一種無線可視化有害氣體探測儀的設(shè)計

曾令剛　包宋建　楊守良

【摘 要】在有害氣體的高危環(huán)境下或者在搶險救災(zāi)的現(xiàn)場中，作業(yè)人員直接進(jìn)入現(xiàn)場作業(yè)可能會造成不必要的人員傷害。本設(shè)計以基于STC12A60S2單片機(jī)為主控器，實現(xiàn)了高性能智能車和遙控器的設(shè)計。系統(tǒng)能夠?qū)崟r對現(xiàn)場有害氣成份進(jìn)行檢測并傳輸?shù)绞殖诌b控器的LCD上顯出來，系統(tǒng)還實現(xiàn)了現(xiàn)場圖像的實時傳輸功能。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);有害氣體;溫度;控傳;圖傳

中圖分類號： R443.5;TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）19-0022-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.009

1 概述

在采礦業(yè)等需要在洞穴中作業(yè)的環(huán)境下，常常因有害氣體造成人身傷害，甚至死亡。設(shè)計一種能夠遠(yuǎn)程檢測洞穴有害氣體成份及濃度的設(shè)備就很有必要。基于此本文提出了一種基于STC12A60S2為主控器的無線遠(yuǎn)程可視化有害氣體檢測儀的設(shè)計。整個系統(tǒng)由遙控系統(tǒng)和車載系統(tǒng)兩部分構(gòu)成[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)由車載系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。車載系統(tǒng)端以單片機(jī)為核心，設(shè)計有電源電路、時鐘復(fù)位電路、溫度檢測模塊、舵機(jī)模塊、各種氣體的檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊及無線收發(fā)模塊。遙控系統(tǒng)端也是以單片機(jī)為核心，設(shè)計有電源電路、無線收發(fā)模塊、LCD顯示模塊、時鐘復(fù)位電路和搖桿控制模塊[2]。

2.1 遙控系統(tǒng)設(shè)計

遙控系統(tǒng)實現(xiàn)對小車的運行控制，并將小車系統(tǒng)檢測的氣體成份和當(dāng)前溫度值在LCD上顯示出來，還將小車系統(tǒng)上攝像頭采集的圖像實時的在另一個LCD上顯示出來。

2.1.1 NRF24L01無線收發(fā)設(shè)計

nRF24L01+是采用FSK調(diào)制的低功耗單片通信芯片，工作頻段在2.4～2.5GHz，通信最快速度為2Mbps，nRF24L01+共有8個引腳，VCC接3.3V電源，GND接電源負(fù)極，其他6個引腳與單片機(jī)的接口為：IRQ接單片機(jī)的P3.0、MOSI接單片機(jī)的P3.1、CSN接單片機(jī)的P3.2、MISO接單片機(jī)的P3.3、SCK接單片機(jī)的P3.4、CE接單片機(jī)的P3.5。nRF24L01+與單片機(jī)的接口如圖2所示[3]。

2.1.2 搖桿電路設(shè)計

設(shè)計中對小車的控制和對攝像頭的控制采用搖桿控制，搖桿控制具有硬件電路簡單、程序編寫方便的特點。雙軸按鍵搖桿選用SONY公司的PS2按鍵搖桿電位器，具有兩路模擬量輸出，分別對應(yīng)X軸的偏移量和Y軸的偏移量;具有一路數(shù)字量輸出，對應(yīng)于用戶是否在Z軸上按下。本設(shè)計的右手搖桿用于控制無線智能車的動作，如：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基本動作;左手搖桿用于控制攝像頭舵機(jī)的任意角度的轉(zhuǎn)動，電路如圖3所示。

2.1.3 LCD12864液晶顯示模塊

通?，F(xiàn)有的輸出顯示方式有發(fā)光二極管顯示、LED數(shù)碼管顯示、LED矩陣顯示和液晶顯示，在單片機(jī)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面中被廣泛應(yīng)用的主要有LED數(shù)碼管和LCD液晶顯示器。本設(shè)計采用LCD12864液晶模塊進(jìn)行顯示，LCD12864接口電路如圖4所示。接了背光電源，RS、RW和EN三個引腳分別接單片機(jī)的P2.0、P2.1和P2.2，D0～D7接單片機(jī)的P0口[4]。

2.2 小車系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 電機(jī)驅(qū)動設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動電路使用集成電路L298，可以方便的驅(qū)動兩路直流電機(jī)。VSS接5V電源;VS接7.4V電源;GND、ISENA和ISENB接地;ENA與ENB為L298N電機(jī)驅(qū)動模塊使能控制端，接單片機(jī)的P2.4和P2.5，控制電機(jī)運行或是停止。輸入端IN1～I(xiàn)N4接單片機(jī)的P2.0～P2.3;輸出端OUT1和OUT2接直流電動機(jī)A，輸出端OUT3和OUT4接直流電動機(jī)B。電機(jī)控制原理圖如圖5所示[5]。

2.2.2 溫度及空氣質(zhì)量檢測設(shè)計

溫度檢測采用數(shù)字化傳感器DS18B20，一線總線接單片機(jī)P3.7，溫度檢測接口電路如圖6（a）所示。MQ-7一氧化碳傳感器接單片機(jī)的P1.0，MQ-7與單片機(jī)的連接如圖6（b）所示。MQ-5甲烷傳感器接單片機(jī)的P1.1，MQ-5與單片機(jī)的接口如圖6（c）所示。MQ-135氣體傳感器接單片機(jī)的P1.2，MQ135與單片機(jī)的接口如圖6（d）所示[6]。

2.2.3 實時圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)對監(jiān)測環(huán)境的實時可視并遙控，在無線智能遙控小車設(shè)計的基礎(chǔ)上增加了一個5.8G實時圖像傳輸系統(tǒng)。實時圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括兩大部分，一是小車控制程序，二是遙控器程序。分另都有自己的主程序和若干的子程序構(gòu)成。下圖8所示為小車主程序流程圖[7]。

4 結(jié)語

本探測儀的實物如圖9所示。遙控器使用方便，通過LCD屏可以實時觀察檢測環(huán)境，并能得到有害氣體的檢測結(jié)果，如有超標(biāo)會實時報警。遙控端電源供電時間長，約為1個小時。小車系統(tǒng)的車輪采用紐帶式，并設(shè)計一定的角度，這樣可以實現(xiàn)越障;車載攝像頭通過遙控器可以實現(xiàn)水平360度旋轉(zhuǎn)，垂直方向可實現(xiàn)180度旋轉(zhuǎn)，這樣可以實現(xiàn)全景觀察。在洞穴中遙控器與小車的無線通信距離約為100米左右，能夠滿足一般檢測的需要。小車端電源供電約為1個小時。本檢測系統(tǒng)在實際場景下調(diào)試結(jié)果為：性能良好、可靠性高、電源持續(xù)工作時間長、具有一定的實用價值。

圖9 探測儀實物圖

【參考文獻(xiàn)】

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[3]陳雙燕.遠(yuǎn)程溫度檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].武夷學(xué)院學(xué)報.2014，2：66-69.

[4]吉李滿.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能燈光控制系統(tǒng).科技風(fēng).2012，12.

[5]馮洋.智能環(huán)境數(shù)據(jù)采集小車[J].電子設(shè)計工程.2015，21：12-14.

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[7]余福兵.電阻爐智能溫度控制器的設(shè)計[D].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2012.