基于單片機的“點燃圣火”展品控制系統

張羅強

摘要：單片機在自動化控制領域應用十分廣泛，本文介紹了以單片機為核心，結合ISD4004語音芯片、光敏和手握觸發電路，實現精準報時、激光檢測與指示等功能，設計制作東莞科技館“點燃圣火”展品，按設計方案完成制作后，該展品的控制流程清晰、嚴謹，具有很強的互動展示效果。

關鍵詞：展品；控制系統；單片機

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0002-02

1 項目描述

每屆奧運會圣火點燃的環節都非常激動人心，圣火的點燃方式每次都讓人耳目一新，為了激發青少年對科學的興趣，展示光敏傳感器等知識，東莞科技館在光學展區設計制作了“點燃圣火”項目，主要控制部分依靠單片機和傳感電路實現。

本項目的設計目標為一互動性展品，由3名觀眾同時操作進行比賽，也可由一名觀眾獨自參與。展品由火炬臺、激光光源和三架反射鏡操作臺構成?；鹁媾_為高3米的六角錐柱，在六角錐柱對稱的三面上，由下到上錯落分布有10個光接收孔，三架反射鏡操作臺對應火炬臺上三面光接收孔分布。每架反射鏡操作臺上有一面反射鏡，它的上方懸掛有激光光源，觀眾操作反射鏡上下左右旋轉可使光源發出的光經反射鏡反射到火炬臺的光接收孔上，每對準一個光接收孔，孔里的燈就會發光。當參與觀眾的手握住反射鏡操作手柄后，系統會以語音提醒觀眾：“比賽就要開始，請做好準備”，并倒計時10秒，10秒后系統啟動。當觀眾連續點亮10個孔后，火炬頂端的火炬便會熊熊燃燒起來（以紅色燈光和風機吹起絲帶效果演示），點燃火炬的觀眾可聽到自己的完成操作的時間成績。

2 控制系統構成

點燃圣火展項由控制系統、手握觸發裝置、激光檢測與指示裝置、語音控制裝置等組成（如圖1），利用單片機和傳感器技術來實現整個展項的操作和互動。

控制系統是展項的數據處理部件，由單片機及外圍I/O端口構成，通過編寫軟件程序駐留單片機的存儲器中，供CPU調用。實時處理輸入數據。輸出控制信號完成燈的指示和語音播放，完成展項的描述。

手握觸發裝置相當于系統的啟動開關，利用人體的導電性，當雙手分別握住操作手柄兩邊的金屬環時，主控制器收到信號，系統啟動。

激光檢測用于判斷操作者操作正確多少的檢測裝置，此檢測信號送入單片機處理，操作正確后指示燈點亮，當完成操作正確后位于火炬臺上的火炬將自動點燃，同時有語音為游客的正確操作喝彩。

激光發射裝置用于發射激光光源，它掛在火炬的頂上端，光源分別對著三個操作臺上的反射鏡，游客轉動操作臺控制反射鏡的角度，將激光光線反射到對應的光接收孔。

語音控制裝置采用ISD4004語音存儲芯片對控制語音的同步播放，不同語音的播放將接受單片機的端口控制。

3 控制系統的實現

3.1 控制流程

系統包含兩個狀態，等待狀態和工作狀態。

在等待狀態時，三個方向的光接收孔內的LED燈輪流閃爍，顯示流水燈效果，吸引游客的參與。

當系統在等待狀態檢測到有游客握住手柄兩端時，系統進入工作狀態，驅動語音模塊播放提示音，光接收孔內的LED燈全部熄滅，變為可擊發狀態，當光接收孔的光敏電阻被光線擊中后，相應的LED燈會亮起，系統同時驅動語音模塊播放“嘭”的聲音，當10盞燈全部點亮時，語音芯片播放勝利的聲音，通過繼電器控制頂部的風扇打開吹動紅旗，以示勝利完成任務。本輪參與結束后，系統重新復位，回到等待狀態。

3.2 狀態檢測

在把手處安裝有兩個金屬環，當游客觸摸手柄時，通過放大電路輸出一個低電平信號到主控制器host（如圖2），此時2號繼電器進入鎖定狀態，主控制器host驅動語音模塊播音，主控制器host鎖定客戶端，使客戶端進入中斷狀態，LED燈全部熄滅，同時定時器開始啟動，TR0=1，開始計時。

3.3 擊發過程

游客通過手柄轉動控制激光反射方向，光接收孔內裝有并聯的光敏電阻，當光敏電阻接收到激光照射后，電阻變小，通過放大電路輸出低電頻信號，單片機驅動相應的LED燈點亮，同時驅動語音芯片播放“嘭”的聲音。

擊發部分控制代碼：

void gun（）

{

if（flag==0）

{

delay（3）；

L1=1；

L2=1；

…

L10=1；

flag=1；

}

if（flag==1）

{

if（K1==0&&L1==1）

{

L1=0；

out1=0；

delay（10）；

out1=1；

}

…

3.4 擊發完成

當游客將10個光接收孔依次擊發完成后，客戶端向主控制器host發送一個低電平信號，以示停止，客戶端又回到流水燈狀態，主控制器host驅動頂部風扇打開，吹動紅旗，同時驅動語音模塊播報完成時間，完成后，通過定時器重新復位。

擊發完成部分代碼：

…

if（key3==0） //暫停a

{

delay（10）；

if（key3==0）

{

flag=1；

L3=1； //流水燈

L2=0； //上面風扇開客戶端＼單片機斷電

Send（0x01，0x00，0xAF）； //勝利聲音

delay（40）；endprint

Send（0x01，0x00，0xCD）； //''獲勝的是1號選手''

delay（78）；

Send（0x01，0x04，0x06）； //''你用的時間是''

delay（60）；

Send2（a4，a3）； //報時函數

Send（0x01，0x04，0x38）； //''今天最快的時間是''

delay（75）；

Send3（num）； //今天最快的時間是

num=0； //計數器清0

L1=0； //鎖住開始

L2=1； //上面風扇關

delay（3）；

L1=1； //解除鎖住開始

L2=1； //上面風扇關

}

while（！key3）；

delay（2）；

while（！key3）；

}

…

系統初始化部分代碼：

void init（）

{

TMOD=0x21；

TH0=（65536-45872）/256；

TL0=（65536-45872）%256；

EA=1； //打開總中斷

ET0=1； //打開定時器允許位

TR0=0； //打開定時器

EX1=1； //外部中斷1開P3.3

IT1=1； //外部中斷方式邊沿觸發

PCON = 0x00； //波特率不倍增

SCON = 0x50； //串行工作方式設定，允許接收

TH1 = 0xFd； //定時器1初值高位波特率產生

TL1 = 0xFd； //定時器1初值低位

TR1 = 1； //啟動定時器

ES=1； //串口中斷開啟

}

4 項目運行效果

本項目通過單片機、光敏元件、語音模塊、繼電器等控制部件的聯動，最終實現展品的互動趣味性展示效果，運行穩定、互動性強，配合說明牌和講解引導，向廣大青少年科普光敏電阻和傳感電路的相關知識，展品展示以來，一直具有很高的參與度，深受青少年游客的喜愛，起到了很好的科普作用。endprint