一種燃?xì)庠畎踩僮魈摂M演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

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)

一種燃?xì)庠畎踩僮魈摂M演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

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)

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(shí)現(xiàn)方案。用單片機(jī)仿真燃?xì)庠畹狞c(diǎn)火和開關(guān)控制，配合PC可實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)場(chǎng)景的燃?xì)庠畎踩褂貌僮饔?xùn)練。實(shí)際測(cè)試表明，該方案操作簡(jiǎn)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。

單片機(jī)；廚房燃?xì)庠钕到y(tǒng)仿真；用氣安全教育

0 引言

在社會(huì)飛速發(fā)展的同時(shí)，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(gè)不容忽視的問題。要切實(shí)提高全民的消防安全意識(shí)，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(shì)頭迅猛，燃?xì)庠钛b置在全國(guó)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(shí)宣傳力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)槿細(xì)庠钍褂梅椒ú划?dāng)引起的火災(zāi)甚至爆炸事故時(shí)有發(fā)生[3]，為此有必要加強(qiáng)對(duì)公眾特別是青少年使用燃?xì)庠畹陌踩逃?guó)內(nèi)一些安全教育場(chǎng)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(shí)的燃?xì)庠钕到y(tǒng)對(duì)公眾進(jìn)行操作安全演示教育具有一定的危險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)方案。該方案通過對(duì)硬件的仿真處理協(xié)同上位機(jī)交互動(dòng)畫共同引導(dǎo)青少年正確完成對(duì)燃?xì)庠畹牟僮鳎?duì)青少年進(jìn)行相關(guān)的消防安全知識(shí)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(shí)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(shí)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(cè)以及內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter，ADC)通道對(duì)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。

圖1 燃?xì)庠罘抡嫦到y(tǒng)框架

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jì)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(shí)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。

逐次比較型的ADC通過與DAC逐次比較邏輯，從最高位依次對(duì)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(duì)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(chǔ)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(diǎn)[6]。

圖4 串行口模式1通信收發(fā)時(shí)序圖

圖2 AD采樣模塊系統(tǒng)框圖

通過單片機(jī)的ADC功能將點(diǎn)火開關(guān)旋鈕平均地劃分成10個(gè)擋位，每一個(gè)擋位都代表著爐火不同程度的火力情況，其中第一個(gè)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(shí)現(xiàn)

為了對(duì)應(yīng)上述點(diǎn)火開關(guān)的10個(gè)擋位，通過單片機(jī)控制PWM輸出，進(jìn)而控制LED對(duì)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?yàn)樗械哪K共用PCA定時(shí)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(dú)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(shí)，輸出為低；當(dāng){0, CL[7:0]}的值等于或者大于{EPCnL, CCAPnL[7:0]}時(shí)，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時(shí)，{EPCnH, CCAPnH[7:0]}的內(nèi)容裝載到{EPCnL, CCAPnL[7:0]}中。這樣就可實(shí)現(xiàn)PWM輸出的無干擾更新。

圖3 PWM結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 上位機(jī)通信的實(shí)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(gè)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(gè)串行口都有4種工作模式，本設(shè)計(jì)采用工作模式1，即8位UART，波特率設(shè)置為9 600 b/s。

串行口收發(fā)時(shí)序如圖4所示，發(fā)送時(shí)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(shí)就啟動(dòng)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(huì)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(shí)允許發(fā)送信號(hào)“SEND”失效，完成信息發(fā)送。在接收信息時(shí)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(cè)到RxD端口有從“1”負(fù)跳變到“0”時(shí)就啟動(dòng)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(dòng)，當(dāng)起始位“0”移動(dòng)到了移位寄存器的最左邊時(shí)，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(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)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(jì)

2.2.1 單片機(jī)軟件的實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、中斷服務(wù)程序、定時(shí)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(cè)按鍵是否按下、判斷是進(jìn)行安全知識(shí)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(cè)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(cè)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(duì)AD信號(hào)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?。蛔詈髾z測(cè)是否收到終止命令，若未收到終止命令則繼續(xù)對(duì)氣閥開關(guān)狀態(tài)和AD采樣信號(hào)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，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(shí)現(xiàn)

上位機(jī)動(dòng)畫使用Unity3D進(jìn)行構(gòu)建，Unity3D可支持所有平臺(tái)，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(dòng)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(duì)應(yīng)的組件，播放不同的動(dòng)畫界面，例如，當(dāng)接收到0x02命令時(shí)，上位機(jī)就進(jìn)入模擬操作的動(dòng)畫界面，與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)功能。

3 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)上電開啟電腦，系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)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(cè)試結(jié)果如下：

(1)按下用氣安全知識(shí)按鍵，進(jìn)入相關(guān)知識(shí)講解界面進(jìn)行觀看，此時(shí)對(duì)氣閥開關(guān)和點(diǎn)火開關(guān)操作不會(huì)有任何響應(yīng)；

(2)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(gè)燃?xì)庠畹氖褂眠^程;

(3)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(huì)立刻提示操作錯(cuò)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(jì)方案，經(jīng)測(cè)試表明，該方案具有工作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、功耗低、節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足學(xué)校、社區(qū)乃至政府部門對(duì)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。

[1] 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(duì)的突擊隊(duì)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(guó)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.

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

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[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.

[6] 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(huì)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.

Design of a virtual demo system for training the security operating of gas stove

Guo Haohui，Xu Zhimeng

(College of Physics & Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350100, China)

An implementation of an electronic system based on microcontroller and PC is proposed for training the security operation of gas stove. By using microcontroller and PC to simulate the fire and operation of gas stove, this system can realize the training of operating gas stove in safe way like in the reality world. Practical tests show that the design is simple, easy and has a good simulation effect with low hardware cost, thus it can be used on the public educate of fire safety.

single chip microcomputer; kitchen gas system simulation; gas safety education

福州大學(xué)科技發(fā)展基金(2013-XQ-43)

TP368.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.008

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(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(8)：23-25.

2016-10-26)

郭浩輝(1993-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：通信工程。E-mail：370388036@qq.com。

許志猛(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：超寬帶無線通信技術(shù)。

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