一种燃气灶安全操作虚拟演示系统的设计*

郭浩辉，许志猛

(福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350100)

一种燃气灶安全操作虚拟演示系统的设计*

郭浩辉，许志猛

(福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350100)

提出了一种基于单片机和PC的燃气灶安全操作演示系统的实现方案。用单片机仿真燃气灶的点火和开关控制，配合PC可实现模拟真实场景的燃气灶安全使用操作训练。实际测试表明，该方案操作简易方便且仿真效果好，硬件成本极低，可在公众消防安全教育中推广使用。

单片机；厨房燃气灶系统仿真；用气安全教育

0 引言

在社会飞速发展的同时，人们的生活水平和质量也随之在不断地提高，消防安全教育成为一个不容忽视的问题。要切实提高全民的消防安全意识，青少年的消防安全教育就显得尤为重要[1]。近几年，天然气产业发展势头迅猛，燃气灶装置在全国大、中、小城市居民家中随处可见[2]。然而相关的消防安全知识宣传力度远远不够，因为燃气灶使用方法不当引起的火灾甚至爆炸事故时有发生[3]，为此有必要加强对公众特别是青少年使用燃气灶的安全教育。国内一些安全教育场馆陆续引入了燃气灶使用安全教育演示系统[4]。

使用真实的燃气灶系统对公众进行操作安全演示教育具有一定的危险性，为此本文提出一种基于单片机开发的燃气灶仿真设备的实现方案。该方案通过对硬件的仿真处理协同上位机交互动画共同引导青少年正确完成对燃气灶的操作，并对青少年进行相关的消防安全知识教育。在当前背景下，该系统可以作为燃气灶使用方面的消防安全教育设备。

1 整体框架

燃气灶仿真系统由单片机部分和上位机部分组成。燃气灶仿真系统框架如图1所示。按键1进入消防安全知识教育讲解界面，按键2进入燃气灶模拟操作界面，其中上位机部分通过PC端演示消防安全知识和指示正确使用燃气灶的步骤；单片机部分通过按键检测以及内部的模数转换器(Analog to Digital Converter，ADC)通道对打火开关和气阀开关的操作信息进行采集、分析，最后结合上位机的步骤指示控制由蓝色LED灯模拟的炉火燃烧情况。

图1 燃气灶仿真系统框架

2 系统设计

2.1 系统硬件设计

本文采用STC15F2K60S2单片机做控制器，它是一款高速、高可靠、低功耗和超强抗干扰的单片机，自带8路高速10位A/D转换、两组高速异步串行通信口，并集成了3路可编程计数器阵列模块(Programmable Counter Array, PCA)，可用于脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)输出[5]。

2.1.1 打火及气阀开关的模拟实现

STC1系列单片机的ADC组成包括：多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC和转换结果寄存器。

逐次比较型的ADC通过与DAC逐次比较逻辑，从最高位依次对输入电压与内置DAC输出进行比较，经过多次比较使得转换后的数字量逐渐逼近输入模拟量的对应值。如图2所示，将输入端模拟量和DAC的输出的模拟量发送到比较器中进行比较，比较结果存储到逐次比较寄存器，最后通过逐次比较寄存器输出结果。这种逐次比较的ADC具有速度快、功耗低等优点[6]。

图4 串行口模式1通信收发时序图

图2 AD采样模块系统框图

通过单片机的ADC功能将点火开关旋钮平均地划分成10个挡位，每一个挡位都代表着炉火不同程度的火力情况，其中第一个挡位表示关火，随着挡位增大，虚拟炉火的LED明亮程度增高，表示燃气灶的火力增大。

2.1.2 炉火仿真的实现

为了对应上述点火开关的10个挡位，通过单片机控制PWM输出，进而控制LED对应不同挡位的明亮程度。

先将PCA模块工作在8位PWM模式下，因为所有的模块共用PCA定时器，所以输出频率是相同的。通过捕获寄存器{EPCnL, CCAPnL[7:0]}改变输出占空比，且占空比的变化是独立的。脉冲宽度调节如图3所示，当寄存器{0, CL[7:0]}的值小于{EPCnL, CCAPnL[7:0]}时，输出为低；当{0, CL[7:0]}的值等于或者大于{EPCnL, CCAPnL[7:0]}时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH, CCAPnH[7:0]}的内容装载到{EPCnL, CCAPnL[7:0]}中。这样就可实现PWM输出的无干扰更新。

图3 PWM结构图

2.1.3 上位机通信的实现

单片机与上位机的交互通过串行口通信完成，STC15F4K60S单片机具有4个采用通用异步收发传输器(Universal Asychronous Receiver/Transmitter, UART)工作方式的全双工异步串行通信接口。每个串行口都有4种工作模式，本设计采用工作模式1，即8位UART，波特率设置为9 600 b/s。

串行口收发时序如图4所示，发送时数据由串行发送端TxD输出，当主机执行写“SBUF”的指令时就启动串行口通信的发送，把“1”转入发送移位寄存器的第9位中，并使TX控制单元开始发送，移位寄存器会将数据不断右移到TxD端口发送，在数据左边不断补“0”，当TX控制单元作最后一次移位输出时允许发送信号“SEND”失效，完成信息发送。在接收信息时接收器以选定波特率的16分频速率采样串行接收端RxD，当检测到RxD端口有从“1”负跳变到“0”时就启动接收器准备接收数据，并将1FFH装入移位寄存器中，然后接收的数据从接收移位寄存器的右边移入，已装入的1FFH向左移动，当起始位“0”移动到了移位寄存器的最左边时，RX控制器作最后一次移位，完成信息的接收。

但是，只有当RI=0和接收到停止位为1这两个条件同时满足时接收到的数据才是有效的，否则接收到的数据作废并丢失。

2.2 系统软件设计

2.2.1 单片机软件的实现

软件设计主要包括主程序、中断服务程序、定时程序、AD采样程序和PWM火力调节程序[7]。如图5所示，主要控制流程为打开电源、检测按键是否按下、判断是进行安全知识学习模式还是模拟操作模式。若进行模拟操作模式，则开始检测气阀是否开启，气阀关闭由LED模拟的炉火处于熄灭状态，当气阀打开后立即进行AD采样并检测是否达到开关阈值，未达到开关阈值炉火仍处于熄灭状态，如达到阈值则对AD信号进行处理，通过PWM控制调节LED明亮程度来表示炉火的大小；最后检测是否收到终止命令，若未收到终止命令则继续对气阀开关状态和AD采样信号的状态进行检测，如收到终止命令则退出，回到初始界面。

2.2.2 上位机软件的实现

上位机动画使用Unity3D进行构建，Unity3D可支持所有平台，且内置光照贴图、遮挡剔除和调试器等强大功能。这里将燃气灶操作的不同阶段制作成动画并打包成组件，通过PC端的COM1口接收单片机传送过来的串行口命令来调用对应的组件，播放不同的动画界面，例如，当接收到0x02命令时，上位机就进入模拟操作的动画界面，与单片机实现互动功能。

3 测试结果

系统上电开启电脑，系统自动进入上位机软件的画面，等待用户操作。

图5 程序流程图

经过反复调试，燃气灶系统的仿真逻辑以及功能实现已达到预定的要求，结果表达明确，操作反应快，无明显延迟现象。测试结果如下：

(1)按下用气安全知识按键，进入相关知识讲解界面进行观看，此时对气阀开关和点火开关操作不会有任何响应；

(2)按下模拟操作按键，进入模拟操作界面，根据界面上的文字提示能够正确完成整个燃气灶的使用过程;

(3)如在模拟操作状态下未按照文字提示进行正确操作，会立刻提示操作错误并重新尝试。

4 结论

本文提出了一种基于单片机的燃气灶系统仿真操作设计方案，经测试表明，该方案具有工作稳定、操作简单、功耗低、节约成本的优点，能够满足学校、社区乃至政府部门对燃气灶安全使用操作的消防安全教育的基本要求，适应于科技发展的潮流，未来可以应用在更多类似的系统仿真中。

[1] 陈家强.在应急救援力量体系建设中充分发挥公安消防部队的突击队作用[J].消防科学与技术, 2005,24(5): 614-618.

[2] 罗东晓.节能环保是我国燃气具产业的发展方向[J].煤气与热力,2012,32(10):66-70.

[3] 刘旭.浅谈燃气灶火灾危险性及防范措施[C].安徽省科协年会——海湾杯“社会消防安全管理创新”专题年会论文集，安徽省科学技术协会、安徽省消防协会,2011：222-231.

[4] 华征豪.科技馆安全科普宣传教育的现状、问题与对策[J]. 科技风,2015(4):214.

[5] 江世明,许建明,朱群峰,等.单片机原理及应用[M].上海：上海交通大学出版社,2013.

[6] 韩克,薛迎霄.单片机应用技术[M].北京：电子工业出版社,2013.

[7] 王东峰,王会良，董冠强，等.单片机C语言应用100例[M].北京：电子工业出版社,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

福州大学科技发展基金(2013-XQ-43)

TP368.2

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.008

郭浩辉，许志猛.一种燃气灶安全操作虚拟演示系统的设计[J].微型机与应用，2017,36(8)：23-25.

2016-10-26)

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

许志猛(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：超宽带无线通信技术。

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