燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

宋志平，葉　柳，楊　名

(安徽大學(xué)，安徽 合肥　230601)

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燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

宋志平，葉柳，楊名

(安徽大學(xué)，安徽 合肥230601)

摘 要：給出以單片機(jī)為核心的燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的完整流程：包括設(shè)計(jì)要求、總體方案、Proteus環(huán)境下的原理圖設(shè)計(jì)及軟硬件仿真調(diào)試實(shí)驗(yàn)等?？梢詾闇囟?、壓力、光強(qiáng)等其它常見(jiàn)物理量測(cè)量控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞：測(cè)量系統(tǒng)；仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)；單片機(jī)控制；Proteus仿真平臺(tái)

物理量自動(dòng)測(cè)量與控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，小到日常的家用電器，大到航空航天遙感測(cè)量設(shè)備均能看到這類系統(tǒng)的應(yīng)用。這類系統(tǒng)通常以單片機(jī)等微控制器作為控制中心[1-4]，其電路和軟件設(shè)計(jì)流程具有一定的通用性，可以相互借鑒。本文以燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求出發(fā)，給出了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，并在Proteus仿真軟件平臺(tái)上完成了電路原理圖設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及軟硬件仿真調(diào)試等全過(guò)程?？蔀閷?shí)現(xiàn)類似的物理量測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)提供有益參考。

1燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)要求

燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃?xì)庑孤舛?，并在泄漏濃度超出安全范圍時(shí)切斷氣源，給出警報(bào)信號(hào)，以確保用戶的用氣安全。燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)要求如下：

※能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示燃?xì)庑孤舛龋?/p>

※能準(zhǔn)確判斷燃?xì)庑孤舛仁欠癯瑯?biāo)；

※如果泄漏濃度超標(biāo)，能及時(shí)切斷氣源，并發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

1.2設(shè)計(jì)方案

根據(jù)燃?xì)庑孤﹫?bào)警器的設(shè)計(jì)要求，可采用圖1所示的設(shè)計(jì)方案。

圖1中的傳感器將泄漏的燃?xì)獍礉舛炔煌D(zhuǎn)換成不同大小的電信號(hào)。通常，傳感器輸出的電信號(hào)幅度較低，需經(jīng)過(guò)放大器放大至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)線性度較好的幅值范圍。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，供單片機(jī)讀寫(xiě)和進(jìn)一步處理。單片機(jī)是整個(gè)燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的測(cè)量控制處理中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換處理、顯示及報(bào)警控制等功能。顯示器模塊可以實(shí)時(shí)顯示泄漏燃?xì)獾臐舛戎?。?dāng)測(cè)量得到的泄漏燃?xì)鉂舛戎蹈哂谠O(shè)定的安全濃度值時(shí)，單片機(jī)先切斷氣源開(kāi)關(guān)，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警模塊工作，報(bào)警燈亮，揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)聲音。

2燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

Proteus是目前可用來(lái)進(jìn)行軟硬件聯(lián)合仿真調(diào)試實(shí)驗(yàn)的最先進(jìn)的虛擬電子實(shí)驗(yàn)室軟件平臺(tái)[5-7]。利用Proteus仿真實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)軟件，我們開(kāi)展了燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)電路和程序仿真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。包括電路原理圖仿真設(shè)計(jì)、測(cè)控程序的編寫(xiě)及軟硬件聯(lián)調(diào)等幾方面工作。

2.1原理圖仿真設(shè)計(jì)

圖2是在Proteus仿真實(shí)驗(yàn)室軟件環(huán)境下設(shè)計(jì)的燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)電路原理圖。

圖中利用滑動(dòng)變阻器對(duì)5 V電源分壓模擬燃?xì)鉂舛葌鞲衅鳌roteus仿真軟件元件庫(kù)中，滑動(dòng)變阻器模型的中間抽頭位置可調(diào)節(jié)，通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器中間抽頭的位置可改變中間抽頭與滑動(dòng)變阻器兩端接線柱間的電阻值。因此，當(dāng)滑動(dòng)變阻器中間抽頭的位置改變時(shí)，中間抽頭與地間的電壓值會(huì)隨之改變，其效果等效于燃?xì)庑孤舛炔煌瑫r(shí)，傳感器輸出不同的電壓值。

Proteus仿真軟件元件庫(kù)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為理想器件，在整個(gè)測(cè)量電壓范圍內(nèi)，可以認(rèn)為具有良好的線性。因此仿真原理圖設(shè)計(jì)中可以省去放大器，將滑動(dòng)變阻器中間抽頭直接連接至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端。原理圖中使用的是8通道、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0808，利用其中的任一個(gè)通道(本原理圖中使用的是IN0)，可將傳感器輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字量。單片機(jī)控制啟動(dòng)ADC0808工作，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將結(jié)果送數(shù)碼管顯示。同時(shí)，將轉(zhuǎn)換結(jié)果與預(yù)設(shè)的燃?xì)庑孤┌踩撝禎舛冗M(jìn)行比較，如果大于閾值濃度則切斷氣源開(kāi)關(guān)，點(diǎn)亮紅色LED燈報(bào)警，揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)聲音。否則，綠色LED燈亮，表示泄漏燃?xì)鉂舛忍幱诎踩捣秶?/p>

2.2軟件流程

燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其全部功能均是由CPU執(zhí)行程序控制相關(guān)的硬件模塊實(shí)現(xiàn)的。仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，軟件既可以用匯編語(yǔ)言也可以用C51編寫(xiě)。其流程如下圖3所示。

2.3仿真調(diào)試實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

在Keil C環(huán)境下，完成燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)程序的編輯、編譯，生成HEX文件。在Proteus原理圖設(shè)計(jì)環(huán)境下，將生成的HEX文件加載到原理圖的CPU中，按下原理圖仿真運(yùn)行按鈕，CPU開(kāi)始執(zhí)行程序，燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)開(kāi)始工作。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器中間抽頭的位置， 模擬不同的燃?xì)庑孤舛龋治雠袛嘞到y(tǒng)的所有功能模塊是否正常工作。如與設(shè)計(jì)的功能不符，可利用Proteus仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的虛擬儀器(如萬(wàn)用表、示波器等)對(duì)存在的問(wèn)題跟蹤定位，

排除硬件和軟件設(shè)計(jì)中可能存在的錯(cuò)誤。

(1)燃?xì)庑孤舛鹊陀谠O(shè)定的閾值；(2)燃?xì)庑孤┑臐舛雀哂谠O(shè)定的閾值

圖4是經(jīng)過(guò)軟件、硬件調(diào)試后的燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)仿真運(yùn)行效果圖。

當(dāng)泄漏的燃?xì)鉂舛鹊陀谠O(shè)定的安全濃度閾值時(shí)(仿真調(diào)試時(shí)設(shè)計(jì)的安全濃度閾值為2.00)，綠色LED燈亮，表示處于安全狀態(tài)，藍(lán)色的LED燈亮表示燃?xì)夤艿篱y門(mén)是打開(kāi)的。七段數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前燃?xì)庑孤┑臐舛?由于仿真實(shí)驗(yàn)，傳感器是模擬的，無(wú)法進(jìn)行燃?xì)鉂舛鹊臉?biāo)定，數(shù)碼管顯示的是滑動(dòng)變阻器中間抽頭對(duì)地的電壓值)。系統(tǒng)仿真運(yùn)行的效果如圖4(1)所示。當(dāng)泄漏的燃?xì)鉂舛雀哂陬A(yù)先設(shè)定的安全閾值時(shí)，首先CPU將控制切斷燃?xì)忾y門(mén)，繼電器斷開(kāi)，藍(lán)色的LED燈熄滅，接著使紅色LED燈點(diǎn)亮，并通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲音，顯示器則顯示發(fā)現(xiàn)泄漏超閾值時(shí)刻的燃?xì)庑孤舛戎?同圖4(1)，實(shí)際顯示的是電壓值)。系統(tǒng)仿真運(yùn)行的效果如圖4(2)所示。

3結(jié)論

根據(jù)燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在Proteus仿真軟件平臺(tái)上完成了燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)與調(diào)試。最終的仿真調(diào)試結(jié)果表明燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)的電路和軟件設(shè)計(jì)是正確的，達(dá)到了預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)是典型的物理量測(cè)量控制系統(tǒng)，其仿真設(shè)計(jì)、調(diào)試及實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆文林，張永祥，張冠芬.智能化多功能物理量測(cè)量?jī)x[J].物理實(shí)驗(yàn)，2013，33(12)：9-12.

[2]韓雪，閻焜，袁振中,等.基于STC89C52單片機(jī)的測(cè)速計(jì)設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(3)：66-69.

[3]潘勇，孟慶斌.基于DS18B20的多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008，31(9)：91-94.

[4]黃興洲，薛德寬，劉雪林，等.基于單片機(jī)的自供電供暖溫度智能調(diào)控裝置[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015，28(2)：73-76.

[5]于博，楊曉慶.基于Keil C51與Proteus仿真聯(lián)合的單片機(jī)應(yīng)用研究[J].軟件工程師，2015，18(9)：51-52.

[6]聶茹.基于Proteus的汽車(chē)空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].系統(tǒng)仿真技術(shù)，2012，8(4)：346-350.

[7]張明長(zhǎng).Proteus仿真軟件在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012，25(5)：68-71.

Simulation Design and Experiment of Gas Leakage Alarm System

SONG Zhi-ping,YE Liu,YANG Ming

(Anhui University,Anhui Hefei 230601)

Key words：measuring system；simulation design and experiment；control based on SCM；Proteus software

Abstract：The whole process,including the design requirements,design scheme,schematic design and the hardware and software simulation debugging experiment on the Proteus environment,is prevented on the simulation design and experiment of the gas leakage alarm system which is cored by the SCM,which will provide a reference on simulation design and experiment to the other similar physical quantities measuring control system,such as temperature,pressure etc.

收稿日期：2016-01-27

基金項(xiàng)目：安徽大學(xué)2014年省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目(2014zy007，2014gxk008，2014xnzx002，2014tszy004)；安徽大學(xué)本科教育質(zhì)量提升計(jì)劃項(xiàng)目(xjyykc1402，xjtszy1401)

文章編號(hào)：1007-2934(2016)03-0027-05

中圖分類號(hào)：O 4-33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.009