嵌入式客流監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

郭玉婷 師云秋 楊 楠 徐 穎

（遼寧科技大學(xué) 遼寧鞍山 114000）

嵌入式客流監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

郭玉婷 師云秋 楊 楠 徐 穎

（遼寧科技大學(xué) 遼寧鞍山 114000）

對(duì)紙幣消毒的需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一款具有紙幣進(jìn)入自動(dòng)檢測(cè)、消毒液自動(dòng)加液、烘干溫度檢測(cè)與控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制等功能的客流。對(duì)消毒液的液位檢測(cè)及加液控制，紙幣烘干溫度檢測(cè)及控制的軟硬件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)及樣機(jī)運(yùn)行證明監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

Atmega8 PT100 SPI 紙幣消毒 溫度控制

隨著環(huán)境的污染與惡化，傳染性病毒傳播日益嚴(yán)重，近年的非典和甲流病毒就給人民群眾的健康及生命帶來(lái)極大的危害。作為日常生活必須用到的紙幣，由于在人與人之間的流通，表面附著大量細(xì)菌及病毒，紙幣的使用是傳播傳染病的重要途徑，據(jù)有關(guān)部門(mén)對(duì)流通中的紙幣票面沾染細(xì)菌和病毒的情況調(diào)查發(fā)現(xiàn)：紙幣表面沾染細(xì)菌和病毒高達(dá)十幾種之多，紙幣上如此多的細(xì)菌和病毒對(duì)人們的健康是極大的隱患。對(duì)紙幣進(jìn)行有效地消毒成為一個(gè)重要的課題，目前市場(chǎng)上存在著一些對(duì)紙幣消毒的方法，如紫外線消毒，遠(yuǎn)紅外線消毒等，但效果均不太理想，本文設(shè)計(jì)了一款能夠自動(dòng)涂抹消毒液，并能對(duì)紙幣進(jìn)行烘干和整平的消毒機(jī)。[1]

一、監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)紙幣消毒需求的分析，設(shè)計(jì)了一款以ATMEGA8單片機(jī)作為主控芯片的客流，監(jiān)控系統(tǒng)包括紙幣進(jìn)入檢測(cè)、烘干溫度檢測(cè)、液位檢測(cè)等檢測(cè)環(huán)節(jié)，還包括運(yùn)行狀態(tài)指示、烘干溫度顯示、自動(dòng)加液控制、電機(jī)控制以及烘干溫度控制等輸出控制環(huán)節(jié)。[2]

二、ATMEGA8單片機(jī)

ATMEGA8單片機(jī)是ATMEL公司推出的AVR單片機(jī)，AVR監(jiān)控系統(tǒng)單片機(jī)拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)（CISC）追求指令完備的做法，采用精簡(jiǎn)指令集（RISC），取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令，可達(dá)1MIPS/MHZ。2～3個(gè)PWM通道，可實(shí)現(xiàn)任意小于16位、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出。有18個(gè)不同的獨(dú)立中斷源，并有特定的中斷允許位，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的安全性。片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及工作存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)空間足以滿足監(jiān)控系統(tǒng)需要，并為監(jiān)控系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了必要保證。23個(gè)可編程I/0口，可任意定義I/0的輸入/輸出方向；驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng)LED等大電流負(fù)載，且多數(shù)的I/O口為復(fù)用口，除作為通用數(shù)字I/O使用外，其第二功能可作為芯片內(nèi)部其他外圍電路的接口。具有三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，除了能夠?qū)崿F(xiàn)通常的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能外，還具有捕捉、比較、脈寬調(diào)制輸出、實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)等更為強(qiáng)大的功能。ADC和DAC轉(zhuǎn)換，可直接輸入模擬量、輸出數(shù)字量。有看門(mén)狗電路，一旦程序進(jìn)入死循環(huán)能自動(dòng)復(fù)位，保證監(jiān)控系統(tǒng)工作的可靠性。有空閑、省電、掉電三種低功耗方式，很適合低功耗監(jiān)控系統(tǒng)的要求。[3]

三、消毒液液位檢測(cè)與控制

本監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中利用探針檢測(cè)消毒液的液位，并根據(jù)檢測(cè)的狀態(tài)控制儲(chǔ)液罐的電池閥的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加液的功能。消毒液的液位檢測(cè)采用了探針的檢測(cè)原理，將三根探針安裝成不同的高度，當(dāng)兩根之間全浸泡在液體當(dāng)中時(shí)，兩者之間的電阻較小，當(dāng)兩者之間沒(méi)有液體浸泡時(shí)，電阻較大。進(jìn)水的控制是由單片機(jī)的I/O口通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)行控制。如果高液位端檢測(cè)到信號(hào)，則停止加液，如果低液位端檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，開(kāi)啟加液。加液和停止加液之間設(shè)置了一個(gè)回差值，避免液位在某一點(diǎn)附近來(lái)回波動(dòng)造成液位控制的頻繁動(dòng)作。

四、溫度檢測(cè)與控制

1. 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)部分是監(jiān)控系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)之一，直接影響到監(jiān)控系統(tǒng)溫度測(cè)量的精度，因而選擇一款合適的溫度傳感器和設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)良的溫度檢測(cè)電路非常重要。常見(jiàn)的溫度傳感器有電阻式溫度傳感器、熱電偶傳感器和集成溫度傳感器。集成溫度傳感器如DS18B20測(cè)量的精度較高，但測(cè)量的過(guò)程占用較多的CPU資源，測(cè)量溫度的范圍并不是很寬；對(duì)于電阻式溫度傳感器，有普通的熱敏電阻傳感器，也有精度較高的鉑電阻傳感器，從測(cè)量的精度和測(cè)量的范圍分析，鉑電阻傳感器具有較好的線性度和較寬的溫度測(cè)量范圍，故在本監(jiān)控系統(tǒng)選用PT100鉑電阻溫度傳感器。

在0～100oC范圍內(nèi)，PT100鉑熱電阻的阻值和溫度關(guān)系近似為線性，其溫度阻值關(guān)系可近似為：

當(dāng)0oC＜t＜100oC時(shí)Rt是溫度為toC時(shí)PT100的阻值。

運(yùn)放的輸出的電壓的表達(dá)式為：

由于溫度基本上時(shí)在0～100℃之間，2k+Rpt100≈2100，為了簡(jiǎn)化單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，對(duì)可對(duì)表達(dá)式作近似處理，近似后的表達(dá)式為：

2. 溫度采集與控制

在本監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)PT100溫度傳感器檢測(cè)溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)信號(hào)放大電路放大后的電壓送入單片機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)沒(méi)有采用外接A/D轉(zhuǎn)換器的方式，而是采用了ATMEGA8單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，ATMEGA8單片機(jī)內(nèi)置了8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)PC口進(jìn)行復(fù)用，通過(guò)對(duì)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的相關(guān)設(shè)置，在AD轉(zhuǎn)換的中斷處理程序中讀取采集的溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的溫度個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，采集的溫度個(gè)數(shù)達(dá)到十個(gè)時(shí)設(shè)置溫度采集完成標(biāo)志。采用軟件濾波的方法，去掉10個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，對(duì)中間的八個(gè)數(shù)據(jù)求平均值，并由此數(shù)據(jù)回算出溫度值。[4]

本監(jiān)控系統(tǒng)溫度控制中通過(guò)比較檢測(cè)到溫度值與設(shè)置溫度值以決定是否要進(jìn)行加溫控制，同時(shí)也決定是否要進(jìn)行紙幣進(jìn)入的檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到的溫度值低于設(shè)定的溫度值時(shí)，烘干燈管進(jìn)行加溫控制，紅色指示燈亮，綠色指示燈滅代表監(jiān)控系統(tǒng)還在加溫狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉紙幣進(jìn)入的檢測(cè)，此時(shí)即使有紙幣送入輸入口，電機(jī)也不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)加熱溫度超過(guò)設(shè)置的溫度值時(shí)，烘干燈管停止加熱，綠色指示燈亮，紅色指示燈滅，代表已到達(dá)合適溫度，置溫度到達(dá)標(biāo)志，并開(kāi)紙幣允許進(jìn)入的檢測(cè)，此時(shí)若有紙幣進(jìn)入，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將會(huì)運(yùn)行。根據(jù)加熱燈管的加熱性質(zhì)，監(jiān)控系統(tǒng)采用了比例控制算法，根據(jù)設(shè)定的溫度值與當(dāng)前溫度值的差值，設(shè)置對(duì)應(yīng)的加熱時(shí)間。

[1] 陳 寧.多用途醫(yī)用儀器消毒機(jī)的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2007(3):11-12

[2] 馬潮. ATmega8原理及應(yīng)用手冊(cè)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2003:2-3

[3] 張軍,宋濤. AVR單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)例[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009: 45-47

[4] 陳德龍.基于Pt100的電子溫度表設(shè)計(jì)[J]. 杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2005(4):42-45

*遼寧科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目201710146000024