一種燃氣灶安全操作虛擬演示系統的設計*

郭浩輝，許志猛

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350100)

一種燃氣灶安全操作虛擬演示系統的設計*

郭浩輝，許志猛

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350100)

提出了一種基于單片機和PC的燃氣灶安全操作演示系統的實現方案。用單片機仿真燃氣灶的點火和開關控制，配合PC可實現模擬真實場景的燃氣灶安全使用操作訓練。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。

單片機；廚房燃氣灶系統仿真；用氣安全教育

0 引言

在社會飛速發展的同時，人們的生活水平和質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，天然氣產業發展勢頭迅猛，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引起的火災甚至爆炸事故時有發生[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。國內一些安全教育場館陸續引入了燃氣灶使用安全教育演示系統[4]。

使用真實的燃氣灶系統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的燃氣灶仿真設備的實現方案。該方案通過對硬件的仿真處理協同上位機交互動畫共同引導青少年正確完成對燃氣灶的操作，并對青少年進行相關的消防安全知識教育。在當前背景下，該系統可以作為燃氣灶使用方面的消防安全教育設備。

1 整體框架

燃氣灶仿真系統由單片機部分和上位機部分組成。燃氣灶仿真系統框架如圖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部的模數轉換器(Analog to Digital Converter，ADC)通道對打火開關和氣閥開關的操作信息進行采集、分析，最后結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。

圖1 燃氣灶仿真系統框架

2 系統設計

2.1 系統硬件設計

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轉換、兩組高速異步串行通信口，并集成了3路可編程計數器陣列模塊(Programmable Counter Array, PCA)，可用于脈寬調制(Pulse Width Modulation, PWM)輸出[5]。

2.1.1 打火及氣閥開關的模擬實現

STC1系列單片機的ADC組成包括：多路選擇開關、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC和轉換結果寄存器。

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置DAC輸出進行比較，經過多次比較使得轉換后的數字量逐漸逼近輸入模擬量的對應值。如圖2所示，將輸入端模擬量和DAC的輸出的模擬量發送到比較器中進行比較，比較結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果。這種逐次比較的ADC具有速度快、功耗低等優點[6]。

圖4 串行口模式1通信收發時序圖

圖2 AD采樣模塊系統框圖

通過單片機的ADC功能將點火開關旋鈕平均地劃分成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

為了對應上述點火開關的10個擋位，通過單片機控制PWM輸出，進而控制LED對應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。脈沖寬度調節如圖3所示，當寄存器{0, CL[7:0]}的值小于{EPCnL, CCAPnL[7:0]}時，輸出為低；當{0, CL[7:0]}的值等于或者大于{EPCnL, CCAPnL[7:0]}時，輸出為高。當CL的值由FF變為00溢出時，{EPCnH, CCAPnH[7:0]}的內容裝載到{EPCnL, CCAPnL[7:0]}中。這樣就可實現PWM輸出的無干擾更新。

圖3 PWM結構圖

2.1.3 上位機通信的實現

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，本設計采用工作模式1，即8位UART，波特率設置為9 600 b/s。

串行口收發時序如圖4所示，發送時數據由串行發送端TxD輸出，當主機執行寫“SBUF”的指令時就啟動串行口通信的發送，把“1”轉入發送移位寄存器的第9位中，并使TX控制單元開始發送，移位寄存器會將數據不斷右移到TxD端口發送，在數據左邊不斷補“0”，當TX控制單元作最后一次移位輸出時允許發送信號“SEND”失效，完成信息發送。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，當檢測到RxD端口有從“1”負跳變到“0”時就啟動接收器準備接收數據，并將1FFH裝入移位寄存器中，然后接收的數據從接收移位寄存器的右邊移入，已裝入的1FFH向左移動，當起始位“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據才是有效的，否則接收到的數據作廢并丟失。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 單片機軟件的實現

軟件設計主要包括主程序、中斷服務程序、定時程序、AD采樣程序和PWM火力調節程序[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習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，氣閥關閉由LED模擬的爐火處于熄滅狀態，當氣閥打開后立即進行AD采樣并檢測是否達到開關閾值，未達到開關閾值爐火仍處于熄滅狀態，如達到閾值則對AD信號進行處理，通過PWM控制調節LED明亮程度來表示爐火的大小；最后檢測是否收到終止命令，若未收到終止命令則繼續對氣閥開關狀態和AD采樣信號的狀態進行檢測，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

上位機動畫使用Unity3D進行構建，Unity3D可支持所有平臺，且內置光照貼圖、遮擋剔除和調試器等強大功能。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用對應的組件，播放不同的動畫界面，例如，當接收到0x02命令時，上位機就進入模擬操作的動畫界面，與單片機實現互動功能。

3 測試結果

系統上電開啟電腦，系統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

經過反復調試，燃氣灶系統的仿真邏輯以及功能實現已達到預定的要求，結果表達明確，操作反應快，無明顯延遲現象。測試結果如下：

(1)按下用氣安全知識按鍵，進入相關知識講解界面進行觀看，此時對氣閥開關和點火開關操作不會有任何響應；

(2)按下模擬操作按鍵，進入模擬操作界面，根據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 結論

本文提出了一種基于單片機的燃氣灶系統仿真操作設計方案，經測試表明，該方案具有工作穩定、操作簡單、功耗低、節約成本的優點，能夠滿足學校、社區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，適應于科技發展的潮流，未來可以應用在更多類似的系統仿真中。

[1] 陳家強.在應急救援力量體系建設中充分發揮公安消防部隊的突擊隊作用[J].消防科學與技術, 2005,24(5): 614-618.

[2] 羅東曉.節能環保是我國燃氣具產業的發展方向[J].煤氣與熱力,2012,32(10):66-70.

[3] 劉旭.淺談燃氣灶火災危險性及防范措施[C].安徽省科協年會——海灣杯“社會消防安全管理創新”專題年會論文集，安徽省科學技術協會、安徽省消防協會,2011：222-231.

[4] 華征豪.科技館安全科普宣傳教育的現狀、問題與對策[J]. 科技風,2015(4):214.

[5] 江世明,許建明,朱群峰,等.單片機原理及應用[M].上海：上海交通大學出版社,2013.

[6] 韓克,薛迎霄.單片機應用技術[M].北京：電子工業出版社,2013.

[7] 王東峰,王會良，董冠強，等.單片機C語言應用100例[M].北京：電子工業出版社,2009.

Design of a virtual demo system for training the security operating of gas stove

Guo Haohui，Xu Zhimeng

(College of Physics & Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350100, China)

An implementation of an electronic system based on microcontroller and PC is proposed for training the security operation of gas stove. By using microcontroller and PC to simulate the fire and operation of gas stove, this system can realize the training of operating gas stove in safe way like in the reality world. Practical tests show that the design is simple, easy and has a good simulation effect with low hardware cost, thus it can be used on the public educate of fire safety.

single chip microcomputer; kitchen gas system simulation; gas safety education

福州大學科技發展基金(2013-XQ-43)

TP368.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.008

郭浩輝，許志猛.一種燃氣灶安全操作虛擬演示系統的設計[J].微型機與應用，2017,36(8)：23-25.

2016-10-26)

郭浩輝(1993-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：通信工程。E-mail：370388036@qq.com。

許志猛(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：超寬帶無線通信技術。

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