智能化工机柜间报警系统设计及工业应用研究★

李霄洋， 张登博， 杨 柳， 崔恩皓， 梁儒全

（临沂大学， 山东 临沂 276000）

0 引言

近年来，随着科技的不断发展，在化工企业的机柜间操作仪器的安全工作方面得到了一定的技术支持[1]，把企业系统与智能化的设备相连接[2]，极大地提高了化工企业在设备运行过程中的安全性。本文所描述的智能化工企业报警系统设计，以能耗极低的STC89C52 芯片为主控，有机地结合了外围设备，比如温度传感器等，达到实时监测化工企业机柜间所运行设备的环境温度，同时配备有进入机柜间安全性能较高的电子密码锁。为企业设备的正常运行提供了安全、方便、智能的环境。

1 系统方案研究

1.1 设计目标

1）通过LCD1602 显示所需的内容。

2）使用AT24C02 芯片的作用是当关机后可存储设定的密码等功能。

3）通过矩阵键盘输入所设定的六位密码，或通过红外遥控器输入所设计的六位密码。

4）输入正确时继电器闭合达到模拟进入成功，输入错误时蜂鸣器报警模拟进入失败。

5）开锁后实时监测温度，温度过高时蜂鸣器报警，温度低于预设温度时模拟进行加热。

1.2 实施方案

1）本次设计的核心是STC89C52 芯片，采用六位数字密码锁，当设备管理员输入正确密码时，达到模拟进入机柜间的效果[3]。随后，温度传感器开始工作。并且可以在进入机柜间后修改在程序中所设定的密码，通过程序将新的密码存储在AT24C02 芯片中。在设备管理员进行输入密码的操作时，如果输入五次密码都错误，蜂鸣器将进行报警操作，且键盘锁定，无法进行下一步的工作。只有按下复位按钮或重启电源，单片机才会重新工作，再次输入正确的密码达到模拟进入机柜间的效果。密码锁操作的显示部分和提示信息等，将采用LCD1602 模块进行对应的显示和提示。

2）在输入密码时可采用第二种方法，使用红外遥控器进行密码的输入，本次设计用的是HX1838 芯片进行密码的接收功能。从遥控器中输入正确的密码，下一步继电器会闭合模拟进入机柜间成功[4]。同时，采用DS18B20 芯片进行温度的采集，当模拟进入机柜间成功后，温度传感器模块会进行下一步的工作，主要的功能是可以实时监测机柜间的环境温度，当温度超过程序中所设计的温度，蜂鸣器会鸣叫报警处理，以提示作业人员进行降温处理；温度低于程序中所设计的温度，继电器闭合模拟加热升温功能，使得设备始终工作在正常环境温度下。

2 硬件选择

2.1 主控芯片

STC89C52 是一种带8K 字节闪烁可编程可擦除的只读存储器，支持在线编程功能，使得单片机能够通过串口下载用户的程序。这些可靠的功能使得为很多系统的设计提供了更加灵活快捷方便的方案，该芯片能耗极低，可以为化工企业节约一定的生产成本，符合绿色发展的思想。

2.2 AT24C02

AT24C02 是一个2K 串行的CMOS E2RROM，内部含有256 个8 位字节。AT24C02 数据存储模块的A0、A1、A2 引脚是连接三条地址线的。通过接收51单片机的地址数据选择与之相对应的AT24C02。特别注意的是，SDA 和SCL 都需要在正极电源之间接上拉电阻，其作用是达到保护电路的效果。

2.3 HX1838

本设计选用HX1838 红外遥控模块实现对于信号的接收与处理。发射端是红外遥控，接收端是HX1838。它的优点是会自动将接收到的红外信号转化为TTL 电平中的低电平[5]，发送给单片机进行处理。对于设备管理员采用红外遥控进行开锁，使得管理员便于操作。同时，系统通过编程将收到的信号转化到LCD1602 屏幕上展示给设备管理员。

3 硬件设计

3.1 硬件电路

本设计的系统是用STC89C52 单片机为主控芯片的。另外，还用了温度检测电路、按键电路、红外接收电路、密码存储电路等。一系列的硬件电路的功能是实现对密码锁开锁的控制。如图1 所示为硬件电路在Proteus 上的设计仿真的部分。

图1 智能家居控制系统

3.2 矩阵键盘设计

如果所设计的系统需要多个控制按键，单片机的I/O 接口会出现不够用的情况，我们所做的就是要减少I/O 口的占用，需要通过设计矩阵键盘进行相对应的控制。所设定的矩阵键盘排列顺序是4*4，16 个按键仅仅需要占用8 个I/O 口，矩阵键盘中的每个按键所在位置是水平线和垂直线的交点，就导致了8 个I/O 口接线就形成了一个矩阵的形式，一共有16 个交点。如果说在这个矩阵按键的基础上再加一行，就可以产生20 个交点，从而可以使用一个20 个按键的键盘，方便很多。但是如果不用矩阵按键的方法，I/O 口会不够用，占用过多的接口，导致资源浪费。所以本次设计用矩阵法制作键盘是有效并且可以节约I/O 口的使用，以便实现更多的功能的。矩阵键盘原理结构图如图2 所示。

图2 矩阵键盘结构

本次设计矩阵键盘各个功能如表1 所示。

表1 矩阵键盘功能

3.3 蜂鸣器报警电路

在设计思路中，需要针对解锁失败进行一种体现，最直观的就是报警。所以选择蜂鸣器报警电路，当解锁失败后，蜂鸣器就会鸣叫进行提醒。然而，5 V 单片机的输出电压过低，无法使得单片机驱动蜂鸣器进行工作，所以需要通过三极管放大后，蜂鸣器才会正常工作。

3.4 继电器驱动模块

本次设计的解锁现象的展示都在继电器驱动模块。

继电器是一种电控制的元器件，当输入量到达一定的要求时，在电气输出电路中使得被控量发生预定的阶跃变化的一种电器元件。在本次设计中所采用电磁式继电器。依靠高低电平触发的一路5 V 继电器，其有两个较为常用的优点，一个是驱动能力强，另一个是性能稳定。根据矩阵键盘输入密码或者红外遥控输入密码的方式下，输入成功后，会通过本模块的继电器闭合以及LED 灯泡显示出来。

3.5 温度传感器模块

当进入机柜间后，温度采集模块开始工作，会实时监测当前工作温度，并针对超温进行报警，低温使继电器闭合模拟驱动加热。本次设计采用的芯片是较为常用的DS18B20，因为其有体积小、抗干扰能力强、精度高等特点，适合用在机柜间等对于温度要求较高的场所。

4 软件设计

在设计中采用软件部分进行仿真试验和程序编写，硬件部分进行实物的设计和实现。其中，软件设计的部分通过proteus 进行仿真的设计、Keil 进行程序的编写，两个软件互相配合共同完成。这也是在进行实物制作之前对于本设计可行性的验证工作。

Keil 软件工作就是对所需任务进行程序编写以及编译，编译通过后，下载烧录到Proteus 所设计的硬件电路中，观察现象，用以验证所编写程序的正确性以及硬件电路的准确性。对程序的编写，用Keil 软件新建工程，在的工程中添加*.c 文件，在所建立的文件中进行程序的编写。当编写完成后，进一步验证当前程序是否有语法等错误，无误后进行编译，生成*.hex 文件。将输出的文件与Proteus 中的硬件电路图进行绑定，用于下一步的仿真试验。

本次设计的软件部分可以分为三个子程序，第一部分是关于修改原密码的子程序，只有在正确地输入原密码后，才能够实现对于修改密码程序的使用，对原密码进行修改的操作。屏幕提示输入新的密码，通过键盘或者遥控器输入新的密码后，按下键盘上对应的确认按键，屏幕上会有Again 的提示，再次输入想要设定的新密码，当输入两次新的密码后，存入AT24C02 芯片中，当再次进行入厂工作时输入新的密码即可。特别的，如果在设定新密码时，如果两次输入的密码不一致，那么蜂鸣器鸣叫提醒，重新进行新的密码的输入操作，且原来的密码不变。第二部分是开锁子程序，当输入用户设定的密码后，所设计的开锁程序进行工作，将用户所输入的密码和存储的密码进行校对，当校对成功时，在屏幕上会显示成功解锁，不一致时会有蜂鸣器报警。第三部分是对于温度检测的子程序，当成功开锁后，就会自动调用该子程序，对于当前的环境温度进行感应，可以实现在开锁后对上下限温度的调整，超过上限时，会自动调用报警子程序，当低于下限时，会自动使得继电器闭合。如图3 所示为系统流程图。

图3 程序流程

5 工业应用及效益分析

本设计为基于单片机的智能化工企业报警系统设计，具有检测工作环境温度、报警、智能电子密码锁开锁等功能。通过在某化工企业机柜间进行应用后，因为该设备可以对机柜间的进入进行身份验证，也可以所处的环境温度进行超限报警，使得设备管理人员可以提前发现机柜间异常问题所在，并进行对应的处理，总体应用效果良好。通过上述应用，降低了机柜间因设备长时间运行造成温度过高损坏元器件等问题，减少了因各类故障引起的检修次数以及零配件的损耗，并有效降低了因维修损坏元器件而造成设备维修故障的停机率，保证企业的生产可以稳定运行。通过上述智能化工机柜间报警系统的应用，可以使检修周期比以前延长50%，使以前故障频发配件周期提升20%计算，每年可以节约检修费用10 万元，配件费用30 万元，总计每年综合节约费用40 万元。

本系统可以提升在设备存放机柜间的自动化水平，有利于减轻企业的人工以及成本的消耗，可以显著提升生产效率及生产的稳定性。但从整体上看，当前智能化的应用仍需要人工进行参与，增加了操作失误的风险。所以，在未来的发展中，智能化工企业系统将在智能方向做进一步的加强，真正脱离人工参与，进一步减轻企业人工技术以及成本的消耗压力，在实现真正智能化、自动化安全生产的基础上，提升化工企业的发展质量。