郭浩輝，許志猛
?。ǜＶ荽髮W(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350100）
摘要：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。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；廚房燃?xì)庠钕到y(tǒng)仿真；用氣安全教育
中圖分類號(hào)：TP368.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.008
引用格式：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.
0引言
*基金項(xiàng)目：福州大學(xué)科技發(fā)展基金（2013XQ43）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?。國?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。
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］。
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。
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;
?。?）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。
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