智能安全指示牌的原理及其應(yīng)用設(shè)計(jì)

趙曉蕾，黃治華，李新一

重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400030

安全指示牌在日常生活中不可或缺，尤其在公共場(chǎng)所應(yīng)用廣泛，它可以給我們指明安全出口的方向，當(dāng)我們?cè)诓皇煜さ沫h(huán)境遇到緊急情況，安全指示牌的作用就顯得尤為重要。隨著電子科技的發(fā)展，很多設(shè)備設(shè)施可以進(jìn)行小型化、輕型化、智能化的改進(jìn)，其功能將更加強(qiáng)大，為我們的日常生活提供更多便利。但是在目前，社會(huì)上普遍采用的安全指示牌還停留在單純的指示功能上。因此，我們想到可以通過(guò)加裝小型檢測(cè)元器件和單片機(jī)系統(tǒng)，使目前普遍采用的安全指示牌成為智能化的安全指示牌，以便充分利用現(xiàn)有的資源，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的安全意識(shí)的需求。

1 裝置功能及原理

我們將目前采用的指示牌普通面板改為L(zhǎng)ED 顯示屏，使其具有如下功能：在正常環(huán)境下能夠提示人們安全通道方向和注意安全等內(nèi)容。當(dāng)所處環(huán)境發(fā)生火災(zāi)時(shí)，該指示牌能夠通過(guò)溫度傳感器和煙霧傳感器檢測(cè)到火災(zāi)信號(hào)，通過(guò)LED 向人們發(fā)出提示信息，即當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到氣溫大于預(yù)設(shè)溫度，那么LED 將顯示“溫度報(bào)警”及安全出口方向，提示大家“趕快撤離”，并顯示相應(yīng)的自救措施；當(dāng)煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧信號(hào)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警， LED將顯示“煙霧報(bào)警”及安全出口方向，提示大家“趕快撤離”，并顯示相應(yīng)自救措施。

我們選用C8051F020 型單片機(jī)為該系統(tǒng)的控制部件，將采集到的信號(hào)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換，與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，超過(guò)這個(gè)閾值，就會(huì)通過(guò)LED 顯示屏顯示出報(bào)警信息。信號(hào)采集部分我們選用的是溫度傳感器TS118-3和煙霧傳感器SS-168P。信號(hào)采集、控制、顯示3 大部分構(gòu)成了智能牌的硬件系統(tǒng)，其原理框圖如圖1所示。

圖1 裝置原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2. 1 傳感器電路

本智能安全指示牌信號(hào)檢測(cè)分成溫度檢測(cè)和煙霧檢測(cè)兩個(gè)部分。

1）溫度傳感器。溫度檢測(cè)部分采用的是TS118-3 紅外溫度傳感器，該傳感器的傳輸特性基本上是線性的，便于調(diào)節(jié)。TS118-3分為兩個(gè)部分：熱敏電阻RTD和熱堆TP。熱敏電阻可感受環(huán)境溫度，熱堆可感受物體表面發(fā)出的紅外溫度，其中熱堆作為主要的信號(hào)輸出，熱敏電阻用于環(huán)境溫度補(bǔ)償。該傳感器輸出的信號(hào)是毫伏級(jí)的，必須進(jìn)行放大和濾波處理，具體電路如圖2所示。

2）煙霧傳感器。煙霧檢測(cè)部分采用的是SS-168P 光電式煙霧探測(cè)器。光電式煙霧傳感有四根引腳。其中1、2 腳為供電電源，1 腳接高電壓12V，2 腳接地；3、4 腳為信號(hào)輸出端。在沒(méi)有檢測(cè)到煙霧時(shí)，3、4 兩輸出腳斷路；檢測(cè)到煙霧時(shí)，3、4輸出腳短路，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警。因此，我們將3 腳接高電壓，采用比較方式得到煙霧報(bào)警信號(hào)，然后通過(guò)A/D 采集判斷高低電平信號(hào)從而判斷出是否有煙霧信號(hào)，具體電路如圖3所示。

圖2 放大濾波電路

圖3 電路

2.2 LED顯示電路

LED 顯示電路由LED 點(diǎn)陣屏和LED 驅(qū)動(dòng)電路組成。

1）LED 點(diǎn)陣屏電路。點(diǎn)陣屏由16 塊8*8 點(diǎn)陣塊組成，16 塊點(diǎn)陣分兩排，共形成16×64的矩形點(diǎn)陣，一幀可以顯示4個(gè)字。由于LED 點(diǎn)陣屏發(fā)光器件比較多，不宜采用靜態(tài)掃描方式，故采用掃描方式。動(dòng)態(tài)掃描電路需將每一排點(diǎn)陣塊的對(duì)應(yīng)行線接到一起，每一列點(diǎn)陣塊的對(duì)應(yīng)列線接到一起，這樣就可以通過(guò)掃描行線或列線，控制LED 顯示屏的顯示狀態(tài)。

2）LED 驅(qū)動(dòng)電路 根據(jù)LED 顯示屏電路的連接方式，采用動(dòng)態(tài)掃描方式進(jìn)行顯示時(shí)，每行有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)器，各行的同名列共用一個(gè)列驅(qū)動(dòng)器。動(dòng)態(tài)方式掃描時(shí)，一方面行驅(qū)動(dòng)器提供行有效信號(hào)，由第一行開(kāi)始依次將該行接高電平，同時(shí)，根據(jù)列驅(qū)動(dòng)器鎖存的數(shù)據(jù)來(lái)確定該列是接高電平還是低電平。當(dāng)一行的持續(xù)掃描時(shí)間結(jié)束后，下一行又以同樣的方法進(jìn)行顯示。所有行都掃描一遍后，即一個(gè)掃描周期后，又從第一行開(kāi)始重新掃描，只要掃描周期遠(yuǎn)比人的視覺(jué)暫留的時(shí)間短，就分辨不出顯示屏的動(dòng)態(tài)閃爍。在掃描各行時(shí)，可以采用并行或串行方式將該行各列的數(shù)據(jù)送到對(duì)應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)器上。并行方式需要消耗大量硬件連線，實(shí)際中往往采用串行方式，控制電路利用一根信號(hào)線將列數(shù)據(jù)一位一位傳送到列驅(qū)動(dòng)器上。存儲(chǔ)在控制電路里的顯示數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)并行到串行的轉(zhuǎn)換，傳送到對(duì)應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)器上，然后將各列并行地顯示出來(lái)，下面分別介紹行驅(qū)動(dòng)和列驅(qū)動(dòng)的具體實(shí)現(xiàn)電路。

（1）行驅(qū)動(dòng)電路：采用兩片74LS138 譯碼芯片級(jí)聯(lián)，接成4線-16 線譯碼器的方法，控制LED 點(diǎn)陣屏的十六根行線。由于LED的每一顯示行的電流是很大的，而138 譯碼芯片的驅(qū)動(dòng)能力有限，不足以驅(qū)動(dòng)一組發(fā)光二極管，因此還需要在它的輸出端加4 953，以增強(qiáng)行驅(qū)動(dòng)能力。

（2）列驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具備串行并出的移位功能，且應(yīng)具備并行數(shù)據(jù)鎖存的功能。74HC595 具有一個(gè)8 位的串入并出移位寄存器和一個(gè)8 位的輸出鎖存寄存器，移位寄存器和輸出寄存器的控制各自獨(dú)立。

3 軟件設(shè)計(jì)

編程時(shí)選用的是C語(yǔ)言， 軟件系統(tǒng)主要用于完成傳感器采集信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、狀態(tài)判斷、報(bào)警信號(hào)及提示語(yǔ)言的顯示等功能，主要包括主函數(shù)、初始化子程序，A/D 初始化子啟動(dòng)程序、LED顯示子程序等。

1）主函數(shù) 主函數(shù)流程圖如圖4所示；

2）A/D 轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序。A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序的具體功能：先對(duì)通道0 進(jìn)行1 024次的采樣，并將1 024次采樣值求平均值，然后轉(zhuǎn)換通道2 采樣1 024次，將該1 024次的采樣取平均值，兩個(gè)通道采樣完畢將數(shù)據(jù)更新標(biāo)志refreshflag 置1；

3）LED 顯示程序。通過(guò)編寫(xiě)不同的顯示函數(shù)，然后在不同情況下，調(diào)用相應(yīng)的顯示函數(shù)，LED 便可以按照需求顯示相應(yīng)的內(nèi)容。

對(duì)漢字、數(shù)字、圖形的取?？梢杂萌∧＼浖谌∧Ｇ靶枰鶕?jù)需要進(jìn)行點(diǎn)陣格式、取模方式、取模走向格式設(shè)置。當(dāng)顯示滾動(dòng)字幕時(shí)，需建立顯示緩沖區(qū)，通過(guò)顯示指針，直接在隊(duì)列中查找顯示內(nèi)容，并通過(guò)指針移動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)顯示。

4 結(jié)論

該智能安全指示牌成功地把指示和火災(zāi)檢測(cè)兩個(gè)功能結(jié)合起來(lái)，它不僅完成基本的指示功能，并且在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能及時(shí)地向人們發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提供正確的撤離方向及自救措施，除平時(shí)為人們提供方便外，還為遇到火警能及時(shí)逃生和減輕救災(zāi)工作起到重要作用。當(dāng)然，如果在硬件系統(tǒng)中再加裝上語(yǔ)音擴(kuò)音器，并在軟件中做相應(yīng)的調(diào)整，便使該指示牌具有語(yǔ)音提示功能，智能安全指示牌的功能將更加完善。

圖4 主函數(shù)流程圖

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