有害氣體紅外感應及語音警示控制系統的設計

利用紅外感應系統感應附近有無有害氣體，當紅外感應系統感受到有有害氣體接近時，送出持續一段時間的高電平；單片機通過開啟中斷，啟動語音芯片，單片機通過串口通信，從上位機提取的有害氣體參數提示給附近人體，并經過與安全值的比較判定當前環境是否安全。對語音芯片的使用，先將必要的文字、數字信息錄制進去，放音時，通過單片機自動尋址，把實時參數讀取出來。為便于以后系統改進或移植到其他系統，可設計錄音、放音電路，通過切換錄制不同內容。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。系統總體方案見圖1。

? 本系統分為四大模塊：核心控制模塊、語音電路模塊、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，控制整個系統的運行。紅外感應模塊以一個紅外傳感器為核心，配置一定的信號處理電路，往單片機發信號。語音電路以語音芯片為核心，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，會送出中斷信號，單片機得到信號后執行中斷，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告出來。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串口實現與單片機通信，然后由單片機進行處理，單片機接受紅外信號后，控制語音芯片工作，播放相應的語音信息。可選的單片機較多，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(精簡指令集計算機)結構的單片機，簡稱AVR單片機，該系列單片機在吸收PIC及8051單片機優點的基礎上，進行了重大改進。與普通的51系列單片機相比，AVR單片機有很多優點。首先給人最直觀的就是具有JTAG邊界掃描、仿真、編程功能，不會造成以往仿真通過而脫機不行的現象。

1.2紅外感應模塊的設計

??? 該模塊相對簡單，核心用了紅外傳感器，只把信號進行了簡單處理，送給單片機的中斷即可，見圖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位二進制數據讀取過來，進行整理還原；另一種是通過串口通信，把已經由上位機整理好的數據，通過RS-232協議讀取過來。顯然，較第1種方法，通過串口的方式避免了對數據重復整理，編程更簡單。對整個項目而言，設計更合理，縮短了開發周期。

? 本系統采用的是串行數據通信方式，接口為RS-232串口，實驗證明這種通信方式簡單易行，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送和接收能力。

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

? 接收／發送時鐘頻率與波特率有如下關系：

式中：Fe為接收／發送時鐘頻率；n為頻率系數，n=1，16，64；vc為收／發波特率。

接收／發送時鐘的周期Tc與發送的數據位寬Td之間的關系是：

式中：n=1，16，64。

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

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送過來的信號，針對各下位機地址發送應答信號，再根據主機控制器發來的控制信號做出相應的反應，隨后發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收發狀態標志位的方法實現。下位機平時對各監控點進行數據采集并定時存儲，當有串行中斷時執行串行中斷服務程序，判別是否為本機的地址信息，地址信息與本機地址相符時，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現功能主要包括呼叫各從機(下位機)，并向各從機發送查詢控制命令。其工作過程為：控制器發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送控制命令，若應答信號不正確則重新發送需呼叫的地址，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。對同一從機多次呼叫而在規定時間內無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，具有良好的可視效果，功能包括數據查詢、數據存儲、串口通信設置、視頻監控、圖表顯示(單機、多機)等。上位機的數據來自主機控制器，其通過RS-232串口網絡傳送給上位機，它的接口與RS-485網絡的接口是并行的，標準接口有25條線、4條數據線、11條控制線、3條定時線、7條備用和未定義線，但常用的只有9根。

3結束語

? 針對該系統，除了可以使用自己設計的上位機軟件進行調試，還可以利用一個簡單的串口調試器來實現。該系統覆蓋了單片機技術及一部分模擬、數字電路的知識，系統具有一定的操控性、工作穩定、實現容易、成本低，具有很高的使用價值，在系統建成后，運行結果表明系統工作穩定可靠，在工業控制領域有著廣闊的前景。