智能化工機(jī)柜間報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工業(yè)應(yīng)用研究★

李霄洋， 張登博， 楊 柳， 崔恩皓， 梁儒全

（臨沂大學(xué)， 山東 臨沂 276000）

0 引言

近年來(lái)，隨著科技的不斷發(fā)展，在化工企業(yè)的機(jī)柜間操作儀器的安全工作方面得到了一定的技術(shù)支持[1]，把企業(yè)系統(tǒng)與智能化的設(shè)備相連接[2]，極大地提高了化工企業(yè)在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的安全性。本文所描述的智能化工企業(yè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以能耗極低的STC89C52 芯片為主控，有機(jī)地結(jié)合了外圍設(shè)備，比如溫度傳感器等，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化工企業(yè)機(jī)柜間所運(yùn)行設(shè)備的環(huán)境溫度，同時(shí)配備有進(jìn)入機(jī)柜間安全性能較高的電子密碼鎖。為企業(yè)設(shè)備的正常運(yùn)行提供了安全、方便、智能的環(huán)境。

1 系統(tǒng)方案研究

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1）通過(guò)LCD1602 顯示所需的內(nèi)容。

2）使用AT24C02 芯片的作用是當(dāng)關(guān)機(jī)后可存儲(chǔ)設(shè)定的密碼等功能。

3）通過(guò)矩陣鍵盤輸入所設(shè)定的六位密碼，或通過(guò)紅外遙控器輸入所設(shè)計(jì)的六位密碼。

4）輸入正確時(shí)繼電器閉合達(dá)到模擬進(jìn)入成功，輸入錯(cuò)誤時(shí)蜂鳴器報(bào)警模擬進(jìn)入失敗。

5）開(kāi)鎖后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，溫度過(guò)高時(shí)蜂鳴器報(bào)警，溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)模擬進(jìn)行加熱。

1.2 實(shí)施方案

1）本次設(shè)計(jì)的核心是STC89C52 芯片，采用六位數(shù)字密碼鎖，當(dāng)設(shè)備管理員輸入正確密碼時(shí)，達(dá)到模擬進(jìn)入機(jī)柜間的效果[3]。隨后，溫度傳感器開(kāi)始工作。并且可以在進(jìn)入機(jī)柜間后修改在程序中所設(shè)定的密碼，通過(guò)程序?qū)⑿碌拿艽a存儲(chǔ)在AT24C02 芯片中。在設(shè)備管理員進(jìn)行輸入密碼的操作時(shí)，如果輸入五次密碼都錯(cuò)誤，蜂鳴器將進(jìn)行報(bào)警操作，且鍵盤鎖定，無(wú)法進(jìn)行下一步的工作。只有按下復(fù)位按鈕或重啟電源，單片機(jī)才會(huì)重新工作，再次輸入正確的密碼達(dá)到模擬進(jìn)入機(jī)柜間的效果。密碼鎖操作的顯示部分和提示信息等，將采用LCD1602 模塊進(jìn)行對(duì)應(yīng)的顯示和提示。

2）在輸入密碼時(shí)可采用第二種方法，使用紅外遙控器進(jìn)行密碼的輸入，本次設(shè)計(jì)用的是HX1838 芯片進(jìn)行密碼的接收功能。從遙控器中輸入正確的密碼，下一步繼電器會(huì)閉合模擬進(jìn)入機(jī)柜間成功[4]。同時(shí)，采用DS18B20 芯片進(jìn)行溫度的采集，當(dāng)模擬進(jìn)入機(jī)柜間成功后，溫度傳感器模塊會(huì)進(jìn)行下一步的工作，主要的功能是可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)柜間的環(huán)境溫度，當(dāng)溫度超過(guò)程序中所設(shè)計(jì)的溫度，蜂鳴器會(huì)鳴叫報(bào)警處理，以提示作業(yè)人員進(jìn)行降溫處理；溫度低于程序中所設(shè)計(jì)的溫度，繼電器閉合模擬加熱升溫功能，使得設(shè)備始終工作在正常環(huán)境溫度下。

2 硬件選擇

2.1 主控芯片

STC89C52 是一種帶8K 字節(jié)閃爍可編程可擦除的只讀存儲(chǔ)器，支持在線編程功能，使得單片機(jī)能夠通過(guò)串口下載用戶的程序。這些可靠的功能使得為很多系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了更加靈活快捷方便的方案，該芯片能耗極低，可以為化工企業(yè)節(jié)約一定的生產(chǎn)成本，符合綠色發(fā)展的思想。

2.2 AT24C02

AT24C02 是一個(gè)2K 串行的CMOS E2RROM，內(nèi)部含有256 個(gè)8 位字節(jié)。AT24C02 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的A0、A1、A2 引腳是連接三條地址線的。通過(guò)接收51單片機(jī)的地址數(shù)據(jù)選擇與之相對(duì)應(yīng)的AT24C02。特別注意的是，SDA 和SCL 都需要在正極電源之間接上拉電阻，其作用是達(dá)到保護(hù)電路的效果。

2.3 HX1838

本設(shè)計(jì)選用HX1838 紅外遙控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)于信號(hào)的接收與處理。發(fā)射端是紅外遙控，接收端是HX1838。它的優(yōu)點(diǎn)是會(huì)自動(dòng)將接收到的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為TTL 電平中的低電平[5]，發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。對(duì)于設(shè)備管理員采用紅外遙控進(jìn)行開(kāi)鎖，使得管理員便于操作。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)編程將收到的信號(hào)轉(zhuǎn)化到LCD1602 屏幕上展示給設(shè)備管理員。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是用STC89C52 單片機(jī)為主控芯片的。另外，還用了溫度檢測(cè)電路、按鍵電路、紅外接收電路、密碼存儲(chǔ)電路等。一系列的硬件電路的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)密碼鎖開(kāi)鎖的控制。如圖1 所示為硬件電路在Proteus 上的設(shè)計(jì)仿真的部分。

圖1 智能家居控制系統(tǒng)

3.2 矩陣鍵盤設(shè)計(jì)

如果所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要多個(gè)控制按鍵，單片機(jī)的I/O 接口會(huì)出現(xiàn)不夠用的情況，我們所做的就是要減少I/O 口的占用，需要通過(guò)設(shè)計(jì)矩陣鍵盤進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的控制。所設(shè)定的矩陣鍵盤排列順序是4*4，16 個(gè)按鍵僅僅需要占用8 個(gè)I/O 口，矩陣鍵盤中的每個(gè)按鍵所在位置是水平線和垂直線的交點(diǎn)，就導(dǎo)致了8 個(gè)I/O 口接線就形成了一個(gè)矩陣的形式，一共有16 個(gè)交點(diǎn)。如果說(shuō)在這個(gè)矩陣按鍵的基礎(chǔ)上再加一行，就可以產(chǎn)生20 個(gè)交點(diǎn)，從而可以使用一個(gè)20 個(gè)按鍵的鍵盤，方便很多。但是如果不用矩陣按鍵的方法，I/O 口會(huì)不夠用，占用過(guò)多的接口，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。所以本次設(shè)計(jì)用矩陣法制作鍵盤是有效并且可以節(jié)約I/O 口的使用，以便實(shí)現(xiàn)更多的功能的。矩陣鍵盤原理結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 矩陣鍵盤結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)矩陣鍵盤各個(gè)功能如表1 所示。

表1 矩陣鍵盤功能

3.3 蜂鳴器報(bào)警電路

在設(shè)計(jì)思路中，需要針對(duì)解鎖失敗進(jìn)行一種體現(xiàn)，最直觀的就是報(bào)警。所以選擇蜂鳴器報(bào)警電路，當(dāng)解鎖失敗后，蜂鳴器就會(huì)鳴叫進(jìn)行提醒。然而，5 V 單片機(jī)的輸出電壓過(guò)低，無(wú)法使得單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行工作，所以需要通過(guò)三極管放大后，蜂鳴器才會(huì)正常工作。

3.4 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

本次設(shè)計(jì)的解鎖現(xiàn)象的展示都在繼電器驅(qū)動(dòng)模塊。

繼電器是一種電控制的元器件，當(dāng)輸入量到達(dá)一定的要求時(shí)，在電氣輸出電路中使得被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器元件。在本次設(shè)計(jì)中所采用電磁式繼電器。依靠高低電平觸發(fā)的一路5 V 繼電器，其有兩個(gè)較為常用的優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)是驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，另一個(gè)是性能穩(wěn)定。根據(jù)矩陣鍵盤輸入密碼或者紅外遙控輸入密碼的方式下，輸入成功后，會(huì)通過(guò)本模塊的繼電器閉合以及LED 燈泡顯示出來(lái)。

3.5 溫度傳感器模塊

當(dāng)進(jìn)入機(jī)柜間后，溫度采集模塊開(kāi)始工作，會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前工作溫度，并針對(duì)超溫進(jìn)行報(bào)警，低溫使繼電器閉合模擬驅(qū)動(dòng)加熱。本次設(shè)計(jì)采用的芯片是較為常用的DS18B20，因?yàn)槠溆畜w積小、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，適合用在機(jī)柜間等對(duì)于溫度要求較高的場(chǎng)所。

4 軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中采用軟件部分進(jìn)行仿真試驗(yàn)和程序編寫，硬件部分進(jìn)行實(shí)物的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。其中，軟件設(shè)計(jì)的部分通過(guò)proteus 進(jìn)行仿真的設(shè)計(jì)、Keil 進(jìn)行程序的編寫，兩個(gè)軟件互相配合共同完成。這也是在進(jìn)行實(shí)物制作之前對(duì)于本設(shè)計(jì)可行性的驗(yàn)證工作。

Keil 軟件工作就是對(duì)所需任務(wù)進(jìn)行程序編寫以及編譯，編譯通過(guò)后，下載燒錄到Proteus 所設(shè)計(jì)的硬件電路中，觀察現(xiàn)象，用以驗(yàn)證所編寫程序的正確性以及硬件電路的準(zhǔn)確性。對(duì)程序的編寫，用Keil 軟件新建工程，在的工程中添加*.c 文件，在所建立的文件中進(jìn)行程序的編寫。當(dāng)編寫完成后，進(jìn)一步驗(yàn)證當(dāng)前程序是否有語(yǔ)法等錯(cuò)誤，無(wú)誤后進(jìn)行編譯，生成*.hex 文件。將輸出的文件與Proteus 中的硬件電路圖進(jìn)行綁定，用于下一步的仿真試驗(yàn)。

本次設(shè)計(jì)的軟件部分可以分為三個(gè)子程序，第一部分是關(guān)于修改原密碼的子程序，只有在正確地輸入原密碼后，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于修改密碼程序的使用，對(duì)原密碼進(jìn)行修改的操作。屏幕提示輸入新的密碼，通過(guò)鍵盤或者遙控器輸入新的密碼后，按下鍵盤上對(duì)應(yīng)的確認(rèn)按鍵，屏幕上會(huì)有Again 的提示，再次輸入想要設(shè)定的新密碼，當(dāng)輸入兩次新的密碼后，存入AT24C02 芯片中，當(dāng)再次進(jìn)行入廠工作時(shí)輸入新的密碼即可。特別的，如果在設(shè)定新密碼時(shí)，如果兩次輸入的密碼不一致，那么蜂鳴器鳴叫提醒，重新進(jìn)行新的密碼的輸入操作，且原來(lái)的密碼不變。第二部分是開(kāi)鎖子程序，當(dāng)輸入用戶設(shè)定的密碼后，所設(shè)計(jì)的開(kāi)鎖程序進(jìn)行工作，將用戶所輸入的密碼和存儲(chǔ)的密碼進(jìn)行校對(duì)，當(dāng)校對(duì)成功時(shí)，在屏幕上會(huì)顯示成功解鎖，不一致時(shí)會(huì)有蜂鳴器報(bào)警。第三部分是對(duì)于溫度檢測(cè)的子程序，當(dāng)成功開(kāi)鎖后，就會(huì)自動(dòng)調(diào)用該子程序，對(duì)于當(dāng)前的環(huán)境溫度進(jìn)行感應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)在開(kāi)鎖后對(duì)上下限溫度的調(diào)整，超過(guò)上限時(shí)，會(huì)自動(dòng)調(diào)用報(bào)警子程序，當(dāng)?shù)陀谙孪迺r(shí)，會(huì)自動(dòng)使得繼電器閉合。如圖3 所示為系統(tǒng)流程圖。

圖3 程序流程

5 工業(yè)應(yīng)用及效益分析

本設(shè)計(jì)為基于單片機(jī)的智能化工企業(yè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有檢測(cè)工作環(huán)境溫度、報(bào)警、智能電子密碼鎖開(kāi)鎖等功能。通過(guò)在某化工企業(yè)機(jī)柜間進(jìn)行應(yīng)用后，因?yàn)樵撛O(shè)備可以對(duì)機(jī)柜間的進(jìn)入進(jìn)行身份驗(yàn)證，也可以所處的環(huán)境溫度進(jìn)行超限報(bào)警，使得設(shè)備管理人員可以提前發(fā)現(xiàn)機(jī)柜間異常問(wèn)題所在，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理，總體應(yīng)用效果良好。通過(guò)上述應(yīng)用，降低了機(jī)柜間因設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行造成溫度過(guò)高損壞元器件等問(wèn)題，減少了因各類故障引起的檢修次數(shù)以及零配件的損耗，并有效降低了因維修損壞元器件而造成設(shè)備維修故障的停機(jī)率，保證企業(yè)的生產(chǎn)可以穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)上述智能化工機(jī)柜間報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用，可以使檢修周期比以前延長(zhǎng)50%，使以前故障頻發(fā)配件周期提升20%計(jì)算，每年可以節(jié)約檢修費(fèi)用10 萬(wàn)元，配件費(fèi)用30 萬(wàn)元，總計(jì)每年綜合節(jié)約費(fèi)用40 萬(wàn)元。

本系統(tǒng)可以提升在設(shè)備存放機(jī)柜間的自動(dòng)化水平，有利于減輕企業(yè)的人工以及成本的消耗，可以顯著提升生產(chǎn)效率及生產(chǎn)的穩(wěn)定性。但從整體上看，當(dāng)前智能化的應(yīng)用仍需要人工進(jìn)行參與，增加了操作失誤的風(fēng)險(xiǎn)。所以，在未來(lái)的發(fā)展中，智能化工企業(yè)系統(tǒng)將在智能方向做進(jìn)一步的加強(qiáng)，真正脫離人工參與，進(jìn)一步減輕企業(yè)人工技術(shù)以及成本的消耗壓力，在實(shí)現(xiàn)真正智能化、自動(dòng)化安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提升化工企業(yè)的發(fā)展質(zhì)量。