孫浩東 王超 李深?yuàn)W 陸帥
摘要:以Arduino控制板為核心設(shè)計(jì)了用于探測(cè)和顯示煙霧濃度的實(shí)驗(yàn)裝置,裝置包括Arduino控制板、擴(kuò)展板、MQ-2煙霧檢測(cè)傳感器、OLED顯示屏、溫濕度傳感器、繼電器、蜂鳴器和風(fēng)扇。實(shí)驗(yàn)裝置上電后,等待30 s預(yù)熱,預(yù)熱完成后開始進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè),OLED按階段同步顯示,煙霧濃度達(dá)到設(shè)置值后,蜂鳴器間隔1 s響應(yīng),風(fēng)扇啟動(dòng)進(jìn)行排風(fēng)。該設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于煙霧探測(cè)報(bào)警器外殼結(jié)構(gòu)對(duì)于煙霧流動(dòng)性影響的研究。
關(guān)鍵詞:Arduino;煙霧探測(cè);實(shí)驗(yàn)裝置;OLED顯示屏
0 引言
煙霧探測(cè)器主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度,在火情早期能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)可燃物陰燃階段產(chǎn)生的煙霧氣體[1],并向管理人員發(fā)出警報(bào),避免火情進(jìn)一步擴(kuò)大形成火災(zāi)。在我國(guó),煙霧探測(cè)器屬于消防類強(qiáng)制認(rèn)證產(chǎn)品,需要經(jīng)過(guò)專業(yè)的檢驗(yàn)合格后才能上市銷售。目前,市場(chǎng)上的煙霧探測(cè)器種類繁多,外觀造型多樣,性能也有所區(qū)別,傳統(tǒng)的煙霧探測(cè)器設(shè)計(jì)過(guò)程主要集中在硬件電路和軟件優(yōu)化上,并沒有很好地針對(duì)探測(cè)器外殼結(jié)構(gòu)對(duì)于煙霧流動(dòng)性的影響進(jìn)行分析,造成產(chǎn)品需要進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,耗時(shí)耗力。利用專業(yè)的檢驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行煙霧流動(dòng)性分析是現(xiàn)有的主要手段,這類設(shè)備大多尺寸較大,功能復(fù)雜,成本較高。本設(shè)計(jì)利用Arduino控制板及各類傳感器模塊實(shí)現(xiàn)了煙霧探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的搭建,只需較低的成本即可滿足測(cè)試實(shí)驗(yàn)的需求,后期只需要將煙霧探測(cè)模塊安裝在需要進(jìn)行測(cè)試的煙霧探測(cè)器外殼內(nèi),就可進(jìn)行煙霧流動(dòng)性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。
1 實(shí)驗(yàn)裝置核心元器件選型及原理
1.1 ? ?Arduino控制板及擴(kuò)展板
Arduino是一款開源的硬件開發(fā)控制板,2005年在意大利面世[2],具有多種型號(hào),本設(shè)計(jì)中使用的是Arduino UNO R3控制板,其特點(diǎn)是成本較低,集成度較高,可直接連接電腦進(jìn)行程序的編寫和燒錄,在硬件接入時(shí)可以直接使用控制板上的數(shù)字引腳、模擬引腳以及IC接口等,方便開發(fā)人員使用,設(shè)計(jì)人員也可快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性,性價(jià)比極高。同時(shí),本設(shè)計(jì)采用了配套的擴(kuò)展板,用于直接連接各類元器件,避免了常規(guī)的面包板使用,節(jié)省了設(shè)計(jì)空間,使得布線更加清晰明了。
1.2 ? ?煙霧檢測(cè)傳感器
市場(chǎng)上多數(shù)煙霧探測(cè)器采用“迷宮”結(jié)構(gòu)[3],如圖1所示,利用光學(xué)散射原理進(jìn)行煙霧濃度的計(jì)算標(biāo)定,各廠家的產(chǎn)品都有其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不便于統(tǒng)一比較,因此本文設(shè)計(jì)的煙霧探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置采用較為常見的經(jīng)濟(jì)型MQ-2氣體傳感器,其原理是將煙霧的濃度值轉(zhuǎn)換為電信號(hào),傳感器內(nèi)部采用二氧化錫作為氣敏材料,在煙霧濃度增加時(shí)導(dǎo)電率會(huì)隨之增加[4]。
1.3 ? ?OLED顯示屏
實(shí)驗(yàn)裝置要達(dá)到的測(cè)試效果之一是實(shí)時(shí)顯示煙霧濃度以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫濕度,傳統(tǒng)的LCD屏幕顯示效果一般,耗費(fèi)的硬件引腳也較多,為優(yōu)化設(shè)計(jì),減少占用的控制板接口數(shù)量,提升數(shù)據(jù)顯示效果,本設(shè)計(jì)選用了基于I2C通信模式的OLED顯示屏,除去電源及接地引腳外,只使用SCL、SDA引腳,同時(shí)可以進(jìn)行良好的中文、符號(hào)等數(shù)據(jù)顯示。
1.4 ? ?溫濕度傳感器
煙霧探測(cè)傳感器在實(shí)時(shí)檢測(cè)的過(guò)程中,需要考慮環(huán)境溫濕度帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤差,在同類型的實(shí)驗(yàn)中,實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)在允許的誤差范圍內(nèi)保持一致。本設(shè)計(jì)采用DTH11溫濕度傳感器模塊,傳感器數(shù)據(jù)單路輸出,從程序中提取溫濕度計(jì)算數(shù)值,在滿足功能需求的前提下,減少控制板引腳的占用。
2 實(shí)驗(yàn)裝置硬件設(shè)計(jì)
Arduino控制板和擴(kuò)展板通過(guò)相應(yīng)的插口配合重疊安裝,電源接入Arduino控制板中,除風(fēng)扇外其余各元器件的供電引腳和接地引腳與擴(kuò)展板分出的多路供電、接地引腳連接,提供5 V電壓。煙霧探測(cè)傳感器模塊A0端口和擴(kuò)展板A0端口相連,用于電壓模擬量的輸入;OLED屏幕SCL、SDA端口與擴(kuò)展板SCL、SDA端口相連,用于圖像信號(hào)的傳輸顯示;蜂鳴器I/O端口和數(shù)字引腳13端口相連,給定13端口輸出為低電平時(shí)蜂鳴器鳴叫;溫濕度傳感器DAT端口和數(shù)字引腳3端口相連,用于溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸;繼電器IN端口和數(shù)字引腳2端口相連,給定2端口輸出為低電平時(shí)繼電器工作;風(fēng)扇負(fù)極端和擴(kuò)展板接地引腳相連,正極端和繼電器COM端口連接,繼電器NO端口和擴(kuò)展板供電引腳相連,繼電器未工作時(shí)NO端口和COM端口之間為常開狀態(tài),風(fēng)扇不工作,繼電器工作時(shí)NO端口和COM端口之間轉(zhuǎn)為常閉狀態(tài),風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)送風(fēng)。實(shí)驗(yàn)裝置硬件接線示意圖如圖2所示。
3 實(shí)驗(yàn)裝置程序設(shè)計(jì)
MQ-2型煙霧傳感器在使用時(shí)需要進(jìn)行30 s左右的預(yù)熱,以保證檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性,因此在實(shí)驗(yàn)裝置上電后,需要等待30 s,此時(shí)OLED屏幕顯示為加載狀態(tài),30 s后OLED顯示預(yù)熱完成,隨之跳轉(zhuǎn)至正常的數(shù)據(jù)顯示頁(yè)面開始實(shí)時(shí)獲取檢測(cè)數(shù)據(jù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示3行,分別為煙霧濃度、溫度和濕度。實(shí)驗(yàn)裝置上電穩(wěn)定后煙霧濃度在常態(tài)下檢測(cè)值穩(wěn)定在20以內(nèi),因此將煙霧濃度報(bào)警值設(shè)置為40,檢測(cè)值超過(guò)40后,蜂鳴器每間隔1 s響應(yīng)一次,繼電器工作帶動(dòng)風(fēng)扇啟動(dòng)進(jìn)行排風(fēng),檢測(cè)值低于40后,蜂鳴器停止響應(yīng),風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。
OLED顯示屏的應(yīng)用主要使用U8glib庫(kù)進(jìn)行顯示程序的編寫,中文字符的顯示采用PCtolcd2002軟件進(jìn)行代碼的提取,提取方式為點(diǎn)陣格式:陰碼;取模走向:逆向;取模方式:逐行式;代碼格式:C51格式。預(yù)熱階段的“Loading…”和“Finish.”顯示只在設(shè)備上電后運(yùn)行一次,因此需將此段程序放置在void setup中,在編寫代碼時(shí)需將顯示程序放在30 s的循環(huán)內(nèi)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定顯示。OLED實(shí)時(shí)顯示及檢測(cè)程序放置在void loop中循環(huán)執(zhí)行。
4 結(jié)語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)裝置搭建完畢后進(jìn)行煙霧探測(cè)實(shí)驗(yàn),Arduino控制板上電后的OLED顯示效果如圖4所示。
經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,本文設(shè)計(jì)的煙霧探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置可以應(yīng)用于煙霧探測(cè)器的專項(xiàng)研究中,測(cè)試效果良好。設(shè)計(jì)使用的各類傳感器占用的Arduino控制器引腳較少,可以在后期充分進(jìn)行各類功能的擴(kuò)展使用,增加實(shí)驗(yàn)裝置的功能。本文完成了功能硬件的選型、連接及程序設(shè)計(jì),提供了清晰的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程,可為其他類似裝置的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
[參考文獻(xiàn)]
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收稿日期:2021-03-22
作者簡(jiǎn)介:孫浩東(2000—),男,安徽宣城人,研究方向:機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
通信作者:王超(1990—),男,安徽蚌埠人,碩士,助教,研究方向:機(jī)電產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)。