基于A(yíng)VR單片機的有害氣體感應及警示控制系統的設計

利用紅外感應系統感應附近有無(wú)有害氣體，當紅外感應系統感受到有有害氣體接近時(shí)，送出持續一段時(shí)間的高電平；單片機通過(guò)開(kāi)啟中斷，啟動(dòng)語(yǔ)音芯片，單片機通過(guò)串口通信，從上位機提取的有害氣體參數提示給附近人體，并經(jīng)過(guò)與安全值的比較判定當前環(huán)境是否安全。對語(yǔ)音芯片的使用，先將必要的文字、數字信息錄制進(jìn)去，放音時(shí)，通過(guò)單片機自動(dòng)尋址，把實(shí)時(shí)參數讀取出來(lái)。為便于以后系統改進(jìn)或移植到其他系統，可設計錄音、放音電路，通過(guò)切換錄制不同內容。系統設計友好、方便，給人的信息也更加直接。

1系統總體設計方案

在氣體濃度是現有可利用的數據的基礎上，考慮了系統的銜接性和可移植性。系統總體方案見(jiàn)圖1。

本系統分為四大模塊：核心控制模塊、語(yǔ)音電路模塊、紅外感應模塊以及數據的讀取。在氣體濃度為現有可利用資源的前提下設計了系統如何進(jìn)行讀取控制。核心控制模塊采用單片機作為控制器件，配合適當的外圍電路，控制整個(gè)系統的運行。紅外感應模塊以一個(gè)紅外傳感器為核心，配置一定的信號處理電路，往單片機發(fā)信號。語(yǔ)音電路以語(yǔ)音芯片為核心，設計了錄音、放音兩種電路。

1.1核心控制模塊的設計

核心控制器件選用了單片機，其最小系統構成如圖2所示。

該模塊是系統的核心，當紅外感應系統感應到人體，會(huì )送出中斷信號，單片機得到信號后執行中斷，通過(guò)串口通信讀取氣體濃度，然后到語(yǔ)音芯片尋址，并控制語(yǔ)音模塊把氣體濃度報告出來(lái)。除了基本的外圍電路，核心控制模塊外主要應用了中斷、串行通信和基本的輸入、輸出功能。

本系統中上位機通過(guò)串口實(shí)現與單片機通信，然后由單片機進(jìn)行處理，單片機接受紅外信號后，控制語(yǔ)音芯片工作，播放相應的語(yǔ)音信息?？蛇x的單片機較多，如AVR、AT89C51等。采用單獨的控制芯片的好處是減少主控芯片(CPLD)的工作量，提高系統的性能。我們選用了AVR單片機。AVR是基于RISC(精簡(jiǎn)指令集計算機)結構的單片機，簡(jiǎn)稱(chēng)AVR單片機，該系列單片機在吸收PIC及8051單片機優(yōu)點(diǎn)的基礎上，進(jìn)行了重大改進(jìn)。與普通的51系列單片機相比，AVR單片機有很多優(yōu)點(diǎn)。首先給人最直觀(guān)的就是具有JTAG邊界掃描、仿真、編程功能，不會(huì )造成以往仿真通過(guò)而脫機不行的現象。

1.2紅外感應模塊的設計

該模塊相對簡(jiǎn)單，核心用了紅外傳感器，只把信號進(jìn)行了簡(jiǎn)單處理，送給單片機的中斷即可，見(jiàn)圖3。

1.3數據讀取方式的設計

對數據的讀取有兩種方法：一種是直接與硬件電路結合，16位二進(jìn)制數據讀取過(guò)來(lái)，進(jìn)行整理還原；另一種是通過(guò)串口通信，把已經(jīng)由上位機整理好的數據，通過(guò)RS-232協(xié)議讀取過(guò)來(lái)。顯然，較第1種方法，通過(guò)串口的方式避免了對數據重復整理，編程更簡(jiǎn)單。對整個(gè)項目而言，設計更合理，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

本系統采用的是串行數據通信方式，接口為RS-232串口，實(shí)驗證明這種通信方式簡(jiǎn)單易行，符合本系統要求。本系統采用的是半雙工配置，它要求下位機和主機控制器雙方都具有獨立的發(fā)送和接收能力。

接收／發(fā)送時(shí)鐘用來(lái)控制通信設備接收／發(fā)送字符數據速度，該時(shí)鐘信號通常由微機內部的時(shí)鐘電路產(chǎn)生。接收數據時(shí)，接收器在接收時(shí)鐘的上升沿對接收數據采樣，進(jìn)行數據位檢測。發(fā)送數據時(shí)，發(fā)送器在發(fā)送時(shí)鐘的下降沿將移位寄存器的數據串行移位輸出。

接收／發(fā)送時(shí)鐘頻率與波特率有如下關(guān)系：

式中：Fe為接收／發(fā)送時(shí)鐘頻率；n為頻率系數，n=1，16，64；vc為收／發(fā)波特率。

接收／發(fā)送時(shí)鐘的周期Tc與發(fā)送的數據位寬Td之間的關(guān)系是：

式中：n=1，16，64。

若取n=16，那么異步傳送接收數據實(shí)現同步的過(guò)程如下：接收器在每一個(gè)接收時(shí)鐘的上升沿采樣接收數據線(xiàn)，當發(fā)現接收數據線(xiàn)出現低電平時(shí)就認為是起始位的開(kāi)始，以后若在連續的8個(gè)時(shí)鐘周期(因n=16，故Td=16Tc)內檢測到接收數據線(xiàn)仍保持為低電平，則確定它為起始位(不是干擾信號)。通過(guò)這種方法，不僅能夠排除接收線(xiàn)上的噪聲干擾，識別假起始位，而且能夠相當精確地確定起始位的中間點(diǎn)，從而提供一個(gè)準確的時(shí)間基準。從這個(gè)基準算起，每隔16Tc采樣一次數據線(xiàn)，作為輸入數據。一般來(lái)說(shuō)，從接收數據線(xiàn)上檢測到一個(gè)下降沿開(kāi)始，若其低電平能保持nTc／2(半位時(shí)間)，則確定為起始位，其后每間隔nTc時(shí)間(一個(gè)數據位時(shí)間)在每個(gè)數據位的中間點(diǎn)采樣。

2通信軟件設計

系統通信軟件由下位機、主機控制器通信軟件和上位機監控軟件3部分組成。下位機通信軟件功能主要是接收主機控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的信號，針對各下位機地址發(fā)送應答信號，再根據主機控制器發(fā)來(lái)的控制信號做出相應的反應，隨后發(fā)送主機控制器所需數據。其通信功能使用了單片機的串行中斷和查詢(xún)收發(fā)狀態(tài)標志位的方法實(shí)現。下位機平時(shí)對各監控點(diǎn)進(jìn)行數據采集并定時(shí)存儲，當有串行中斷時(shí)執行串行中斷服務(wù)程序，判別是否為本機的地址信息，地址信息與本機地址相符時(shí)，轉為接收控制命令，并執行相應的操作；地址信息與本站地址不符時(shí)則退出中斷。下位機通信流程圖如圖4所示。

主機控制器的通信軟件實(shí)現功能主要包括呼叫各從機(下位機)，并向各從機發(fā)送查詢(xún)控制命令。其工作過(guò)程為：控制器發(fā)送需呼叫的從機的地址，然后等待接收從機的應答信號，若應答信號正確即發(fā)送控制命令，若應答信號不正確則重新發(fā)送需呼叫的地址，并等待接收應答信號，接收到應答信號后接收下位機發(fā)送的數據，存儲在相對應的數據存儲區并在LCD(液晶顯示器)顯示屏中顯示出來(lái)。對同一從機多次呼叫而在規定時(shí)間內無(wú)應答信號或應答信號不正確，則提示錯誤信息。圖5為主機控制器通信流程圖。

上位機監控軟件由Visual C++編寫(xiě)，具有良好的可視效果，功能包括數據查詢(xún)、數據存儲、串口通信設置、視頻監控、圖表顯示(單機、多機)等。上位機的數據來(lái)自主機控制器，其通過(guò)RS-232串口網(wǎng)絡(luò )傳送給上位機，它的接口與RS-485網(wǎng)絡(luò )的接口是并行的，標準接口有25條線(xiàn)、4條數據線(xiàn)、11條控制線(xiàn)、3條定時(shí)線(xiàn)、7條備用和未定義線(xiàn)，但常用的只有9根。

3結束語(yǔ)

針對該系統，除了可以使用自己設計的上位機軟件進(jìn)行調試，還可以利用一個(gè)簡(jiǎn)單的串口調試器來(lái)實(shí)現。該系統覆蓋了單片機技術(shù)及一部分模擬、數字電路的知識，系統具有一定的操控性、工作穩定、實(shí)現容易、成本低，具有很高的使用價(jià)值，在系統建成后，運行結果表明系統工作穩定可靠，在工業(yè)控制領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的前景。