防溺水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

付三麗 黃守輝 馬雄峰 黃恒一 高媛

（1.三亞學(xué)院，海南 三亞 572022；2.湖北鄂西高速，湖北 武漢 430000）

1 引言

游泳運(yùn)動(dòng)是一類備受歡迎的水上運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，相較于傳統(tǒng)的陸地體育項(xiàng)目，其運(yùn)動(dòng)方式截然不同。但部分人對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)的安全顧慮影響了大眾游泳的參與度。為提高水上運(yùn)動(dòng)的安全性，本文研究了一款游泳池溺水自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，能夠協(xié)助救生員準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)溺水者[1]，并及時(shí)進(jìn)行救援，避免意外發(fā)生。由于該裝置具有小、巧、輕、佩戴方便等特點(diǎn)，不會(huì)影響游泳者的游泳練習(xí)，具有良好的市場(chǎng)潛力。該設(shè)備的研究和利用，對(duì)初學(xué)游泳者，特別是兒童和老人有著較好的輔助作用。在游泳池溺水自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的輔助下[2]，能促使更多的體育愛(ài)好者參與游泳運(yùn)動(dòng)，并一定程度上保障運(yùn)動(dòng)者的生命安全[3]。

本設(shè)計(jì)是通過(guò)水容量檢測(cè)傳感器對(duì)水域的水流速及水容量進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)定水容量的報(bào)警閾值。當(dāng)水容量檢測(cè)傳感器測(cè)量的水容量超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示，從而實(shí)現(xiàn)防溺水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對(duì)游泳人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)生溺水事故時(shí)能夠快速實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示，以便對(duì)溺水人員及時(shí)進(jìn)行救治，可以大大降低溺水人員的生命危險(xiǎn)，一定程度上降低了未及時(shí)發(fā)現(xiàn)溺水人員的概率[4]。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中主控制器為整個(gè)系統(tǒng)的中央處理控制器，電源模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，按鍵模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警閾值的調(diào)節(jié)，待測(cè)對(duì)象是測(cè)試所用的水流，顯示模塊對(duì)檢測(cè)到的水流速、水容量及報(bào)警閾值進(jìn)行顯示。當(dāng)水量達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)報(bào)警模塊將發(fā)出報(bào)警提示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)電路圖

總設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 總設(shè)計(jì)電路圖

3.1 水流量檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)中溺水者吸入的水量采用集成的水流量檢測(cè)傳感器進(jìn)行測(cè)量，該傳感器使用4個(gè)接線端口，各端口有不同顏色，紅色線接VCC，黃色線是檢測(cè)信號(hào)輸出端，黑色線接地，綠色線接溫度感應(yīng)[5]。霍爾傳感器（內(nèi)部集成）作為水流量檢測(cè)的核心器件。

圖3為水流量檢測(cè)傳感器與單片機(jī)的接口電路圖，圖中可以看出1腳對(duì)應(yīng)傳感器的溫度感測(cè)端口，2腳是水流量檢測(cè)信號(hào)輸出端，3腳接數(shù)字地，4腳接5V電源進(jìn)行供電[6]。

圖3 水流量檢測(cè)傳感器和單片機(jī)接口電路圖

水流量檢測(cè)傳感器內(nèi)部是霍爾傳感器[7]，傳感器內(nèi)部轉(zhuǎn)子速度根據(jù)水流量的變化而變化，這時(shí)霍爾傳感器會(huì)輸出相應(yīng)的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)中計(jì)算出此時(shí)水流量及流速的大小。

如圖4所示為霍爾傳感器件的電路圖，防水型霍爾元件3144在有電的情況下，會(huì)產(chǎn)生相同方向電流，霍爾元件3144在內(nèi)部是靠近于葉扇的。在有水流過(guò)的情況下葉扇產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)跟磁場(chǎng)作用相結(jié)合，從而使得霍爾元件3144的電流方向發(fā)生變化，此時(shí)霍爾元件便會(huì)有正負(fù)交替的信號(hào)產(chǎn)生，但不能被單片機(jī)直接接收所產(chǎn)生的輸出信號(hào)。而水量的計(jì)算則是通過(guò)水流速進(jìn)行計(jì)算得到。

圖4 霍爾傳感器電路圖

3.2 按鍵電路

由獨(dú)立鍵盤來(lái)完成對(duì)防溺水系統(tǒng)中的報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)置，如圖5所示為按鍵電路圖，設(shè)計(jì)中使用獨(dú)立按鍵S1和S4對(duì)報(bào)警閾值進(jìn)行增大或減少。一般情況下STC89C52RC單片機(jī)引腳處于高電平狀態(tài)下，在按下按鍵的時(shí)候可以檢測(cè)到低電平。

圖5 按鍵電路

其中S1、S4作為獨(dú)立按鍵分別與單片機(jī)P10和P13引腳相接，單片機(jī)C52按照一定的時(shí)間來(lái)掃描各個(gè)I/O口的高低電平狀態(tài)，以此來(lái)斷定操作者是否按下按鍵。

3.3 報(bào)警電路

本設(shè)計(jì)選用的電磁式蜂鳴器[8]，蜂鳴器通過(guò)三極管Q1跟單片機(jī)的引腳P23相連，當(dāng)P23為低電平節(jié)點(diǎn)時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，蜂鳴器就會(huì)收到電流然后發(fā)出振動(dòng)聲。其電路原理圖如圖6所示，當(dāng)水流量檢測(cè)傳感器測(cè)量的水流量的值大于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，此時(shí)單片機(jī)控制引腳輸出低電平控制蜂鳴器發(fā)聲。

圖6 蜂鳴器電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

如圖7所示為系統(tǒng)的主程序流程圖。

圖7 主程序流程圖

4.2 水流量檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

如圖8為水流量測(cè)速程序流程圖，程序初始化使定時(shí)器的中斷設(shè)置為50ms，這時(shí)開(kāi)啟定時(shí)器中斷和外部中斷，使能端開(kāi)啟使定時(shí)器產(chǎn)生5次中斷請(qǐng)求，這5次中斷持續(xù)時(shí)間大約5s，期間獲取1s內(nèi)的外部中斷次數(shù)記為n。最后利用流量公式和流速公式分別計(jì)算經(jīng)過(guò)的水流量及流速的具體值。

圖8 水流量檢測(cè)程序流程圖

4.3 獨(dú)立按鍵控制程序設(shè)計(jì)

獨(dú)立鍵盤按鍵子程序作為水流量報(bào)警閾值的調(diào)節(jié)，它的1號(hào)按鍵也就是電路中的S1按鍵對(duì)報(bào)警的水流量值進(jìn)行增大，2號(hào)按鍵也就是S4按鍵對(duì)報(bào)警的水流量進(jìn)行減小，按鍵經(jīng)過(guò)消抖后，單片機(jī)控制執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作。如圖9所示為按鍵程序流程圖。

圖9 按鍵控制程序流程圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

防溺水系統(tǒng)仿真運(yùn)行時(shí)，先通過(guò)增大或減小按鍵對(duì)水流量的報(bào)警值進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的報(bào)警值將在LCD液晶上進(jìn)行顯示，圖10中LCD第一行顯示“SH:0.00L/s”，屏幕上的SH代表的是此時(shí)水的流速值為0升每秒，LCD第二行顯示“LJ:0.0L”，屏幕上的LJ代表的是此時(shí)的水流量為0L。因此當(dāng)傳感器檢測(cè)的水流量值為1.5L時(shí)，BUZZER代表蜂鳴器將進(jìn)行報(bào)警提示。

圖10 防溺水系統(tǒng)仿真運(yùn)行圖(報(bào)警值1.5L)

接通電源后，先將防溺水報(bào)警閾值設(shè)置為1.5L，當(dāng)水流量的值大于1.5L時(shí)就會(huì)報(bào)警，如圖11所示。

圖11 實(shí)物報(bào)警值設(shè)定1.5L

仿真過(guò)程中的水流量數(shù)值由小到大來(lái)模擬實(shí)際產(chǎn)生的效果。當(dāng)水流量值為0.3L時(shí)其仿真如圖12所示。

圖12 水流量值為0.3未達(dá)到報(bào)警值0.5（此時(shí)不報(bào)警）

當(dāng)水流量值（LJ）達(dá)到0.5L時(shí)剛好報(bào)警，并且在之后超過(guò)0.5L達(dá)到0.6L時(shí)持續(xù)報(bào)警，其仿真如圖13所示。

圖13 水流量值為0.6超過(guò)報(bào)警值0.5（此時(shí)持續(xù)報(bào)警）

將兩個(gè)獨(dú)立按鍵設(shè)定0.5L時(shí)蜂鳴器報(bào)警。接著，將水流量檢測(cè)傳感器的進(jìn)水口接到自來(lái)水管的水龍頭端并用手按住，打開(kāi)水龍頭水進(jìn)入水流量檢測(cè)傳感器中，此時(shí)可以看到LCD1602顯示屏中SH（水流速值）隨著水龍頭的水進(jìn)入傳感器中，顯示的流速值一直增大。而LJ（水流量的值）也是隨著水進(jìn)入水流量檢測(cè)傳感器不斷增大。如圖14所示。

圖14 水流量增大

因?yàn)榇藭r(shí)水流量未達(dá)到報(bào)警值，所以蜂鳴器沒(méi)發(fā)出報(bào)警聲。一段時(shí)間后，當(dāng)LJ（水流量）剛好達(dá)到0.5L時(shí)蜂鳴器開(kāi)始發(fā)出報(bào)警聲，繼續(xù)試驗(yàn)，當(dāng)LJ（水流量）達(dá)到0.6L時(shí)蜂鳴器還是一直持續(xù)報(bào)警。由此也就說(shuō)明有人溺水了。效果圖如圖15所示。實(shí)物調(diào)試和仿真效果一致，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

圖15 持續(xù)報(bào)警

6 結(jié)語(yǔ)

本文以單片機(jī)為控制核心，防溺水系統(tǒng)使用水流量檢測(cè)傳感器對(duì)水下的流速及流量進(jìn)行測(cè)量。實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的水的流速值及流量值在LCD1602液晶顯示屏上進(jìn)行顯示；當(dāng)檢測(cè)的水的流量值大于設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)聲進(jìn)行報(bào)警提示。文中對(duì)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程做了詳細(xì)介紹，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。但防溺水系統(tǒng)不夠智能化，若加入無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站的通信或者手機(jī)APP的通信。這樣設(shè)計(jì)可以保證當(dāng)有人溺水時(shí)，會(huì)在手機(jī)APP或者遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站進(jìn)行提示，更加縮短了人的反應(yīng)、判斷時(shí)間。