用于消防救援的裝備壓力監控系統整體設計與規劃

撰文/郭斌

■650208 昆明消防指揮學校訓練部應急救援教研室 云南 昆明

?

用于消防救援的裝備壓力監控系統整體設計與規劃

撰文/郭斌

■650208 昆明消防指揮學校訓練部應急救援教研室 云南 昆明

用于消防裝備的壓力監控系統越穩定，越能有效地檢測消防員使用的消防器件的壓力情況，讓整個過程自動化、系統化，為消防員提供便捷的操作，可靠的數值信息，能夠在繁復的周圍環境中快速的解決各種緊急情況，文章對此進行系統整體設計與規劃研究。關鍵詞：消防救援；裝備；壓力監控系統；整體設計

壓力監控系統的總體方案設計

系統壓力量程是0-40.00MPA，精度是0.2%，主要包括數字壓力表和藍牙通信裝備，在計算機端有一個基于MFC的串口通信軟件，如圖2.3所示。數字壓力表是基于PIC18F65K90單片機的壓力測量器，主要功能是檢測壓力傳感器的模擬信號，然后通過軟件處理獲得準確的數字信號。藍牙通信裝備是基于PIC單片機的報警器，主要功能是通過藍牙無線接收壓力表的壓力信號，然后按照設定用LED燈和蜂鳴器進行報警。

PC機端是基于VS2008設計的MFC軟件。單片機在工作中得到的一些重要數據會存儲在單片機的EEPROM中，而PC機端的主要功能是用串口通信獲取這些數據，并且把這些數據存入SQL Server數據庫中進行保存。

系統硬件架構

硬件整體架構主要分為五大功能模塊：PIC18F65K90微控制器、壓力傳感器、藍牙模塊、LCD液晶顯示和外圍輔助電路。各個模塊的功能如下：

aPIC18F65K90微控制器

數字壓力表的核心控制芯片是美國Microchip技術公司的PIC18F65K90單片機，具有穩定性高、價格低廉、功能齊全等特點。

b壓力傳感器模塊

壓力傳感器模塊主要包括主要選用NKP192H型壓力傳感器和放大電路。NKP192H型壓力傳感器是一種擴散硅式壓阻式壓力傳感器，壓力信號通過MCP6001構建的差分放大電路進行放大，放大后的壓力信號就供PIC18F65K90單片機的A/D模塊采集。

c藍牙模塊

作為壓力表與藍牙通信裝備、壓力表與PC機之間無線通信的橋梁，采用的是HC-06藍牙串口模塊。此模塊是藍牙V2.0協議標準，利用串口功能傳輸，速度快、穩定性高、安全可靠。

dPC機/藍牙通信裝備

壓力表一部分數據傳遞給PC機，一部分傳遞給藍牙通信裝備。PC機端主要是基于MFC類的C++軟件，用于獲取單片機EEPROM中的數據；而藍牙通信裝備是基于PIC16F886單片機的設計，主要是進行壓力報警。

eLCD液晶模塊

壓 力 信 號 經 過PIC18F65K90單片機處理后的到的穩定信號，會通過PIC18F65K90單片機驅動模塊顯示到LCD液晶屏上。由于PIC18F65K90單片機自帶驅動模塊，所以大大減少了周圍的外部電路。

微控制器模塊

隨著社會電子技術飛速發展，微控制器（Microcontroller）的應用的廣泛度也越來越高，看待微控制器的性能指標也越來越高。PIC18F65K90單片機具體技術特點如下所示：

a多種低功耗的工作模式：如果電路設計的時候，單片機的時鐘源選自內部定時器1時鐘源或者內部RC振蕩電路，將會極大的降低功耗；如果單片機關閉內部CPU內核，也能夠降低功耗。在系統設計時，功耗一直是重點問題，因為供電電源是兩節1.5V干電池，所以選擇了內部500K的RC振蕩電路為時鐘源，另外啟用睡眠模式的功能作為一種超低功耗的工作模式，這樣能夠減少對電池電量的消耗。

bPIC18F65K90內部自帶了一個LCD驅動模塊：最多能夠設置4個公共端和32個段，最大像素數是132；能夠產生A型和B型兩種驅動波形，可以通過設置參考梯形電阻改變波形的功耗，然后復合使用；能夠對內部7抽頭梯形電阻的設置改變液晶顯示屏對比度；在單片機休眠模式下能夠使得LCD驅動模塊正常使用。LCD驅動模塊不僅能夠簡化外圍電路，而且大大減少成本。

c多種串行口通信方式：增強型通用同步/異步接收器EUSART，主要包括兩個相互獨立的USART模塊，工作模式包括全雙工異步模式、半雙工同步主、從模式；主同步串行端口MSSP。主要有SPI模式和I2C模式這兩種模式。

d12位A/D轉換器：PIC18F65K90單片機的兩路通道可實現做差運算，即差分ADC；通過設置內部寄存器可以靈活選擇采集時間，而且在A/D轉換狀態之前改變軟件改變采集時間，在下一個采集周期就會采用最新的采集時間，無需等待一個周期。

e充電時間測量單元（CTMU）：把CTMU與單片機內部的模擬模塊一起使用可以非常有效地測量時間、電容的大小、脈沖延時等。此次系統設計主要用到的是利用CTMU與單片機內部的A/D模塊一起測量溫度，得到的ADC值與溫度成反比。

f看門狗定時器（WDT）：PIC18F65K90單片機的看門狗定時器標準的溢出時間是4ms，它還有一個20位的預分配器，所以溢出時間范圍可以由4ms 至4194s之間。系統的超低功耗模式之下，是由看門狗進行喚醒，進入正常工作模式，然后再次進入休眠模式，如此往復以實現功耗的降低目標。

壓力傳感器模塊

隨著社會的進步與發展，傳感器技術已經遍布我們生活各處。在生活中，我們看到的、聽到的許多信息，都是具有研究利用價值的，例如光的強弱、聲音的大小等。但是對于這些信號電子電路是無法直接進行處理的，需要把這些信號轉換成電信號，而傳感器就是連接兩端的橋梁，這為電路能夠處理各種非電的模擬信號提供了技術支持。現在各行各業幾乎都采用到了傳感器技術，很好的詮釋了數字化時代的真正意義。

壓力傳感器模塊是用來把壓力信號轉換為電信號的，此次的NKP192H型壓力傳感器是一種擴散硅壓阻式壓力傳感器，量程是0～40MPA，滿量程輸出在70～300mV之間，線性度在±0.25%FS之間，遲滯及重復性在±0.05%FS之間。

NKP192H型壓力傳感器的輸出的壓力信號與其所受的壓力呈現線性正比關系，雖然內部硬件電路有對溫度補償和零點滿量程方面修正的設計，但是對于此次設計的壓力監控系統的要求還是不夠的，需要在軟件設計的時候添加一項軟件溫度補償函數，使整個系統更加準確可靠。此次的壓力監控系統，主要用的是軟件補償的方式：按照查表法的原理，首先得到若干標定點，用這些直線去逼近傳感器的輸出壓力與壓力傳感器輸出電壓信號的曲線，然后通過溫度補償系數去修正每段直線的系數，即得到一個輸出壓力與壓力傳感器輸出電壓信號和溫度補償系數的二元函數。NKP192H型壓力傳感器可靠性強，材質堅韌，測試對象范圍極廣，經常運用于智能化儀器、儀表等場合中。

HC-06藍牙串口模塊

用于消防裝備的壓力監控系統藍牙通信裝備是安裝在消防員面罩或者消防車上的，主要功能是接收壓力表傳輸過來的壓力信號，然后按照原先設定的限定，通過LED或者蜂鳴器進行預警。HC-06藍牙串口模塊具有如下特點：

a采用CSR公司的藍牙芯片，采用的是藍牙2.0技術，比起藍牙1.0，其傳輸速率更快，功耗更低，功能也更加完善。

b模塊供電電壓：3.3V～3.6V，在系統設計中，通信模塊以及藍牙模塊的供電都是由消防員自帶的電源供電，而壓力表主要是由兩節干電池供電，所以無需擔心藍牙模塊供電問題。

c波特率：1200～1382400。在波特率設置方面，主要是結合單片機的震蕩頻率以及波特率誤差，計算后得出9600是比較理想的選擇。

d工作電流：不大于50MA。較低的功耗也是選擇此模塊主要緣由之一。

e在無障礙物遮擋情況下，傳輸距離可達10m以上，一般情況下8m左右這對于壓力監控系統來說以及足夠了。HC-06藍牙串口模塊應用范圍極廣，在數據傳輸、無線監控、設備連接等方面的到了廣泛的運用。

參考：

［1］楊雪，劉詩斌.壓力傳感器溫度補償各種算法的比較分析［J］.電子設計工程，2013，10:90-92+96.