遙控式有害氣體遠程監測系統的設計與實現

潘 鑫 鄧治崗

（1.西安科技大學電氣與控制工程學院；2.西安航天動力試驗技術研究所）

氣體濃度檢測系統在現代工業各個領域被廣泛應用，具有非常重要的意義，而開發設計遙控式氣體濃度檢測設備，對當代工業生產的發展有著開創性的意義。

為了提高企業工作人員工作環境的安全可靠性，保障工作人員的生命安全，提高企業生產效率，針對工作人員無法進入的工業現場的有害氣體濃度檢測方式進行研究，根據國內外的研究發展現狀和工業現場的實際情況，設計基于單片機的遙控小車和有害氣體濃度遠程監測系統。

1 設計目標

由于工業現場的有害氣體不宜接近，因此設計的遙控式有害氣體遠程監測系統應具有以下功能：

a. 顯示。 選用LCD1602 顯示設置的安全值和小車有害氣體濃度檢測模塊檢測到的檢測值。

b. 鍵盤。用4×4 鍵盤控制小車的前進、后退、左轉、右轉運動，并設置有害氣體濃度安全值。

c. 無線傳輸。小車氣體檢測部分采用藍牙模塊將有害氣體濃度檢測數據發送至遙控模塊，然后接收來自遙控端的控制信號；遙控模塊將鍵盤的控制信號傳送至小車部分并接收來自有害氣體檢測模塊的數據。

d. 小車移動。 通過單片機控制電機的正反轉，實現小車的前進、后退、左轉、右轉運動。e. 聲光報警。當傳送到遙控端的有害氣體檢測值大于設置的安全值時，進行聲光報警。

2 系統硬件設計

系統的主控器件為STC89C52， 利用鍵盤操縱小車進入被測區域，小車上搭載的傳感器模塊正常工作， 采用藍牙模塊將數據傳送至遙控模塊，由單片機進行判別［1］。系統結構總體分為有害氣體檢測小車模塊和系統遙控模塊，如圖1、2 所示。

圖1 有害氣體檢測端結構框圖

圖2 遙控端結構框圖

2.1 控制器選型

本設計的兩個部分采用STC89C52 作為控制器，用來接收和處理鍵盤模塊、A/D 轉換模塊以及無線收發模塊等發送的信號，并做出控制決策。

2.2 遙控模塊

遙控端主要由單片機模塊、顯示模塊、聲光報警模塊和鍵盤模塊4 部分組成。 其主要作用是控制檢測小車的行動方向，顯示小車采集到的有害氣體濃度， 若檢測值超出設定的濃度限定值，則發出聲光報警。

聲光報警模塊的作用是小車采集回來的有害氣體濃度信息傳遞給單片機，單片機進行數據分析，當小車模塊檢測到有害氣體濃度大于設定的安全值時，發出聲光報警，提醒工作人員及時采取措施。

鍵盤模塊由4×4 鍵盤組成， 共選用6 個按鍵， 其中一排4 個用來遙控小車的運動方向，另外2 個用來設置安全值。

2.3 小車模塊

小車模塊主要由驅動模塊、無線收發模塊和有害氣體濃度檢測模塊3 部分構成。 驅動模塊通過控制直流電機的正反轉驅動小車運動，小車端與遙控端之間通過無線收發模塊實現數據傳輸，有害氣體濃度檢測模塊將在現場檢測到的有害氣體濃度轉換成數字信號通過無線收發模塊傳送到手持遙控端。

2.3.1 驅動模塊

該系統的驅動模塊（圖3）選擇L298N 芯片。輸入端直接與單片機連接，易于控制單片機。 同時提供電源開關按鍵，不需要外接開關來控制電源關閉和二極管防鏈保護電路，可以有效防止電源反轉。 輸出電壓可由電源直接調節。

圖3 驅動模塊引腳圖

2.3.2 無線收發模塊

遙控式有害氣體遠程監測系統設計的初衷就是當有害氣體濃度較高時，工作人員進入這種環境工作危險系數太高。 藍牙傳輸模塊（圖4）就可以很好地避免這種情況發生。 在危險環境下，檢測小車檢測到的數據通過無線收發模塊傳遞到遙控部分， 不但提高了工作人員的安全系數，也在很大程度上節省了人力成本。

圖4 藍牙模塊引腳圖

2.3.3 有害氣體濃度檢測模塊

有害氣體濃度檢測模塊由A/D 轉換模塊和氣體傳感器兩部分組成。 由于氣體傳感器測得的數據為模擬信號，所以必須在氣體傳感器與單片機之間設置A/D 轉換模塊（ADC0809），由氣體傳感器檢測出有害氣體濃度之后把電壓信號傳送給ADC0809 轉換為數字信號傳送至單片機。

將MQ-7 煙霧傳感器裝配在小車的前端。 將檢測點測得的電壓信號通過A/D 模塊轉換成數字信號，通過無線藍牙模塊傳輸到遙控端，顯示在顯示屏。

3 系統軟件設計

3.1 總體結構

系統首先通過氣體傳感器對檢測點的有害氣體濃度進行實時檢測，當濃度超出設定閾值時進行聲光報警。 另外，該檢測系統還通過無線藍牙模塊實現對數據的遠程傳輸與控制，將檢測到的數據傳送到遙控端并顯示。

操作鍵盤模塊中的按鍵向小車模塊發送運動控制指令，另一端接收控制指令并執行相應的控制程序，利用L298N 驅動模塊實現小車的運動功能，小車同時進行有害氣體濃度的檢測，并通過無線藍牙模塊將數據發送到遙控端并在LCD1602 上顯示，若檢測值超出設定閾值，則發出濃度超標聲光報警信號。

3.2 遙控主程序

遙控主程序主要由鍵盤子程序、 顯示子程序、 藍牙子程序和聲光報警子程序組成， 如圖5所示。

圖5 遙控部分主程序流程

3.2.1 鍵盤子程序

鍵盤采用4×4 鍵盤組，其中選用了一排4 個按鈕控制小車的前進、后退、左轉、右轉動作，另外2 個按鈕用于設定有害氣體濃度的安全值。 鍵盤子程序流程如圖6 所示。

3.2.2 顯示子程序

圖6 鍵盤子程序流程

系統顯示屏顯示兩行字符， 一行顯示“CO detect Car”，另一行顯示“S”安全值和“C”檢測值。一氧化碳氣體濃度安全值可以通過鍵盤按鈕調整設定，顯示值為藍牙模塊接收的來自小車模塊的檢測數據。 顯示子程序流程如圖7 所示。

圖7 顯示子程序流程

3.3 小車氣體濃度檢測部分

小車氣體濃度檢測部分主要由驅動和氣體濃度檢測組成。驅動部分選用L298N 芯片控制直流電機， 氣體濃度檢測模塊由MQ-7 進行氣體濃度檢測之后通過ADC0809 將模擬信號轉換成數字信號傳輸至單片機。 氣體濃度檢測部分的程序流程如圖8 所示。

3.3.1 驅動子程序驅動子程序流程如圖9 所示。

圖8 氣體濃度檢測流程

圖9 驅動模塊子程序流程

3.3.2 藍牙子程序

系統選用HC-05 藍牙模塊。 藍牙配對成功后，燈閃爍的時間變長，在此條件下，主機可向從機發送命令信號。 主機發送控制命令時，通過單片機的串口通信， 接收到發送來的ASCII 碼，根據指令判斷出相應的動作，控制單片機對應引腳的電平高低，從而控制小車的運動。

3.3.3 氣體濃度檢測子程序

氣體濃度檢測模塊主要由A/D 轉換器和CO濃度檢測傳感器兩部分組成。 由MQ-7 傳感器檢測CO 氣體的濃度，再通過ADC0809 將模擬信號轉換為數字信號傳送至單片機。 A/D 模塊子程序流程如圖10 所示。

圖10 A/D 模塊子程序流程

4 實物搭建

根據系統的功能要求搭建實物，在小車端首先焊接出單片機的最小系統，對小車端分模塊進行焊接，焊接完成之后將已設計好的軟件燒錄至單片機中。 小車端實物如圖11 所示。

圖11 小車端實物

在手持遙控端焊接出單片機最小系統、按鍵模塊及顯示模塊等， 手持遙控端實物如圖12 所示。

圖12 手持遙控端實物

5 結束語

將小車放入化工工業現場，操作員通過操作遙控上的按鍵控制小車到達待檢測地點，小車上的傳感器可對一氧化碳氣體濃度進行檢測，檢測數據將通過藍牙模塊傳輸到遙控手持端并顯示在LCD 屏中。 如果檢測值大于預先設定的安全值，則遙控端進行聲光報警，提醒工作人員一氧化碳濃度不達標。 大幅提高了工業安全性，提高了工作效率。 不同的工業現場對一氧化碳氣體濃度標準會有不同的要求，可通過手持端設置新的安全值，再次進行氣體濃度檢測。