基于AVR單片機(jī)的有害氣體感應(yīng)及警示控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

利用紅外感應(yīng)系統(tǒng)感應(yīng)附近有無有害氣體，當(dāng)紅外感應(yīng)系統(tǒng)感受到有有害氣體接近時(shí)，送出持續(xù)一段時(shí)間的高電平；單片機(jī)通過開啟中斷，啟動(dòng)語音芯片，單片機(jī)通過串口通信，從上位機(jī)提取的有害氣體參數(shù)提示給附近人體，并經(jīng)過與安全值的比較判定當(dāng)前環(huán)境是否安全。對(duì)語音芯片的使用，先將必要的文字、數(shù)字信息錄制進(jìn)去，放音時(shí)，通過單片機(jī)自動(dòng)尋址，把實(shí)時(shí)參數(shù)讀取出來。為便于以后系統(tǒng)改進(jìn)或移植到其他系統(tǒng)，可設(shè)計(jì)錄音、放音電路，通過切換錄制不同內(nèi)容。系統(tǒng)設(shè)計(jì)友好、方便，給人的信息也更加直接。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在氣體濃度是現(xiàn)有可利用的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，考慮了系統(tǒng)的銜接性和可移植性。系統(tǒng)總體方案見圖1。

本系統(tǒng)分為四大模塊：核心控制模塊、語音電路模塊、紅外感應(yīng)模塊以及數(shù)據(jù)的讀取。在氣體濃度為現(xiàn)有可利用資源的前提下設(shè)計(jì)了系統(tǒng)如何進(jìn)行讀取控制。核心控制模塊采用單片機(jī)作為控制器件，配合適當(dāng)?shù)耐鈬娐罚刂普麄€(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。紅外感應(yīng)模塊以一個(gè)紅外傳感器為核心，配置一定的信號(hào)處理電路，往單片機(jī)發(fā)信號(hào)。語音電路以語音芯片為核心，設(shè)計(jì)了錄音、放音兩種電路。

1.1核心控制模塊的設(shè)計(jì)

核心控制器件選用了單片機(jī)，其最小系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

該模塊是系統(tǒng)的核心，當(dāng)紅外感應(yīng)系統(tǒng)感應(yīng)到人體，會(huì)送出中斷信號(hào)，單片機(jī)得到信號(hào)后執(zhí)行中斷，通過串口通信讀取氣體濃度，然后到語音芯片尋址，并控制語音模塊把氣體濃度報(bào)告出來。除了基本的外圍電路，核心控制模塊外主要應(yīng)用了中斷、串行通信和基本的輸入、輸出功能。

本系統(tǒng)中上位機(jī)通過串口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)通信，然后由單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)接受紅外信號(hào)后，控制語音芯片工作，播放相應(yīng)的語音信息。可選的單片機(jī)較多，如AVR、AT89C51等。采用單獨(dú)的控制芯片的好處是減少主控芯片(CPLD)的工作量，提高系統(tǒng)的性能。我們選用了AVR單片機(jī)。AVR是基于RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR單片機(jī)，該系列單片機(jī)在吸收PIC及8051單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了重大改進(jìn)。與普通的51系列單片機(jī)相比，AVR單片機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)。首先給人最直觀的就是具有JTAG邊界掃描、仿真、編程功能，不會(huì)造成以往仿真通過而脫機(jī)不行的現(xiàn)象。

1.2紅外感應(yīng)模塊的設(shè)計(jì)

該模塊相對(duì)簡(jiǎn)單，核心用了紅外傳感器，只把信號(hào)進(jìn)行了簡(jiǎn)單處理，送給單片機(jī)的中斷即可，見圖3。

1.3數(shù)據(jù)讀取方式的設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)據(jù)的讀取有兩種方法：一種是直接與硬件電路結(jié)合，16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀取過來，進(jìn)行整理還原；另一種是通過串口通信，把已經(jīng)由上位機(jī)整理好的數(shù)據(jù)，通過RS-232協(xié)議讀取過來。顯然，較第1種方法，通過串口的方式避免了對(duì)數(shù)據(jù)重復(fù)整理，編程更簡(jiǎn)單。對(duì)整個(gè)項(xiàng)目而言，設(shè)計(jì)更合理，縮短了開發(fā)周期。

本系統(tǒng)采用的是串行數(shù)據(jù)通信方式，接口為RS-232串口，實(shí)驗(yàn)證明這種通信方式簡(jiǎn)單易行，符合本系統(tǒng)要求。本系統(tǒng)采用的是半雙工配置，它要求下位機(jī)和主機(jī)控制器雙方都具有獨(dú)立的發(fā)送和接收能力。

接收／發(fā)送時(shí)鐘用來控制通信設(shè)備接收／發(fā)送字符數(shù)據(jù)速度，該時(shí)鐘信號(hào)通常由微機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路產(chǎn)生。接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收器在接收時(shí)鐘的上升沿對(duì)接收數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)位檢測(cè)。發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步的過程如下：接收器在每一個(gè)接收時(shí)鐘的上升沿采樣接收數(shù)據(jù)線，當(dāng)發(fā)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)線出現(xiàn)低電平時(shí)就認(rèn)為是起始位的開始，以后若在連續(xù)的8個(gè)時(shí)鐘周期(因n=16，故Td=16Tc)內(nèi)檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)線仍保持為低電平，則確定它為起始位(不是干擾信號(hào))。通過這種方法，不僅能夠排除接收線上的噪聲干擾，識(shí)別假起始位，而且能夠相當(dāng)精確地確定起始位的中間點(diǎn)，從而提供一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)。從這個(gè)基準(zhǔn)算起，每隔16Tc采樣一次數(shù)據(jù)線，作為輸入數(shù)據(jù)。一般來說，從接收數(shù)據(jù)線上檢測(cè)到一個(gè)下降沿開始，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(shù)據(jù)位時(shí)間)在每個(gè)數(shù)據(jù)位的中間點(diǎn)采樣。

2通信軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信軟件由下位機(jī)、主機(jī)控制器通信軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件3部分組成。下位機(jī)通信軟件功能主要是接收主機(jī)控制器發(fā)送過來的信號(hào)，針對(duì)各下位機(jī)地址發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，再根據(jù)主機(jī)控制器發(fā)來的控制信號(hào)做出相應(yīng)的反應(yīng)，隨后發(fā)送主機(jī)控制器所需數(shù)據(jù)。其通信功能使用了單片機(jī)的串行中斷和查詢收發(fā)狀態(tài)標(biāo)志位的方法實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)平時(shí)對(duì)各監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并定時(shí)存儲(chǔ)，當(dāng)有串行中斷時(shí)執(zhí)行串行中斷服務(wù)程序，判別是否為本機(jī)的地址信息，地址信息與本機(jī)地址相符時(shí)，轉(zhuǎn)為接收控制命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作；地址信息與本站地址不符時(shí)則退出中斷。下位機(jī)通信流程圖如圖4所示。

主機(jī)控制器的通信軟件實(shí)現(xiàn)功能主要包括呼叫各從機(jī)(下位機(jī))，并向各從機(jī)發(fā)送查詢控制命令。其工作過程為：控制器發(fā)送需呼叫的從機(jī)的地址，然后等待接收從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，若應(yīng)答信號(hào)正確即發(fā)送控制命令，若應(yīng)答信號(hào)不正確則重新發(fā)送需呼叫的地址，并等待接收應(yīng)答信號(hào)，接收到應(yīng)答信號(hào)后接收下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)并在LCD(液晶顯示器)顯示屏中顯示出來。對(duì)同一從機(jī)多次呼叫而在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無應(yīng)答信號(hào)或應(yīng)答信號(hào)不正確，則提示錯(cuò)誤信息。圖5為主機(jī)控制器通信流程圖。

上位機(jī)監(jiān)控軟件由Visual C++編寫，具有良好的可視效果，功能包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、串口通信設(shè)置、視頻監(jiān)控、圖表顯示(單機(jī)、多機(jī))等。上位機(jī)的數(shù)據(jù)來自主機(jī)控制器，其通過RS-232串口網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)，它的接口與RS-485網(wǎng)絡(luò)的接口是并行的，標(biāo)準(zhǔn)接口有25條線、4條數(shù)據(jù)線、11條控制線、3條定時(shí)線、7條備用和未定義線，但常用的只有9根。

3結(jié)束語

針對(duì)該系統(tǒng)，除了可以使用自己設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件進(jìn)行調(diào)試，還可以利用一個(gè)簡(jiǎn)單的串口調(diào)試器來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)覆蓋了單片機(jī)技術(shù)及一部分模擬、數(shù)字電路的知識(shí)，系統(tǒng)具有一定的操控性、工作穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)容易、成本低，具有很高的使用價(jià)值，在系統(tǒng)建成后，運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，在工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣闊的前景。