程鈺渲，趙呂凝，陳 諾，涂洪智，汪子涵，黃運(yùn)米，羅海軍

(溫州大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，浙江 溫州 325035)

高校實(shí)驗(yàn)室是高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要陣地和科研工作的重要場(chǎng)所，具有儀器設(shè)備和材料種類多、參與實(shí)驗(yàn)人員數(shù)量大、實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)重、安全隱患與風(fēng)險(xiǎn)復(fù)雜等特點(diǎn)，但是其安全監(jiān)控問(wèn)題在很多高校中未受到足夠重視，很多高校更注重學(xué)校的科學(xué)研究和教學(xué)工作，忽視實(shí)驗(yàn)室的安全管理工作，致使實(shí)驗(yàn)室成為安全事故頻發(fā)的場(chǎng)所[1]。

學(xué)校教學(xué)中學(xué)生是教育的主體，而在實(shí)驗(yàn)室中更是最主要的動(dòng)手能力者。而物理作為實(shí)踐性特別強(qiáng)的一門學(xué)科,國(guó)內(nèi)的高校幾乎都配備了物理實(shí)驗(yàn)室,旨在讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐更好地理解物理的相應(yīng)知識(shí),并且為校內(nèi)師生的科研工作提供了平臺(tái)[2]。但是值得注意的是實(shí)驗(yàn)室能給師生帶來(lái)方便的同時(shí),也需要師生用心維護(hù)以盡可能延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室的使用壽命。因未及時(shí)關(guān)窗而導(dǎo)致雨水進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，打濕實(shí)驗(yàn)儀器，甚至造成儀器的損壞；門未關(guān)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)儀器或其他財(cái)務(wù)損失，無(wú)關(guān)人員進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室而造成意外破壞；長(zhǎng)期不關(guān)燈對(duì)于實(shí)驗(yàn)室也是一種不必要的損耗；著火等突發(fā)事件更是不得不預(yù)防的可能災(zāi)禍。

基于上述問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)研發(fā)了一套實(shí)驗(yàn)室安全智能管理系統(tǒng)，根據(jù)霍爾效應(yīng)、力矩作用等物理原理，利用舵機(jī)、人體感應(yīng)、霍爾傳感器、步進(jìn)電機(jī)、絲桿螺母、雨水感應(yīng)模塊、火焰感應(yīng)模塊、蜂鳴器等器材，采用單片機(jī)控制、藍(lán)牙遠(yuǎn)程操控。本裝置包括自動(dòng)關(guān)門、自動(dòng)關(guān)窗、遠(yuǎn)程關(guān)燈、火焰檢測(cè)四大系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)關(guān)門、檢測(cè)門窗是否關(guān)閉、遠(yuǎn)程控制關(guān)門、雨水檢測(cè)、自動(dòng)關(guān)窗、遠(yuǎn)程關(guān)燈、火焰報(bào)警等功能。本裝置操作簡(jiǎn)單，高度自動(dòng)化，系統(tǒng)穩(wěn)定，適用范圍廣。通過(guò)測(cè)試，本裝置可在各類實(shí)驗(yàn)室中普遍適用，對(duì)環(huán)境適應(yīng)較好。

1 物理原理

1.1 力矩

力矩表示力對(duì)物體作用時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)的物理量。力對(duì)某一點(diǎn)的力矩的大小為該點(diǎn)到力的作用線所引垂線的長(zhǎng)度乘以力的大小，其方向則垂直于垂線和力所構(gòu)成的平面用力矩的右手螺旋法則來(lái)確定。力對(duì)某一軸線力矩的大小，等于力對(duì)軸上任一點(diǎn)的力矩在軸線上的投影。通過(guò)對(duì)力矩的研究，將舵機(jī)上的推桿進(jìn)行優(yōu)化，在盡量縮短長(zhǎng)度的情況下盡可能保證推力足夠大。

1.2 霍爾效應(yīng)

若電流流過(guò)一定厚度的半導(dǎo)體薄片，且磁場(chǎng)垂直作用于該半導(dǎo)體薄片，由于洛倫茲力作用，電子流向會(huì)發(fā)生改變，在薄片的兩個(gè)橫向之間就產(chǎn)生了電勢(shì)差，稱為霍爾電勢(shì)差，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)[3-5]。(如圖1)。

圖1 霍爾效應(yīng)示意圖

通過(guò)霍爾傳感器與磁鐵的配合，用于檢測(cè)門、窗是否關(guān)閉，關(guān)窗裝置是否回歸原位。

1.3 絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)

如圖2為螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)，是一種將螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)傳動(dòng)方式，具有傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比大的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)螺母進(jìn)行固定來(lái)抵消自轉(zhuǎn)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使螺母向左或向右移動(dòng)，化轉(zhuǎn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)。

圖2 絲桿螺母結(jié)構(gòu)

1.4 舵機(jī)工作

舵機(jī)(如圖3)的結(jié)構(gòu)主要由舵盤(pán)、減速齒輪組、位置反饋檢測(cè)器、限位開(kāi)關(guān)、直流伺服電機(jī)及控制電路板組成[6，7]。其工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的 IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無(wú)核心馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回訊號(hào)，判斷是否已經(jīng)到達(dá)定位。位置檢測(cè)器由可變電阻組成，當(dāng)舵機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其電阻值也會(huì)發(fā)生改變，由此檢測(cè)電阻值的變化便可得轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。常見(jiàn)的伺服馬達(dá)是在三極轉(zhuǎn)子上纏繞細(xì)銅線，當(dāng)線圈通電后時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子外圍的磁鐵發(fā)生排斥作用，從而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的作用力。要轉(zhuǎn)動(dòng)較重物體需較大作用力。

圖3 舵機(jī)

2 “自動(dòng)關(guān)門”的設(shè)計(jì)制作

2.1 電動(dòng)關(guān)門設(shè)計(jì)

自動(dòng)關(guān)門的難點(diǎn)就在于不夠智能，不能在特定時(shí)間、無(wú)人、未關(guān)門的情況下自動(dòng)將門關(guān)閉。在研究電動(dòng)關(guān)門過(guò)程中，與人工手動(dòng)關(guān)門進(jìn)行對(duì)比，如果要將門徹底合上，需要關(guān)門裝置具有比較大的推力。因此選擇用大扭力舵機(jī)(15 kg)來(lái)帶動(dòng)推桿進(jìn)行關(guān)門操作。用Arduino單片機(jī)對(duì)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行設(shè)置，使其在0°～90°之間轉(zhuǎn)動(dòng)。從初始的0°帶動(dòng)推桿將門合上(此時(shí)為90°)，當(dāng)檢測(cè)到門被關(guān)上后，再次轉(zhuǎn)動(dòng)推桿回到0°位置，等待下一次運(yùn)行。

選用彈性較好的亞克力棒，在權(quán)衡推力與桿長(zhǎng)度的關(guān)系后，將其固定在舵機(jī)上(如圖4)，測(cè)試效果較好。由于模型門所需推力較小，選用較短的推桿以減小推力避免模型損壞，而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中可通過(guò)更換扭力更大的舵機(jī)以及增加推桿長(zhǎng)度來(lái)推動(dòng)真實(shí)大門，理論與實(shí)驗(yàn)均證明方案可行。

圖4 推桿裝置

2.2 門霍爾傳感器設(shè)計(jì)

如圖5是模擬霍爾傳感器模塊的原理圖，可用于檢測(cè)磁場(chǎng)的存在，使用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)門是否關(guān)閉。通過(guò)磁鐵距離不同對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)不同，作為檢測(cè)依據(jù)。

圖5 模擬霍爾傳感器模塊的原理圖

將模塊連入Arduino單片機(jī)主板，提前設(shè)置好磁場(chǎng)大小，通過(guò)感應(yīng)裝在門上的磁鐵，當(dāng)數(shù)值達(dá)到設(shè)置值時(shí)，顯示為門已閉合。在門上安裝霍爾傳感器，門框上安裝磁鐵。如果門閉合，兩者貼近，則存在磁場(chǎng)，將報(bào)告高電平信號(hào)；如果門未完全閉合，則相反；通過(guò)檢測(cè)輸出電平信號(hào)的高低以此來(lái)判斷門是否閉合。

2.3 人體紅外感應(yīng)設(shè)計(jì)

如圖6，HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，感應(yīng)范圍內(nèi)有人輸出高電平，感應(yīng)范圍內(nèi)無(wú)人輸出低電平。

圖6 人體紅外感應(yīng)模塊

將模塊連入Arduino單片機(jī)主板，與舵機(jī)進(jìn)行結(jié)合。放置在門的附近，面向?qū)嶒?yàn)室內(nèi)部。編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)模塊檢測(cè)到有人時(shí)，即使門未關(guān)仍不啟動(dòng)舵機(jī)；當(dāng)檢測(cè)到無(wú)人存在時(shí)，啟動(dòng)舵機(jī)將門關(guān)上。

3 “自動(dòng)關(guān)窗”的設(shè)計(jì)制作

3.1 電動(dòng)關(guān)窗設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，是一種將脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)為角(線)位移的裝置。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器收到一個(gè)脈沖電信號(hào)，那么步進(jìn)電機(jī)就會(huì)按照實(shí)現(xiàn)設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)某個(gè)角度，輸入電信號(hào)脈沖數(shù)決定電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖電信號(hào)頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)速[8]。

圖7 自動(dòng)關(guān)窗結(jié)構(gòu)

如圖7，通過(guò)連接件將步進(jìn)電機(jī)與絲桿螺母進(jìn)行緊固，在窗框邊緣裝上一個(gè)“L”形小塊，在螺母下方用一亞克力棒進(jìn)行固定以去除螺母自轉(zhuǎn)并作為推桿。通過(guò)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從而帶動(dòng)絲桿向一方轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母隨之前進(jìn)，而亞克力推桿正好抵住“L”形小塊，推動(dòng)窗戶重新關(guān)上。當(dāng)檢測(cè)到窗戶已經(jīng)關(guān)閉，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)回到原位，停止轉(zhuǎn)動(dòng)待命。

3.2 窗霍爾傳感器設(shè)計(jì)

自動(dòng)關(guān)窗裝置共有兩個(gè)霍爾感應(yīng)裝置，一個(gè)用來(lái)檢測(cè)窗是否關(guān)閉，一個(gè)用來(lái)檢測(cè)螺母返回是否到達(dá)原位。如圖8，在窗框和銅法蘭螺母上各安裝一個(gè)磁鐵，在窗框附近的墻上以及靠近步進(jìn)電機(jī)附近的墻面各安裝一霍爾傳感器。通過(guò)檢測(cè)輸出電平信號(hào)的高低以此來(lái)判斷窗是否閉合。窗逐漸閉合，當(dāng)窗完全閉合的瞬間霍爾恰好感受到一個(gè)信號(hào)在設(shè)定數(shù)值范圍內(nèi)，電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)，帶著螺母往回走；當(dāng)螺母回到原位的同時(shí)，原位處的霍爾傳感器接收到電壓信號(hào)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖8 霍爾傳感器窗戶位置

3.3 雨水傳感器設(shè)計(jì)

雨滴傳感器的控制模塊具有4個(gè)輸出。VCC連電源5 V端。模塊的GND引腳接地。DO引腳連接到微控制器的數(shù)字引腳以進(jìn)行數(shù)字輸出，也可以使用模擬引腳。傳感器模塊包括一個(gè)電位計(jì)、LM393比較器、LED、電容器和電阻器。上面的引腳圖顯示了控制模塊的組件。雨板模塊由銅軌組成，銅軌用作可變電阻器。它的阻力隨雨板上的濕度而變化。圖9為雨滴傳感器原理圖。

圖9 雨滴傳感器原理圖

雨滴探測(cè)傳感器是用于感應(yīng)雨水的工具。它由兩個(gè)模塊組成，一個(gè)用于檢測(cè)雨水的防雨板和控制模塊，該模塊比較模擬值并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。當(dāng)檢測(cè)到窗未關(guān)閉時(shí)，且雨水的防雨板上有雨滴時(shí)，其轉(zhuǎn)換的數(shù)字值將發(fā)生變化，與此同時(shí)控制相連的步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，使用螺桿與銅法蘭螺母推動(dòng)窗戶前進(jìn)，達(dá)到自動(dòng)關(guān)窗的目的。

4 “遠(yuǎn)程關(guān)燈”的設(shè)計(jì)制作

遠(yuǎn)程關(guān)燈系統(tǒng)中使用藍(lán)牙模塊HC-06，數(shù)據(jù)通過(guò)Arduino單片機(jī)傳輸給藍(lán)牙模塊,再由經(jīng)藍(lán)牙模塊無(wú)線發(fā)送給手機(jī)端。HC-06藍(lán)牙模塊的工作電壓為3.3～5 V，模塊體積較小,功耗較小，Arduino單片機(jī)與HC-06藍(lán)牙模塊接口如圖10[9]。當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)無(wú)人且未關(guān)燈的情況下，通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程切斷電源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)燈的目的。

圖10 單片機(jī)與藍(lán)牙模塊接口

5 火焰警報(bào)的設(shè)計(jì)制作

5.1 火焰感應(yīng)設(shè)計(jì)

火焰?zhèn)鞲衅髂K，由集成電路中的火焰?zhèn)鞲衅?IR接收器)、電阻器、電容器、電位計(jì)和比較器LM393組成。工作電壓在3.3 V至5.2 V之間，并帶有數(shù)字輸出以指示信號(hào)的存在。該模塊可以檢測(cè)到紅外光?；鹧嫣筋^將檢測(cè)到的紅外光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，靈敏度可通過(guò)板載可變電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)紅外火焰探頭將外部紅外光的強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換為電流變化。然后將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。該模塊原理圖如圖11。當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)點(diǎn)燃火焰，火焰?zhèn)鞲衅鞲惺艿郊t外光并將其轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，進(jìn)一步以數(shù)字量與提前設(shè)好的值進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)閾值傳感器報(bào)告有火焰，并觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。

圖11 火焰?zhèn)鞲衅髟韴D

5.2 蜂鳴器設(shè)計(jì)

低電平觸發(fā)的蜂鳴器通過(guò)杜邦線將信號(hào)端插入Arduino單片機(jī)數(shù)字信號(hào)D端,VCC電源正極要接3.3 V低電壓,GND是接地端；OLED顯示屏按照四個(gè)引腳的標(biāo)注,插入I2C插孔。

使用了低電平觸發(fā)的蜂鳴器,它會(huì)在Arduino單片機(jī)通電、啟動(dòng)操作系統(tǒng)后就處于低電平的“假工作”狀態(tài)——“吱吱”地鳴叫。因此必須在主程序最開(kāi)始先添加設(shè)置相應(yīng)的語(yǔ)句模塊,運(yùn)行程序?qū)⑵湓O(shè)置為“高電平”狀態(tài),相當(dāng)于暫時(shí)關(guān)閉蜂鳴器[10]。

當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)有火焰發(fā)生時(shí)，蜂鳴器就會(huì)立刻響應(yīng)發(fā)出警報(bào)。

6 實(shí)驗(yàn)室安全智能管理系統(tǒng)裝置圖

設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室安全智能管理裝置的原理示意圖如圖12所示，實(shí)物圖如圖13。

圖12 實(shí)驗(yàn)室安全智能管理系統(tǒng)控制原理圖

圖13 實(shí)驗(yàn)室安全智能管理裝置實(shí)物圖

該裝置主要由舵機(jī)、人體感應(yīng)模塊、霍爾傳感器、步進(jìn)電機(jī)、絲桿、螺母、雨水感應(yīng)模塊、火焰感應(yīng)模塊、蜂鳴器、藍(lán)牙模塊等模塊組成。由Arduino控制所有系統(tǒng)以及相應(yīng)模塊，裝置采用全自動(dòng)式運(yùn)行，可通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

自動(dòng)關(guān)門系統(tǒng)可包括檢測(cè)有人時(shí)不啟動(dòng)裝置、檢測(cè)無(wú)人存在時(shí)自動(dòng)關(guān)門、檢測(cè)門是否關(guān)閉、遠(yuǎn)程關(guān)門等功能。自動(dòng)關(guān)窗系統(tǒng)包括感應(yīng)到雨水自動(dòng)關(guān)窗、檢測(cè)窗是否關(guān)閉、檢測(cè)關(guān)窗裝置是否回到原位等功能。遠(yuǎn)程關(guān)燈系統(tǒng)包括檢測(cè)燈是否關(guān)閉、遠(yuǎn)程關(guān)燈等功能?；鹧鎴?bào)警系統(tǒng)包括檢測(cè)火焰并報(bào)警功能。

7 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室安全智能管理系統(tǒng)具有實(shí)用性高、范圍適用廣、高度自動(dòng)化、操作簡(jiǎn)便、系統(tǒng)穩(wěn)定、功能完備等特點(diǎn)。可滿足不同高校不同實(shí)驗(yàn)室的普遍需求，讓實(shí)驗(yàn)室管理人員更有效地管理實(shí)驗(yàn)室。裝置無(wú)需破壞原來(lái)實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)，各系統(tǒng)調(diào)試便利，在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室中具有極高的適應(yīng)性，且對(duì)實(shí)驗(yàn)室的限制較小，可普遍應(yīng)用于各高校各類別的各種實(shí)驗(yàn)室中。未來(lái)也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的特殊需求，進(jìn)行增減功能，裝置更靈活，更穩(wěn)定，更實(shí)用，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。不只是實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于家庭、辦公室等各種地點(diǎn)，該裝置都可以進(jìn)行應(yīng)用，值得推廣！