智能安全指示牌的原理及其應用設計

趙曉蕾，黃治華，李新一

重慶大學光電工程學院，重慶 400030

安全指示牌在日常生活中不可或缺，尤其在公共場所應用廣泛，它可以給我們指明安全出口的方向，當我們在不熟悉的環境遇到緊急情況，安全指示牌的作用就顯得尤為重要。隨著電子科技的發展，很多設備設施可以進行小型化、輕型化、智能化的改進，其功能將更加強大，為我們的日常生活提供更多便利。但是在目前，社會上普遍采用的安全指示牌還停留在單純的指示功能上。因此，我們想到可以通過加裝小型檢測元器件和單片機系統，使目前普遍采用的安全指示牌成為智能化的安全指示牌，以便充分利用現有的資源，滿足人們日益增長的安全意識的需求。

1 裝置功能及原理

我們將目前采用的指示牌普通面板改為LED 顯示屏，使其具有如下功能：在正常環境下能夠提示人們安全通道方向和注意安全等內容。當所處環境發生火災時，該指示牌能夠通過溫度傳感器和煙霧傳感器檢測到火災信號，通過LED 向人們發出提示信息，即當溫度傳感器檢測到氣溫大于預設溫度，那么LED 將顯示“溫度報警”及安全出口方向，提示大家“趕快撤離”，并顯示相應的自救措施；當煙霧傳感器檢測到煙霧信號時，蜂鳴器報警， LED將顯示“煙霧報警”及安全出口方向，提示大家“趕快撤離”，并顯示相應自救措施。

我們選用C8051F020 型單片機為該系統的控制部件，將采集到的信號通過A/D 轉換，與預先設定的值進行比較，超過這個閾值，就會通過LED 顯示屏顯示出報警信息。信號采集部分我們選用的是溫度傳感器TS118-3和煙霧傳感器SS-168P。信號采集、控制、顯示3 大部分構成了智能牌的硬件系統，其原理框圖如圖1所示。

圖1 裝置原理圖

2 硬件設計

2. 1 傳感器電路

本智能安全指示牌信號檢測分成溫度檢測和煙霧檢測兩個部分。

1）溫度傳感器。溫度檢測部分采用的是TS118-3 紅外溫度傳感器，該傳感器的傳輸特性基本上是線性的，便于調節。TS118-3分為兩個部分：熱敏電阻RTD和熱堆TP。熱敏電阻可感受環境溫度，熱堆可感受物體表面發出的紅外溫度，其中熱堆作為主要的信號輸出，熱敏電阻用于環境溫度補償。該傳感器輸出的信號是毫伏級的，必須進行放大和濾波處理，具體電路如圖2所示。

2）煙霧傳感器。煙霧檢測部分采用的是SS-168P 光電式煙霧探測器。光電式煙霧傳感有四根引腳。其中1、2 腳為供電電源，1 腳接高電壓12V，2 腳接地；3、4 腳為信號輸出端。在沒有檢測到煙霧時，3、4 兩輸出腳斷路；檢測到煙霧時，3、4輸出腳短路，同時發出聲光報警。因此，我們將3 腳接高電壓，采用比較方式得到煙霧報警信號，然后通過A/D 采集判斷高低電平信號從而判斷出是否有煙霧信號，具體電路如圖3所示。

圖2 放大濾波電路

圖3 電路

2.2 LED顯示電路

LED 顯示電路由LED 點陣屏和LED 驅動電路組成。

1）LED 點陣屏電路。點陣屏由16 塊8*8 點陣塊組成，16 塊點陣分兩排，共形成16×64的矩形點陣，一幀可以顯示4個字。由于LED 點陣屏發光器件比較多，不宜采用靜態掃描方式，故采用掃描方式。動態掃描電路需將每一排點陣塊的對應行線接到一起，每一列點陣塊的對應列線接到一起，這樣就可以通過掃描行線或列線，控制LED 顯示屏的顯示狀態。

2）LED 驅動電路 根據LED 顯示屏電路的連接方式，采用動態掃描方式進行顯示時，每行有一個行驅動器，各行的同名列共用一個列驅動器。動態方式掃描時，一方面行驅動器提供行有效信號，由第一行開始依次將該行接高電平，同時，根據列驅動器鎖存的數據來確定該列是接高電平還是低電平。當一行的持續掃描時間結束后，下一行又以同樣的方法進行顯示。所有行都掃描一遍后，即一個掃描周期后，又從第一行開始重新掃描，只要掃描周期遠比人的視覺暫留的時間短，就分辨不出顯示屏的動態閃爍。在掃描各行時，可以采用并行或串行方式將該行各列的數據送到對應的列驅動器上。并行方式需要消耗大量硬件連線，實際中往往采用串行方式，控制電路利用一根信號線將列數據一位一位傳送到列驅動器上。存儲在控制電路里的顯示數據首先經過并行到串行的轉換，傳送到對應的列驅動器上，然后將各列并行地顯示出來，下面分別介紹行驅動和列驅動的具體實現電路。

（1）行驅動電路：采用兩片74LS138 譯碼芯片級聯，接成4線-16 線譯碼器的方法，控制LED 點陣屏的十六根行線。由于LED的每一顯示行的電流是很大的，而138 譯碼芯片的驅動能力有限，不足以驅動一組發光二極管，因此還需要在它的輸出端加4 953，以增強行驅動能力。

（2）列驅動電路：驅動電路應具備串行并出的移位功能，且應具備并行數據鎖存的功能。74HC595 具有一個8 位的串入并出移位寄存器和一個8 位的輸出鎖存寄存器，移位寄存器和輸出寄存器的控制各自獨立。

3 軟件設計

編程時選用的是C語言， 軟件系統主要用于完成傳感器采集信號的A/D轉換、狀態判斷、報警信號及提示語言的顯示等功能，主要包括主函數、初始化子程序，A/D 初始化子啟動程序、LED顯示子程序等。

1）主函數 主函數流程圖如圖4所示；

2）A/D 轉換中斷服務程序。A/D轉換中斷服務程序的具體功能：先對通道0 進行1 024次的采樣，并將1 024次采樣值求平均值，然后轉換通道2 采樣1 024次，將該1 024次的采樣取平均值，兩個通道采樣完畢將數據更新標志refreshflag 置1；

3）LED 顯示程序。通過編寫不同的顯示函數，然后在不同情況下，調用相應的顯示函數，LED 便可以按照需求顯示相應的內容。

對漢字、數字、圖形的取模可以用取模軟件，在取模前需要根據需要進行點陣格式、取模方式、取模走向格式設置。當顯示滾動字幕時，需建立顯示緩沖區，通過顯示指針，直接在隊列中查找顯示內容，并通過指針移動，來實現滾動顯示。

4 結論

該智能安全指示牌成功地把指示和火災檢測兩個功能結合起來，它不僅完成基本的指示功能，并且在火災發生時能及時地向人們發出報警信號，提供正確的撤離方向及自救措施，除平時為人們提供方便外，還為遇到火警能及時逃生和減輕救災工作起到重要作用。當然，如果在硬件系統中再加裝上語音擴音器，并在軟件中做相應的調整，便使該指示牌具有語音提示功能，智能安全指示牌的功能將更加完善。

圖4 主函數流程圖

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