遙控式有害氣體遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘 鑫 鄧治崗

（1.西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院；2.西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所）

氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，具有非常重要的意義，而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)遙控式氣體濃度檢測(cè)設(shè)備，對(duì)當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展有著開(kāi)創(chuàng)性的意義。

為了提高企業(yè)工作人員工作環(huán)境的安全可靠性，保障工作人員的生命安全，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，針對(duì)工作人員無(wú)法進(jìn)入的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的有害氣體濃度檢測(cè)方式進(jìn)行研究，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)展現(xiàn)狀和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的遙控小車和有害氣體濃度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的有害氣體不宜接近，因此設(shè)計(jì)的遙控式有害氣體遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

a. 顯示。 選用LCD1602 顯示設(shè)置的安全值和小車有害氣體濃度檢測(cè)模塊檢測(cè)到的檢測(cè)值。

b. 鍵盤。用4×4 鍵盤控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并設(shè)置有害氣體濃度安全值。

c. 無(wú)線傳輸。小車氣體檢測(cè)部分采用藍(lán)牙模塊將有害氣體濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送至遙控模塊，然后接收來(lái)自遙控端的控制信號(hào)；遙控模塊將鍵盤的控制信號(hào)傳送至小車部分并接收來(lái)自有害氣體檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)。

d. 小車移動(dòng)。 通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。e. 聲光報(bào)警。當(dāng)傳送到遙控端的有害氣體檢測(cè)值大于設(shè)置的安全值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控器件為STC89C52， 利用鍵盤操縱小車進(jìn)入被測(cè)區(qū)域，小車上搭載的傳感器模塊正常工作， 采用藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳送至遙控模塊，由單片機(jī)進(jìn)行判別［1］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體分為有害氣體檢測(cè)小車模塊和系統(tǒng)遙控模塊，如圖1、2 所示。

圖1 有害氣體檢測(cè)端結(jié)構(gòu)框圖

圖2 遙控端結(jié)構(gòu)框圖

2.1 控制器選型

本設(shè)計(jì)的兩個(gè)部分采用STC89C52 作為控制器，用來(lái)接收和處理鍵盤模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊以及無(wú)線收發(fā)模塊等發(fā)送的信號(hào)，并做出控制決策。

2.2 遙控模塊

遙控端主要由單片機(jī)模塊、顯示模塊、聲光報(bào)警模塊和鍵盤模塊4 部分組成。 其主要作用是控制檢測(cè)小車的行動(dòng)方向，顯示小車采集到的有害氣體濃度， 若檢測(cè)值超出設(shè)定的濃度限定值，則發(fā)出聲光報(bào)警。

聲光報(bào)警模塊的作用是小車采集回來(lái)的有害氣體濃度信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)小車模塊檢測(cè)到有害氣體濃度大于設(shè)定的安全值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，提醒工作人員及時(shí)采取措施。

鍵盤模塊由4×4 鍵盤組成， 共選用6 個(gè)按鍵， 其中一排4 個(gè)用來(lái)遙控小車的運(yùn)動(dòng)方向，另外2 個(gè)用來(lái)設(shè)置安全值。

2.3 小車模塊

小車模塊主要由驅(qū)動(dòng)模塊、無(wú)線收發(fā)模塊和有害氣體濃度檢測(cè)模塊3 部分構(gòu)成。 驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)，小車端與遙控端之間通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，有害氣體濃度檢測(cè)模塊將在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的有害氣體濃度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊傳送到手持遙控端。

2.3.1 驅(qū)動(dòng)模塊

該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)模塊（圖3）選擇L298N 芯片。輸入端直接與單片機(jī)連接，易于控制單片機(jī)。 同時(shí)提供電源開(kāi)關(guān)按鍵，不需要外接開(kāi)關(guān)來(lái)控制電源關(guān)閉和二極管防鏈保護(hù)電路，可以有效防止電源反轉(zhuǎn)。 輸出電壓可由電源直接調(diào)節(jié)。

圖3 驅(qū)動(dòng)模塊引腳圖

2.3.2 無(wú)線收發(fā)模塊

遙控式有害氣體遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷就是當(dāng)有害氣體濃度較高時(shí)，工作人員進(jìn)入這種環(huán)境工作危險(xiǎn)系數(shù)太高。 藍(lán)牙傳輸模塊（圖4）就可以很好地避免這種情況發(fā)生。 在危險(xiǎn)環(huán)境下，檢測(cè)小車檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊傳遞到遙控部分， 不但提高了工作人員的安全系數(shù)，也在很大程度上節(jié)省了人力成本。

圖4 藍(lán)牙模塊引腳圖

2.3.3 有害氣體濃度檢測(cè)模塊

有害氣體濃度檢測(cè)模塊由A/D 轉(zhuǎn)換模塊和氣體傳感器兩部分組成。 由于氣體傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)為模擬信號(hào)，所以必須在氣體傳感器與單片機(jī)之間設(shè)置A/D 轉(zhuǎn)換模塊（ADC0809），由氣體傳感器檢測(cè)出有害氣體濃度之后把電壓信號(hào)傳送給ADC0809 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送至單片機(jī)。

將MQ-7 煙霧傳感器裝配在小車的前端。 將檢測(cè)點(diǎn)測(cè)得的電壓信號(hào)通過(guò)A/D 模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙模塊傳輸?shù)竭b控端，顯示在顯示屏。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)首先通過(guò)氣體傳感器對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的有害氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)濃度超出設(shè)定閾值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。 另外，該檢測(cè)系統(tǒng)還通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與控制，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳送到遙控端并顯示。

操作鍵盤模塊中的按鍵向小車模塊發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制指令，另一端接收控制指令并執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，利用L298N 驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)功能，小車同時(shí)進(jìn)行有害氣體濃度的檢測(cè)，并通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遙控端并在LCD1602 上顯示，若檢測(cè)值超出設(shè)定閾值，則發(fā)出濃度超標(biāo)聲光報(bào)警信號(hào)。

3.2 遙控主程序

遙控主程序主要由鍵盤子程序、 顯示子程序、 藍(lán)牙子程序和聲光報(bào)警子程序組成， 如圖5所示。

圖5 遙控部分主程序流程

3.2.1 鍵盤子程序

鍵盤采用4×4 鍵盤組，其中選用了一排4 個(gè)按鈕控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)動(dòng)作，另外2 個(gè)按鈕用于設(shè)定有害氣體濃度的安全值。 鍵盤子程序流程如圖6 所示。

3.2.2 顯示子程序

圖6 鍵盤子程序流程

系統(tǒng)顯示屏顯示兩行字符， 一行顯示“CO detect Car”，另一行顯示“S”安全值和“C”檢測(cè)值。一氧化碳?xì)怏w濃度安全值可以通過(guò)鍵盤按鈕調(diào)整設(shè)定，顯示值為藍(lán)牙模塊接收的來(lái)自小車模塊的檢測(cè)數(shù)據(jù)。 顯示子程序流程如圖7 所示。

圖7 顯示子程序流程

3.3 小車氣體濃度檢測(cè)部分

小車氣體濃度檢測(cè)部分主要由驅(qū)動(dòng)和氣體濃度檢測(cè)組成。驅(qū)動(dòng)部分選用L298N 芯片控制直流電機(jī)， 氣體濃度檢測(cè)模塊由MQ-7 進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)之后通過(guò)ADC0809 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸至單片機(jī)。 氣體濃度檢測(cè)部分的程序流程如圖8 所示。

3.3.1 驅(qū)動(dòng)子程序驅(qū)動(dòng)子程序流程如圖9 所示。

圖8 氣體濃度檢測(cè)流程

圖9 驅(qū)動(dòng)模塊子程序流程

3.3.2 藍(lán)牙子程序

系統(tǒng)選用HC-05 藍(lán)牙模塊。 藍(lán)牙配對(duì)成功后，燈閃爍的時(shí)間變長(zhǎng)，在此條件下，主機(jī)可向從機(jī)發(fā)送命令信號(hào)。 主機(jī)發(fā)送控制命令時(shí)，通過(guò)單片機(jī)的串口通信， 接收到發(fā)送來(lái)的ASCII 碼，根據(jù)指令判斷出相應(yīng)的動(dòng)作，控制單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳的電平高低，從而控制小車的運(yùn)動(dòng)。

3.3.3 氣體濃度檢測(cè)子程序

氣體濃度檢測(cè)模塊主要由A/D 轉(zhuǎn)換器和CO濃度檢測(cè)傳感器兩部分組成。 由MQ-7 傳感器檢測(cè)CO 氣體的濃度，再通過(guò)ADC0809 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送至單片機(jī)。 A/D 模塊子程序流程如圖10 所示。

圖10 A/D 模塊子程序流程

4 實(shí)物搭建

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求搭建實(shí)物，在小車端首先焊接出單片機(jī)的最小系統(tǒng)，對(duì)小車端分模塊進(jìn)行焊接，焊接完成之后將已設(shè)計(jì)好的軟件燒錄至單片機(jī)中。 小車端實(shí)物如圖11 所示。

圖11 小車端實(shí)物

在手持遙控端焊接出單片機(jī)最小系統(tǒng)、按鍵模塊及顯示模塊等， 手持遙控端實(shí)物如圖12 所示。

圖12 手持遙控端實(shí)物

5 結(jié)束語(yǔ)

將小車放入化工工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，操作員通過(guò)操作遙控上的按鍵控制小車到達(dá)待檢測(cè)地點(diǎn)，小車上的傳感器可對(duì)一氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)將通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)竭b控手持端并顯示在LCD 屏中。 如果檢測(cè)值大于預(yù)先設(shè)定的安全值，則遙控端進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒工作人員一氧化碳濃度不達(dá)標(biāo)。 大幅提高了工業(yè)安全性，提高了工作效率。 不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)一氧化碳?xì)怏w濃度標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有不同的要求，可通過(guò)手持端設(shè)置新的安全值，再次進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)。