一種無線可視化有害氣體探測儀的設計

曾令剛　包宋建　楊守良

【摘 要】在有害氣體的高危環境下或者在搶險救災的現場中，作業人員直接進入現場作業可能會造成不必要的人員傷害。本設計以基于STC12A60S2單片機為主控器，實現了高性能智能車和遙控器的設計。系統能夠實時對現場有害氣成份進行檢測并傳輸到手持遙控器的LCD上顯出來，系統還實現了現場圖像的實時傳輸功能。

【關鍵詞】單片機;有害氣體;溫度;控傳;圖傳

中圖分類號： R443.5;TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）19-0022-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.19.009

1 概述

在采礦業等需要在洞穴中作業的環境下，常常因有害氣體造成人身傷害，甚至死亡。設計一種能夠遠程檢測洞穴有害氣體成份及濃度的設備就很有必要。基于此本文提出了一種基于STC12A60S2為主控器的無線遠程可視化有害氣體檢測儀的設計。整個系統由遙控系統和車載系統兩部分構成[1]。

2 系統硬件設計

整個系統由車載系統和遙控系統組成，系統結構框圖如圖1所示。車載系統端以單片機為核心，設計有電源電路、時鐘復位電路、溫度檢測模塊、舵機模塊、各種氣體的檢測模塊、電機驅動模塊及無線收發模塊。遙控系統端也是以單片機為核心，設計有電源電路、無線收發模塊、LCD顯示模塊、時鐘復位電路和搖桿控制模塊[2]。

2.1 遙控系統設計

遙控系統實現對小車的運行控制，并將小車系統檢測的氣體成份和當前溫度值在LCD上顯示出來，還將小車系統上攝像頭采集的圖像實時的在另一個LCD上顯示出來。

2.1.1 NRF24L01無線收發設計

nRF24L01+是采用FSK調制的低功耗單片通信芯片，工作頻段在2.4～2.5GHz，通信最快速度為2Mbps，nRF24L01+共有8個引腳，VCC接3.3V電源，GND接電源負極，其他6個引腳與單片機的接口為：IRQ接單片機的P3.0、MOSI接單片機的P3.1、CSN接單片機的P3.2、MISO接單片機的P3.3、SCK接單片機的P3.4、CE接單片機的P3.5。nRF24L01+與單片機的接口如圖2所示[3]。

2.1.2 搖桿電路設計

設計中對小車的控制和對攝像頭的控制采用搖桿控制，搖桿控制具有硬件電路簡單、程序編寫方便的特點。雙軸按鍵搖桿選用SONY公司的PS2按鍵搖桿電位器，具有兩路模擬量輸出，分別對應X軸的偏移量和Y軸的偏移量;具有一路數字量輸出，對應于用戶是否在Z軸上按下。本設計的右手搖桿用于控制無線智能車的動作，如：前進、后退、左轉、右轉等基本動作;左手搖桿用于控制攝像頭舵機的任意角度的轉動，電路如圖3所示。

2.1.3 LCD12864液晶顯示模塊

通常現有的輸出顯示方式有發光二極管顯示、LED數碼管顯示、LED矩陣顯示和液晶顯示，在單片機系統的人機交互界面中被廣泛應用的主要有LED數碼管和LCD液晶顯示器。本設計采用LCD12864液晶模塊進行顯示，LCD12864接口電路如圖4所示。接了背光電源，RS、RW和EN三個引腳分別接單片機的P2.0、P2.1和P2.2，D0～D7接單片機的P0口[4]。

2.2 小車系統設計

2.2.1 電機驅動設計

電機驅動電路使用集成電路L298，可以方便的驅動兩路直流電機。VSS接5V電源;VS接7.4V電源;GND、ISENA和ISENB接地;ENA與ENB為L298N電機驅動模塊使能控制端，接單片機的P2.4和P2.5，控制電機運行或是停止。輸入端IN1～IN4接單片機的P2.0～P2.3;輸出端OUT1和OUT2接直流電動機A，輸出端OUT3和OUT4接直流電動機B。電機控制原理圖如圖5所示[5]。

2.2.2 溫度及空氣質量檢測設計

溫度檢測采用數字化傳感器DS18B20，一線總線接單片機P3.7，溫度檢測接口電路如圖6（a）所示。MQ-7一氧化碳傳感器接單片機的P1.0，MQ-7與單片機的連接如圖6（b）所示。MQ-5甲烷傳感器接單片機的P1.1，MQ-5與單片機的接口如圖6（c）所示。MQ-135氣體傳感器接單片機的P1.2，MQ135與單片機的接口如圖6（d）所示[6]。

2.2.3 實時圖像傳輸系統設計

為了實現對監測環境的實時可視并遙控，在無線智能遙控小車設計的基礎上增加了一個5.8G實時圖像傳輸系統。實時圖像傳輸系統設計框圖如圖7所示。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括兩大部分，一是小車控制程序，二是遙控器程序。分另都有自己的主程序和若干的子程序構成。下圖8所示為小車主程序流程圖[7]。

4 結語

本探測儀的實物如圖9所示。遙控器使用方便，通過LCD屏可以實時觀察檢測環境，并能得到有害氣體的檢測結果，如有超標會實時報警。遙控端電源供電時間長，約為1個小時。小車系統的車輪采用紐帶式，并設計一定的角度，這樣可以實現越障;車載攝像頭通過遙控器可以實現水平360度旋轉，垂直方向可實現180度旋轉，這樣可以實現全景觀察。在洞穴中遙控器與小車的無線通信距離約為100米左右，能夠滿足一般檢測的需要。小車端電源供電約為1個小時。本檢測系統在實際場景下調試結果為：性能良好、可靠性高、電源持續工作時間長、具有一定的實用價值。

圖9 探測儀實物圖

【參考文獻】

[1]黃建能，楊光杰.無線遙控小車[J].現代電子技術.2012，23：126-128，131.

[2]劉汪，董曉慶.基于單片機的無線遙控小車[J].科技信息.2013，4：155.

[3]陳雙燕.遠程溫度檢測系統的設計[J].武夷學院學報.2014，2：66-69.

[4]吉李滿.基于無線傳感器網絡技術的智能燈光控制系統.科技風.2012，12.

[5]馮洋.智能環境數據采集小車[J].電子設計工程.2015，21：12-14.

[6]李強.管道機器人視像檢測系統的研究與實現[D].黑龍江：東北石油大學，2007.

[7]余福兵.電阻爐智能溫度控制器的設計[D].內蒙古：內蒙古科技大學，2012.