李 紅，屈澤明

(湖南湘潭鋼鐵集團公司，湖南 湘潭 411101)

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基于無線WiFi的煤氣報警器的設計

李 紅，屈澤明

(湖南湘潭鋼鐵集團公司，湖南 湘潭 411101)

針對傳統(tǒng)的煤氣報警器的缺陷，設計了一種基于WiFi的煤氣報警控制器。通過傳感器對煤氣濃度的檢測，實現(xiàn)了對濃度的顯示、語音報警，并具有LED點陣屏顯示功能。利用RS232/WiFi模塊實現(xiàn)了控制器與智能手機或PC之間通過WiFi的方便連接和數(shù)據(jù)傳輸。該控制器具有成本低、運行可靠、顯示醒目、通信方便等優(yōu)點，從而使得控制器具有較好的推廣意義。

單片機；RS485總線；遠程監(jiān)控；WiFi

0 引言

鋼鐵企業(yè)使用的煤氣主要包括焦爐煤氣、高爐煤氣以及轉(zhuǎn)爐煤氣。由于這些煤氣的存在，增加了煤氣中毒的風險。為了降低煤氣中毒的風險，各個鋼鐵公司在預防煤氣中毒的工作方面做了大量的工作，但是鋼鐵行業(yè)煤氣泄漏造成人員傷亡的事故仍然時有發(fā)生，說明鋼鐵行業(yè)預防煤氣中毒方面仍有大量的工作需要進一步改善[1]。

目前湖南湘潭鋼鐵集團有限公司主要有兩種報警裝置，一種是固定式煤氣報警儀，一種是便攜式煤氣報警儀。固定式煤氣報警儀安裝時，一般把探頭安裝在煤氣區(qū)域，把帶有顯示功能的主控制器安裝在操作室。因為每個煤氣區(qū)域都可能作業(yè)，故每個煤氣區(qū)域都需要安裝一套煤氣報警裝置。這種方案存在兩種缺陷：一是在煤氣區(qū)域的人員不能觀察到煤氣實時濃度和變化趨勢；二是只需要關注有人員在煤氣區(qū)域作業(yè)時的煤氣濃度，其他時間不必關心煤氣濃度，這樣造成了投資和資源的浪費。便攜式煤氣報警儀可以攜帶在身上，煤氣超標時發(fā)出報警聲音。這種方案克服了安裝固定式煤氣報警儀現(xiàn)場作業(yè)人員不知道煤氣濃度的缺陷及應用靈活的優(yōu)點，但是又有新的問題出現(xiàn)，一是操作室的人員不知道現(xiàn)在煤氣濃度的情況；二是由于煤氣區(qū)域作業(yè)的人員需要每人攜帶一部煤氣報警儀，需要備用的數(shù)量較多，成本仍然較高。

1 控制器方案設計及其硬件設計

系統(tǒng)主要由檢測電路、LED數(shù)碼管顯示電路、LED點陣屏顯示電路、RS232/WiFi模塊及通過WiFi網(wǎng)路連接的PC、智能手機等智能終端設備組成，本系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示。傳感器MQ-5檢測氣體中的可燃氣體的濃度，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，采集進入MCU中。MCU根據(jù)煤氣的實時濃度，判斷是否應給出聲音報警，并在LED數(shù)碼管上顯示實時濃度，同時MCU發(fā)出數(shù)據(jù)及控制信號到LED點陣顯示屏，使LED點陣顯示屏顯示相應的提示文字。通過RS232/WiFi模塊，實現(xiàn)與遠程PC的WiFi網(wǎng)路連接，從而解決了便攜式煤氣報警儀遠程不能監(jiān)控的缺陷，同時就地與煤氣區(qū)域的智能手機等智能設備連接，通過APP實現(xiàn)了在智能手機上實時顯示，相當于可以便捷地實現(xiàn)每人攜帶一部煤氣報警儀。這樣的設計即解決了遠程和本地目前不可兼顧顯示煤氣濃度的缺陷。由于設計裝置是可移動的，只需要一套設備就可滿足作業(yè)要求，故也解決了成本問題。

1.1 LED點陣顯示屏的設計

在本系統(tǒng)中設計了32×64陣列的LED點陣顯示屏，除了發(fā)光二極管外，它主要由行驅(qū)動電路和列驅(qū)動電路組成。行驅(qū)動電路主要由74HC138、功率管驅(qū)動MOS管4953等元器件組成，對來自LED點陣顯示屏接口Jin的地址信息信號A、B、C、D進行譯碼處理，使單元板其中兩行為低電平(這兩行在數(shù)字上始終相差16)，從而實現(xiàn)了顯示兩行的數(shù)據(jù)信息。列驅(qū)動電路包括兩路，主要利用74HC595來實現(xiàn)，它把從顯示屏控制器串口輸出的數(shù)據(jù)進行串進/并出處理，并存儲顯示屏點陣一行的數(shù)據(jù)信息。列驅(qū)動有兩行，其中Jin接口的Da0的列數(shù)據(jù)用于驅(qū)動上面16×64的LED陣列，Jin接口的Da1的列數(shù)據(jù)用于驅(qū)動下面16×64的LED陣列。同時顯示兩行的行驅(qū)動設計及兩組列驅(qū)動設計，實現(xiàn)了32×64陣列可顯示8個16×16點陣的漢字[2]。32×64點陣LED顯示原理圖如圖2所示。

圖1 控制器系統(tǒng)硬件結(jié)構圖

圖2 LED點陣顯示屏的設計

1.2 主要硬件選型及設計要點

MCU選取STC12C5A60S2作為控制核心，STC12C5A16S2是一種具有低功耗、高性能 CMOS、運行速度快(是普通89C51系列單片機運行速度的12倍)等特點的 8位微控制器。集成的資源也比較豐富，包括：16 KB Flash，1 280 B RAM，32 bit I/O端口，4個16 bit定時器/ 計數(shù)器， 8個10 bit ADC，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路等。由于控制器本身帶有ADC，故可以省略ADC電路，從而簡化了電路，節(jié)約了成本，同時可以降低故障率，提高穩(wěn)定性。

利用MQ-5氣體傳感器實現(xiàn)對空氣中的可燃氣體的檢測，MQ-5氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-5具有探測范圍廣、靈敏度高、響應恢復快、穩(wěn)定性能好、壽命長、驅(qū)動電路簡單等特點，從而被廣泛用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、氫氣、人工煤氣等的探測，其探測范圍 為300～10 000 ppm。

RS232/WiFi模塊選用HLK-RM04模塊，它是海凌科電子新推出的低成本高性能嵌入式UART-ETH-WiFi(串口-以太網(wǎng)-無線網(wǎng))模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)(WiFi)3個接口之間的任意透明轉(zhuǎn)換。利用HLK-RM04模塊，可以使傳統(tǒng)的串口設備在不需要更改任何配置的情況下，方便快捷地通過Internet 網(wǎng)絡傳輸自己的數(shù)據(jù)。它支持TCP/UDP/ARP/ICMP/HTTP/DNS/DHCP網(wǎng)絡協(xié)議，串口速率在1 200～230 400 b/s范圍內(nèi)可調(diào)。

相比于LCD液晶屏來說，LED數(shù)碼管鮮艷的色彩更加醒目，由于在本設計中數(shù)碼管是用來實時顯示可燃氣體濃度和設定報警值的，因此醒目是有必要的，故在本系統(tǒng)中選用LED數(shù)碼管來顯示可燃氣體濃度。LED數(shù)碼管顯示電路主要由4位共陰極LED數(shù)碼管及驅(qū)動電路組成，采用動態(tài)掃描的顯示方式，節(jié)約了MCU數(shù)量有限的I/O資源。通過使用集成的達林頓芯片ULN2008來驅(qū)動LED數(shù)碼管4位LED數(shù)碼管，相對于傳統(tǒng)的三極管驅(qū)動電路來說，這樣設計既簡化了電路，也使得電路板更緊湊、簡約和穩(wěn)定[3]。

考慮到以后與其他串口設備通信，設計了RS485接口電路及RS232接口電路。在接口電路中選用了MAX485及MAX232接口芯片。MAX485接口芯片是MAXIM公司的一種RS-485芯片，通過MAX485實現(xiàn)了TTL電平與RS-485電平之間的轉(zhuǎn)換[4]。

2 系統(tǒng)軟件設計

程序設計采用C語言編程，程序主要包括ADC中斷服務程序、LED點陣屏顯示程序、LED數(shù)碼管顯示程序、通信中斷服務程序、數(shù)字濾波程序以及用于鍵盤識別的外部中斷服務程序。ADC中斷服務程序是用于讀取空氣中可燃氣體濃度，采用中斷讀取方式，保證了濃度采用等數(shù)據(jù)的實時性；LED點陣屏顯示程序用于顯示警示語；LED數(shù)碼管用于顯示可燃氣體濃度；通信中斷服務程序?qū)崿F(xiàn)控制器與其他智能設備數(shù)據(jù)交換；數(shù)字濾波程序主要對采樣的數(shù)據(jù)進行處理，達到去偽存真的目的；鍵盤識別的外部中斷服務程序用于鍵的識別，采用中斷方式保證了按鍵的實時性。本系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示，程序首先對ADC通道、外部中斷INT0及串口中斷進行了初始化，對于新采樣的濃度值進行了數(shù)字濾波處理，確保濃度值的真實性。通過LED數(shù)碼管顯示程序，顯示出實際濃度。在程序中通過邏輯判斷，判別出濃度是否超標，以決定是否給出聲音報警信號和顯示的何種提示語或警示語。為了提高通信的準確性，需要計算出通信數(shù)據(jù)校驗碼后才能給串口發(fā)出數(shù)據(jù)，其他接收設備根據(jù)校驗碼判斷本次通信是否正常，如果通信校驗碼一致，則認為本次通信正常，接收的數(shù)據(jù)可用于監(jiān)控，否則拋棄本次接收的數(shù)據(jù)。

圖3 控制器主程序框圖

3 實驗及展望

通過實驗板對裝置的顯示效果、通信及抗干擾能力等方面進行了測試。

測試結(jié)果表明，LED顯示穩(wěn)定、不閃爍、色彩鮮艷，相比于LCD顯示器來說更為醒目，由于LED顯示器本身是發(fā)光體，故非常適合使用在光線昏暗的環(huán)境下。

在通信方面，智能手機可自動連接到RS232/WiFi模塊，在智能手機APP上可方便地觀測到煤氣濃度，顯示數(shù)據(jù)與裝置LED數(shù)碼管上的濃度信息一致。通過校驗碼設計，使手機APP能識別接收數(shù)據(jù)的錯誤，保證APP上顯示的數(shù)據(jù)正確無誤。

分別把控制器放置在煤氣區(qū)域、電氣室以及具有較強干擾的變頻器室環(huán)境進行測試，控制器工作正常，通信及顯示正常，說明本控制器具有較強的抗干擾能力。

本設計由于克服了傳統(tǒng)煤氣報警器的缺陷，并具有成本低、使用方便、功能較強等特點，使得本設計具有較好的應用前景。

[1] 趙春輝. 煤氣中毒事故案例分析及抽堵盲板作業(yè)的安全技術措施[J].冶金動力，2014(5):25-27.

[2] 吳興中.鋼包精煉爐配料控制系統(tǒng)的研究與設計[D].湘潭：湖南科技大學，2010.

[3] 吳興中，屈澤明.一種基于單片機的液位控制器的設計[J].微型機與應用，2016,35(16):98-100.

[4] 吳興中，朱松林，彭新良.利用單片機實現(xiàn)對云臺的控制[J].四川兵工學報，2011,32(3):71-72.

Design of gas alarm based on wireless WiFi

Li Hong, Qu Zeming

(Hunan Xiangtan Iron and Steel Group Co., Ltd., Hunan Province, Xiangtan 411101, China)

Aiming at the defects of traditional gas alarm, a gas alarm controller based on WiFi is designed.Through the sensor to detect the gas concentration, it realized concentration display and voice alarm, and has the LED lattice screen display function. Using RS232/WiFi module it achieves the controller with smart phones and PC through WiFi convenient connection and data transmission.The controller has the advantages of low cost, reliable operation, conspicuous display and convenient communication, so that the controller has good popularization significance.

MCU; RS485 bus; remote monitoring; WiFi

TP202

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.008

李紅，屈澤明.基于無線WiFi的煤氣報警器的設計[J].微型機與應用，2017,36(12)：26-28.

2016-12-24)

李紅(1983-),女，學士，主要研究方向：質(zhì)量設計、產(chǎn)品開發(fā)。

屈澤明(1982-),男，碩士，工程師，主要研究方向：傳動與控制、流體控制技術。