。NKP192H型壓力傳感器可靠性強(qiáng)，材質(zhì)堅(jiān)韌，測(cè)試對(duì)象范圍極廣，經(jīng)常運(yùn)用于智能化儀器、儀表等場(chǎng)合中。

HC-06藍(lán)牙串口模塊

用于消防裝備的壓力監(jiān)控系統(tǒng)藍(lán)牙通信裝備是安裝在消防員面罩或者消防車(chē)上的，主要功能是接收壓力表傳輸過(guò)來(lái)的壓力信號(hào)，然后按照原先設(shè)定的限定，通過(guò)LED或者蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警。HC-06藍(lán)牙串口模塊具有如下特點(diǎn)：

a采用CSR公司的藍(lán)牙芯片，采用的是藍(lán)牙2.0技術(shù)，比起藍(lán)牙1.0，其傳輸速率更快，功耗更低，功能也更加完善。

b模塊供電電壓：3.3V～3.6V，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通信模塊以及藍(lán)牙模塊的供電都是由消防員自帶的電源供電，而壓力表主要是由兩節(jié)干電池供電，所以無(wú)需擔(dān)心藍(lán)牙模塊供電問(wèn)題。

c波特率：1200～1382400。在波特率設(shè)置方面，主要是結(jié)合單片機(jī)的震蕩頻率以及波特率誤差，計(jì)算后得出9600是比較理想的選擇。

d工作電流：不大于50MA。較低的功耗也是選擇此模塊主要緣由之一。

e在無(wú)障礙物遮擋情況下，傳輸距離可達(dá)10m以上，一般情況下8m左右這對(duì)于壓力監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)以及足夠了。HC-06藍(lán)牙串口模塊應(yīng)用范圍極廣，在數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線監(jiān)控、設(shè)備連接等方面的到了廣泛的運(yùn)用。

參考：

［1］楊雪，劉詩(shī)斌.壓力傳感器溫度補(bǔ)償各種算法的比較分析［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2013，10:90-92+96.