基于無(wú)線WiFi的煤氣報(bào)警器的設(shè)計(jì)

李 紅，屈澤明

(湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)公司，湖南 湘潭 411101)

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基于無(wú)線WiFi的煤氣報(bào)警器的設(shè)計(jì)

李 紅，屈澤明

(湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)公司，湖南 湘潭 411101)

針對(duì)傳統(tǒng)的煤氣報(bào)警器的缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于WiFi的煤氣報(bào)警控制器。通過(guò)傳感器對(duì)煤氣濃度的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)濃度的顯示、語(yǔ)音報(bào)警，并具有LED點(diǎn)陣屏顯示功能。利用RS232/WiFi模塊實(shí)現(xiàn)了控制器與智能手機(jī)或PC之間通過(guò)WiFi的方便連接和數(shù)據(jù)傳輸。該控制器具有成本低、運(yùn)行可靠、顯示醒目、通信方便等優(yōu)點(diǎn)，從而使得控制器具有較好的推廣意義。

單片機(jī)；RS485總線；遠(yuǎn)程監(jiān)控；WiFi

0 引言

鋼鐵企業(yè)使用的煤氣主要包括焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣以及轉(zhuǎn)爐煤氣。由于這些煤氣的存在，增加了煤氣中毒的風(fēng)險(xiǎn)。為了降低煤氣中毒的風(fēng)險(xiǎn)，各個(gè)鋼鐵公司在預(yù)防煤氣中毒的工作方面做了大量的工作，但是鋼鐵行業(yè)煤氣泄漏造成人員傷亡的事故仍然時(shí)有發(fā)生，說(shuō)明鋼鐵行業(yè)預(yù)防煤氣中毒方面仍有大量的工作需要進(jìn)一步改善[1]。

目前湖南湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司主要有兩種報(bào)警裝置，一種是固定式煤氣報(bào)警儀，一種是便攜式煤氣報(bào)警儀。固定式煤氣報(bào)警儀安裝時(shí)，一般把探頭安裝在煤氣區(qū)域，把帶有顯示功能的主控制器安裝在操作室。因?yàn)槊總€(gè)煤氣區(qū)域都可能作業(yè)，故每個(gè)煤氣區(qū)域都需要安裝一套煤氣報(bào)警裝置。這種方案存在兩種缺陷：一是在煤氣區(qū)域的人員不能觀察到煤氣實(shí)時(shí)濃度和變化趨勢(shì)；二是只需要關(guān)注有人員在煤氣區(qū)域作業(yè)時(shí)的煤氣濃度，其他時(shí)間不必關(guān)心煤氣濃度，這樣造成了投資和資源的浪費(fèi)。便攜式煤氣報(bào)警儀可以攜帶在身上，煤氣超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警聲音。這種方案克服了安裝固定式煤氣報(bào)警儀現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員不知道煤氣濃度的缺陷及應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)，但是又有新的問(wèn)題出現(xiàn)，一是操作室的人員不知道現(xiàn)在煤氣濃度的情況；二是由于煤氣區(qū)域作業(yè)的人員需要每人攜帶一部煤氣報(bào)警儀，需要備用的數(shù)量較多，成本仍然較高。

1 控制器方案設(shè)計(jì)及其硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由檢測(cè)電路、LED數(shù)碼管顯示電路、LED點(diǎn)陣屏顯示電路、RS232/WiFi模塊及通過(guò)WiFi網(wǎng)路連接的PC、智能手機(jī)等智能終端設(shè)備組成，本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。傳感器MQ-5檢測(cè)氣體中的可燃?xì)怏w的濃度，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換，采集進(jìn)入MCU中。MCU根據(jù)煤氣的實(shí)時(shí)濃度，判斷是否應(yīng)給出聲音報(bào)警，并在LED數(shù)碼管上顯示實(shí)時(shí)濃度，同時(shí)MCU發(fā)出數(shù)據(jù)及控制信號(hào)到LED點(diǎn)陣顯示屏，使LED點(diǎn)陣顯示屏顯示相應(yīng)的提示文字。通過(guò)RS232/WiFi模塊，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程PC的WiFi網(wǎng)路連接，從而解決了便攜式煤氣報(bào)警儀遠(yuǎn)程不能監(jiān)控的缺陷，同時(shí)就地與煤氣區(qū)域的智能手機(jī)等智能設(shè)備連接，通過(guò)APP實(shí)現(xiàn)了在智能手機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，相當(dāng)于可以便捷地實(shí)現(xiàn)每人攜帶一部煤氣報(bào)警儀。這樣的設(shè)計(jì)即解決了遠(yuǎn)程和本地目前不可兼顧顯示煤氣濃度的缺陷。由于設(shè)計(jì)裝置是可移動(dòng)的，只需要一套設(shè)備就可滿足作業(yè)要求，故也解決了成本問(wèn)題。

1.1 LED點(diǎn)陣顯示屏的設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了32×64陣列的LED點(diǎn)陣顯示屏，除了發(fā)光二極管外，它主要由行驅(qū)動(dòng)電路和列驅(qū)動(dòng)電路組成。行驅(qū)動(dòng)電路主要由74HC138、功率管驅(qū)動(dòng)MOS管4953等元器件組成，對(duì)來(lái)自LED點(diǎn)陣顯示屏接口Jin的地址信息信號(hào)A、B、C、D進(jìn)行譯碼處理，使單元板其中兩行為低電平(這兩行在數(shù)字上始終相差16)，從而實(shí)現(xiàn)了顯示兩行的數(shù)據(jù)信息。列驅(qū)動(dòng)電路包括兩路，主要利用74HC595來(lái)實(shí)現(xiàn)，它把從顯示屏控制器串口輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行串進(jìn)/并出處理，并存儲(chǔ)顯示屏點(diǎn)陣一行的數(shù)據(jù)信息。列驅(qū)動(dòng)有兩行，其中Jin接口的Da0的列數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)上面16×64的LED陣列，Jin接口的Da1的列數(shù)據(jù)用于驅(qū)動(dòng)下面16×64的LED陣列。同時(shí)顯示兩行的行驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及兩組列驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了32×64陣列可顯示8個(gè)16×16點(diǎn)陣的漢字[2]。32×64點(diǎn)陣LED顯示原理圖如圖2所示。

圖1 控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 LED點(diǎn)陣顯示屏的設(shè)計(jì)

1.2 主要硬件選型及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

MCU選取STC12C5A60S2作為控制核心，STC12C5A16S2是一種具有低功耗、高性能 CMOS、運(yùn)行速度快(是普通89C51系列單片機(jī)運(yùn)行速度的12倍)等特點(diǎn)的 8位微控制器。集成的資源也比較豐富，包括：16 KB Flash，1 280 B RAM，32 bit I/O端口，4個(gè)16 bit定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器， 8個(gè)10 bit ADC，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路等。由于控制器本身帶有ADC，故可以省略ADC電路，從而簡(jiǎn)化了電路，節(jié)約了成本，同時(shí)可以降低故障率，提高穩(wěn)定性。

利用MQ-5氣體傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中的可燃?xì)怏w的檢測(cè)，MQ-5氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-5具有探測(cè)范圍廣、靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)快、穩(wěn)定性能好、壽命長(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，從而被廣泛用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、氫氣、人工煤氣等的探測(cè)，其探測(cè)范圍 為300～10 000 ppm。

RS232/WiFi模塊選用HLK-RM04模塊，它是海凌科電子新推出的低成本高性能嵌入式UART-ETH-WiFi(串口-以太網(wǎng)-無(wú)線網(wǎng))模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)(WiFi)3個(gè)接口之間的任意透明轉(zhuǎn)換。利用HLK-RM04模塊，可以使傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，方便快捷地通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。它支持TCP/UDP/ARP/ICMP/HTTP/DNS/DHCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，串口速率在1 200～230 400 b/s范圍內(nèi)可調(diào)。

相比于LCD液晶屏來(lái)說(shuō)，LED數(shù)碼管鮮艷的色彩更加醒目，由于在本設(shè)計(jì)中數(shù)碼管是用來(lái)實(shí)時(shí)顯示可燃?xì)怏w濃度和設(shè)定報(bào)警值的，因此醒目是有必要的，故在本系統(tǒng)中選用LED數(shù)碼管來(lái)顯示可燃?xì)怏w濃度。LED數(shù)碼管顯示電路主要由4位共陰極LED數(shù)碼管及驅(qū)動(dòng)電路組成，采用動(dòng)態(tài)掃描的顯示方式，節(jié)約了MCU數(shù)量有限的I/O資源。通過(guò)使用集成的達(dá)林頓芯片ULN2008來(lái)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管4位LED數(shù)碼管，相對(duì)于傳統(tǒng)的三極管驅(qū)動(dòng)電路來(lái)說(shuō)，這樣設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化了電路，也使得電路板更緊湊、簡(jiǎn)約和穩(wěn)定[3]。

考慮到以后與其他串口設(shè)備通信，設(shè)計(jì)了RS485接口電路及RS232接口電路。在接口電路中選用了MAX485及MAX232接口芯片。MAX485接口芯片是MAXIM公司的一種RS-485芯片，通過(guò)MAX485實(shí)現(xiàn)了TTL電平與RS-485電平之間的轉(zhuǎn)換[4]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程，程序主要包括ADC中斷服務(wù)程序、LED點(diǎn)陣屏顯示程序、LED數(shù)碼管顯示程序、通信中斷服務(wù)程序、數(shù)字濾波程序以及用于鍵盤識(shí)別的外部中斷服務(wù)程序。ADC中斷服務(wù)程序是用于讀取空氣中可燃?xì)怏w濃度，采用中斷讀取方式，保證了濃度采用等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性；LED點(diǎn)陣屏顯示程序用于顯示警示語(yǔ)；LED數(shù)碼管用于顯示可燃?xì)怏w濃度；通信中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)控制器與其他智能設(shè)備數(shù)據(jù)交換；數(shù)字濾波程序主要對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，達(dá)到去偽存真的目的；鍵盤識(shí)別的外部中斷服務(wù)程序用于鍵的識(shí)別，采用中斷方式保證了按鍵的實(shí)時(shí)性。本系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示，程序首先對(duì)ADC通道、外部中斷INT0及串口中斷進(jìn)行了初始化，對(duì)于新采樣的濃度值進(jìn)行了數(shù)字濾波處理，確保濃度值的真實(shí)性。通過(guò)LED數(shù)碼管顯示程序，顯示出實(shí)際濃度。在程序中通過(guò)邏輯判斷，判別出濃度是否超標(biāo)，以決定是否給出聲音報(bào)警信號(hào)和顯示的何種提示語(yǔ)或警示語(yǔ)。為了提高通信的準(zhǔn)確性，需要計(jì)算出通信數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼后才能給串口發(fā)出數(shù)據(jù)，其他接收設(shè)備根據(jù)校驗(yàn)碼判斷本次通信是否正常，如果通信校驗(yàn)碼一致，則認(rèn)為本次通信正常，接收的數(shù)據(jù)可用于監(jiān)控，否則拋棄本次接收的數(shù)據(jù)。

圖3 控制器主程序框圖

3 實(shí)驗(yàn)及展望

通過(guò)實(shí)驗(yàn)板對(duì)裝置的顯示效果、通信及抗干擾能力等方面進(jìn)行了測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果表明，LED顯示穩(wěn)定、不閃爍、色彩鮮艷，相比于LCD顯示器來(lái)說(shuō)更為醒目，由于LED顯示器本身是發(fā)光體，故非常適合使用在光線昏暗的環(huán)境下。

在通信方面，智能手機(jī)可自動(dòng)連接到RS232/WiFi模塊，在智能手機(jī)APP上可方便地觀測(cè)到煤氣濃度，顯示數(shù)據(jù)與裝置LED數(shù)碼管上的濃度信息一致。通過(guò)校驗(yàn)碼設(shè)計(jì)，使手機(jī)APP能識(shí)別接收數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，保證APP上顯示的數(shù)據(jù)正確無(wú)誤。

分別把控制器放置在煤氣區(qū)域、電氣室以及具有較強(qiáng)干擾的變頻器室環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，控制器工作正常，通信及顯示正常，說(shuō)明本控制器具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

本設(shè)計(jì)由于克服了傳統(tǒng)煤氣報(bào)警器的缺陷，并具有成本低、使用方便、功能較強(qiáng)等特點(diǎn)，使得本設(shè)計(jì)具有較好的應(yīng)用前景。

[1] 趙春輝. 煤氣中毒事故案例分析及抽堵盲板作業(yè)的安全技術(shù)措施[J].冶金動(dòng)力，2014(5):25-27.

[2] 吳興中.鋼包精煉爐配料控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].湘潭：湖南科技大學(xué)，2010.

[3] 吳興中，屈澤明.一種基于單片機(jī)的液位控制器的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(16):98-100.

[4] 吳興中，朱松林，彭新良.利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的控制[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2011,32(3):71-72.

Design of gas alarm based on wireless WiFi

Li Hong, Qu Zeming

(Hunan Xiangtan Iron and Steel Group Co., Ltd., Hunan Province, Xiangtan 411101, China)

Aiming at the defects of traditional gas alarm, a gas alarm controller based on WiFi is designed.Through the sensor to detect the gas concentration, it realized concentration display and voice alarm, and has the LED lattice screen display function. Using RS232/WiFi module it achieves the controller with smart phones and PC through WiFi convenient connection and data transmission.The controller has the advantages of low cost, reliable operation, conspicuous display and convenient communication, so that the controller has good popularization significance.

MCU; RS485 bus; remote monitoring; WiFi

TP202

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.008

李紅，屈澤明.基于無(wú)線WiFi的煤氣報(bào)警器的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(12)：26-28.

2016-12-24)

李紅(1983-),女，學(xué)士，主要研究方向：質(zhì)量設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。

屈澤明(1982-),男，碩士，工程師，主要研究方向：傳動(dòng)與控制、流體控制技術(shù)。