郭浩輝，許志猛
?。ǜＶ荽髮W(xué) 物理與信息工程學(xué)院,，福建 福州 350100）
摘要：提出了一種基于單片機和PC的燃氣灶安全操作演示系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。用單片機仿真燃氣灶的點火和開關(guān)控制,，配合PC可實現(xiàn)模擬真實場景的燃氣灶安全使用操作訓(xùn)練,。實際測試表明，該方案操作簡易方便且仿真效果好,，硬件成本極低,，可在公眾消防安全教育中推廣使用。
關(guān)鍵詞：單片機,；廚房燃氣灶系統(tǒng)仿真,；用氣安全教育
中圖分類號：TP368.2文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.008
引用格式：郭浩輝，許志猛.一種燃氣灶安全操作虛擬演示系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用,，2017,36（8）：23-25.
0引言
*基金項目：福州大學(xué)科技發(fā)展基金（2013XQ43）在社會飛速發(fā)展的同時,，人們的生活水平和質(zhì)量也隨之在不斷地提高，消防安全教育成為一個不容忽視的問題。要切實提高全民的消防安全意識,，青少年的消防安全教育就顯得尤為重要［1］,。近幾年，天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛,，燃氣灶裝置在全國大,、中、小城市居民家中隨處可見［2］,。然而相關(guān)的消防安全知識宣傳力度遠遠不夠,，因為燃氣灶使用方法不當(dāng)引起的火災(zāi)甚至爆炸事故時有發(fā)生［3］，為此有必要加強對公眾特別是青少年使用燃氣灶的安全教育,。國內(nèi)一些安全教育場館陸續(xù)引入了燃氣灶使用安全教育演示系統(tǒng)［4］,。
使用真實的燃氣灶系統(tǒng)對公眾進行操作安全演示教育具有一定的危險性，為此本文提出一種基于單片機開發(fā)的燃氣灶仿真設(shè)備的實現(xiàn)方案,。該方案通過對硬件的仿真處理協(xié)同上位機交互動畫共同引導(dǎo)青少年正確完成對燃氣灶的操作,，并對青少年進行相關(guān)的消防安全知識教育。在當(dāng)前背景下,，該系統(tǒng)可以作為燃氣灶使用方面的消防安全教育設(shè)備。
1整體框架
燃氣灶仿真系統(tǒng)由單片機部分和上位機部分組成,。燃氣灶仿真系統(tǒng)框架如圖1所示,。按鍵1進入消防安全知識教育講解界面，按鍵2進入燃氣灶模擬操作界面,，其中上位機部分通過PC端演示消防安全知識和指示正確使用燃氣灶的步驟,；單片機部分通過按鍵檢測以及內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）通道對打火開關(guān)和氣閥開關(guān)的操作信息進行采集,、分析,，最后結(jié)合上位機的步驟指示控制由藍色LED燈模擬的爐火燃燒情況。
2系統(tǒng)設(shè)計
2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計
本文采用STC15F2K60S2單片機做控制器,，它是一款高速,、高可靠、低功耗和超強抗干擾的單片機,，自帶8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換,、兩組高速異步串行通信口，并集成了3路可編程計數(shù)器陣列模塊(Programmable Counter Array, PCA),，可用于脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）輸出［5］,。
2.1.1打火及氣閥開關(guān)的模擬實現(xiàn)
STC1系列單片機的ADC組成包括：多路選擇開關(guān)、比較器,、逐次比較寄存器,、10位DAC和轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器。
逐次比較型的ADC通過與DAC逐次比較邏輯,，從最高位依次對輸入電壓與內(nèi)置DAC輸出進行比較,，經(jīng)過多次比較使得轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量逐漸逼近輸入模擬量的對應(yīng)值,。如圖2所示，將輸入端模擬量和DAC的輸出的模擬量發(fā)送到比較器中進行比較,，比較結(jié)果存儲到逐次比較寄存器,，最后通過逐次比較寄存器輸出結(jié)果。這種逐次比較的ADC具有速度快,、功耗低等優(yōu)點［6］,。
通過單片機的ADC功能將點火開關(guān)旋鈕平均地劃分成10個擋位，每一個擋位都代表著爐火不同程度的火力情況,，其中第一個擋位表示關(guān)火,，隨著擋位增大，虛擬爐火的LED明亮程度增高,，表示燃氣灶的火力增大,。
2.1.2爐火仿真的實現(xiàn)
為了對應(yīng)上述點火開關(guān)的10個擋位，通過單片機控制PWM輸出,，進而控制LED對應(yīng)不同擋位的明亮程度,。
先將PCA模塊工作在8位PWM模式下，因為所有的模塊共用PCA定時器,，所以輸出頻率是相同的,。通過捕獲寄存器{EPCnL, CCAPnL［7:0］}改變輸出占空比，且占空比的變化是獨立的,。脈沖寬度調(diào)節(jié)如圖3所示,，當(dāng)寄存器{0, CL［7:0］}的值小于{EPCnL, CCAPnL［7:0］}時，輸出為低,；當(dāng){0, CL［7:0］}的值等于或者大于{EPCnL, CCAPnL［7:0］}時,，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時,，{EPCnH, CCAPnH［7:0］}的內(nèi)容裝載到{EPCnL, CCAPnL［7:0］}中,。這樣就可實現(xiàn)PWM輸出的無干擾更新。
2.1.3上位機通信的實現(xiàn)
單片機與上位機的交互通過串行口通信完成,，STC15F4K60S單片機具有4個采用通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asychronous Receiver/Transmitter, UART)工作方式的全雙工異步串行通信接口,。每個串行口都有4種工作模式，本設(shè)計采用工作模式1,，即8位UART,，波特率設(shè)置為9 600 b/s。
串行口收發(fā)時序如圖4所示,，發(fā)送時數(shù)據(jù)由串行發(fā)送端TxD輸出,，當(dāng)主機執(zhí)行寫“SBUF”的指令時就啟動串行口通信的發(fā)送，把“1”轉(zhuǎn)入發(fā)送移位寄存器的第9位中，并使TX控制單元開始發(fā)送,，移位寄存器會將數(shù)據(jù)不斷右移到TxD端口發(fā)送,，在數(shù)據(jù)左邊不斷補“0”，當(dāng)TX控制單元作最后一次移位輸出時允許發(fā)送信號“SEND”失效,，完成信息發(fā)送,。在接收信息時接收器以選定波特率的16分頻速率采樣串行接收端RxD，當(dāng)檢測到RxD端口有從“1”負跳變到“0”時就啟動接收器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù),，并將1FFH裝入移位寄存器中,，然后接收的數(shù)據(jù)從接收移位寄存器的右邊移入，已裝入的1FFH向左移動,，當(dāng)起始位“0”移動到了移位寄存器的最左邊時,，RX控制器作最后一次移位，完成信息的接收,。
但是,，只有當(dāng)RI=0和接收到停止位為1這兩個條件同時滿足時接收到的數(shù)據(jù)才是有效的，否則接收到的數(shù)據(jù)作廢并丟失,。
2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.2.1單片機軟件的實現(xiàn)
軟件設(shè)計主要包括主程序,、中斷服務(wù)程序、定時程序,、AD采樣程序和PWM火力調(diào)節(jié)程序［7］,。如圖5所示，主要控制流程為打開電源,、檢測按鍵是否按下、判斷是進行安全知識學(xué)習(xí)模式還是模擬操作模式,。若進行模擬操作模式,，則開始檢測氣閥是否開啟，氣閥關(guān)閉由LED模擬的爐火處于熄滅狀態(tài),，當(dāng)氣閥打開后立即進行AD采樣并檢測是否達到開關(guān)閾值,，未達到開關(guān)閾值爐火仍處于熄滅狀態(tài)，如達到閾值則對AD信號進行處理,，通過PWM控制調(diào)節(jié)LED明亮程度來表示爐火的大?。蛔詈髾z測是否收到終止命令,，若未收到終止命令則繼續(xù)對氣閥開關(guān)狀態(tài)和AD采樣信號的狀態(tài)進行檢測,，如收到終止命令則退出，回到初始界面,。
2.2.2上位機軟件的實現(xiàn)
上位機動畫使用Unity3D進行構(gòu)建,，Unity3D可支持所有平臺，且內(nèi)置光照貼圖、遮擋剔除和調(diào)試器等強大功能,。這里將燃氣灶操作的不同階段制作成動畫并打包成組件,，通過PC端的COM1口接收單片機傳送過來的串行口命令來調(diào)用對應(yīng)的組件，播放不同的動畫界面,，例如,，當(dāng)接收到0x02命令時，上位機就進入模擬操作的動畫界面,，與單片機實現(xiàn)互動功能,。
3測試結(jié)果
系統(tǒng)上電開啟電腦，系統(tǒng)自動進入上位機軟件的畫面,，等待用戶操作,。圖5程序流程圖經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，燃氣灶系統(tǒng)的仿真邏輯以及功能實現(xiàn)已達到預(yù)定的要求,，結(jié)果表達明確,，操作反應(yīng)快，無明顯延遲現(xiàn)象,。測試結(jié)果如下：
?。?）按下用氣安全知識按鍵，進入相關(guān)知識講解界面進行觀看,，此時對氣閥開關(guān)和點火開關(guān)操作不會有任何響應(yīng),；
（2）按下模擬操作按鍵,，進入模擬操作界面,，根據(jù)界面上的文字提示能夠正確完成整個燃氣灶的使用過程;
（3）如在模擬操作狀態(tài)下未按照文字提示進行正確操作,，會立刻提示操作錯誤并重新嘗試,。4結(jié)論
本文提出了一種基于單片機的燃氣灶系統(tǒng)仿真操作設(shè)計方案，經(jīng)測試表明,，該方案具有工作穩(wěn)定,、操作簡單、功耗低,、節(jié)約成本的優(yōu)點,，能夠滿足學(xué)校、社區(qū)乃至政府部門對燃氣灶安全使用操作的消防安全教育的基本要求,，適應(yīng)于科技發(fā)展的潮流,，未來可以應(yīng)用在更多類似的系統(tǒng)仿真中。
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