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    智動(dòng)化 / 文章 /

    具智慧安全的災(zāi)害管控裝置
    第十一屆盛群盃HOLTEK MCU創(chuàng)意大賽複賽報(bào)告
    [作者 劉銘中、魏世丞等]   2017年06月26日 星期一 瀏覽人次: [38390]


    臺(tái)灣位在地震活躍區(qū)環(huán)太平洋火山帶中,菲律賓海板塊和歐亞板塊交界上。菲律賓海板塊以每年平均 82mm 朝西北碰撞歐亞板塊,因此地震頻繁,每當(dāng)?shù)卣饋砼R時(shí)常常會(huì)在新聞媒體看見門窗變形造成逃生不易,許多人家中都有電器產(chǎn)品,很多人為了貪圖方便使用延長(zhǎng)線,常??吹揭粋€(gè)延長(zhǎng)線上插滿了許多的電器產(chǎn)品,使延長(zhǎng)線超過負(fù)荷或是電線破損造成電線短路引發(fā)火災(zāi),使得生命與財(cái)產(chǎn)受到威脅。


    目前市面上的逃生系統(tǒng),都只有在災(zāi)害發(fā)生時(shí)會(huì)亮起導(dǎo)引裝置,並無實(shí)際上可降低災(zāi)害的傷亡 率,而本組希望利用盛群微控制器與電子相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí),以及所參考的相關(guān)書籍與文獻(xiàn)設(shè)計(jì)出一套當(dāng)?shù)卣鸹蚧馂?zāi)發(fā)生時(shí),語音會(huì)發(fā)出提醒,且傳送警告訊息至使用者手機(jī),提醒使用者,讓使用者有較 寬裕的時(shí)間逃生,在地震發(fā)生時(shí),為了避免門窗變 形導(dǎo)致逃生的時(shí)間延誤或是因?yàn)闈鉄熢斐芍舷⑴c嗆暈,門窗會(huì)自動(dòng)打開,並將家中電器的電源切斷,以免發(fā)生電線走火,造成更嚴(yán)重的災(zāi)害。若是發(fā)生火災(zāi),會(huì)啟動(dòng)灑水功能,一方面降低溫度,一方面減緩火勢(shì)的蔓延,進(jìn)一步降低因?yàn)?zāi)害所造成的傷亡,並且開啟排煙系統(tǒng)加速排煙。本作品的功能性、創(chuàng)新性與實(shí)用性如下所示:


    功能性

    *可偵測(cè)家中是否有人--發(fā)生火災(zāi)或地震時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)偵測(cè)家中是 否有人,以判斷是否要將門自動(dòng)開啟,若有 人時(shí)會(huì)自動(dòng)開門,反之則否。


    *可自動(dòng)開門/窗功能


    --發(fā)生火災(zāi)或地震時(shí),門窗會(huì)自動(dòng)打開,避免 門窗因地震或火災(zāi),變形或過熱無法開啟。


    --開啟窗戶後,火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的濃煙可以排 出去,不會(huì)因?yàn)闆]有打開窗戶而造成濃煙聚 集在屋裡。


    --窗戶開啟後,有利於消防人員或相關(guān)人員的 救災(zāi)行動(dòng)。


    *可與警衛(wèi)室連線--發(fā)生火災(zāi)或地震時(shí),警衛(wèi)室的 LED 燈會(huì)點(diǎn) 亮,使警衛(wèi)能在第一時(shí)間做出適當(dāng)?shù)奶幚怼?/span>


    *可自動(dòng)斷電--發(fā)生火災(zāi)或地震時(shí),將自動(dòng)斷電以降低電線 走火的機(jī)率。


    *可自動(dòng)灑水--發(fā)生火災(zāi)時(shí),會(huì)自動(dòng)灑水,以降低溫度並減 緩火勢(shì)蔓延。


    *可自動(dòng)排煙--發(fā)生火災(zāi)時(shí),會(huì)自動(dòng)排煙,避免被煙嗆傷與 阻擋視線。


    *可顯示屋內(nèi)人數(shù)--當(dāng)救災(zāi)人員到場(chǎng)時(shí),可以確認(rèn)當(dāng)時(shí)家中是否 有人。


    *可自動(dòng)撥打119--發(fā)生火災(zāi)時(shí),會(huì)自動(dòng)撥打 119 給消防中心,可加速救災(zāi)行動(dòng)。


    *可傳送災(zāi)害地點(diǎn)給消防中心--發(fā)生火災(zāi)時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn) 傳給消防中心,以利其可快速到達(dá)災(zāi)害地點(diǎn),快速滅火與搶救受害者。


    *具語音警報(bào)功能--發(fā)生火災(zāi)或地震時(shí),語音裝置會(huì)發(fā)出語音,以供使用者做出相對(duì)應(yīng)的處理。


    *具手機(jī)提醒功能--發(fā)生火災(zāi)或地震時(shí),系統(tǒng)會(huì)透過藍(lán)牙傳送訊 息至使用者手機(jī),以提醒使用者。


    創(chuàng)新性

    本作品的創(chuàng)新性在於,當(dāng)有地震或火災(zāi)時(shí),系統(tǒng)將會(huì)在發(fā)生的第一時(shí)間透過手機(jī)通知使用者,並連線至警衛(wèi)室,再將門與窗戶自動(dòng)開啟,如此一來,可以避免門窗因地震或火災(zāi)而導(dǎo)致門窗變形或過熱熱無發(fā)開啟。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),本系統(tǒng)將透過灑水系統(tǒng)自動(dòng)灑水,以降低溫度並減緩火勢(shì),進(jìn)一步降低因?yàn)?zāi)害所造成的傷亡,並且開啟排煙系統(tǒng),然後傳送災(zāi)害地點(diǎn)給消防中心。


    實(shí)用性

    因本作品具備了上述的創(chuàng)新性與功能性,所以其實(shí)用性是顯而易見的。由於地震與火災(zāi)是每個(gè)人都會(huì)經(jīng)歷到的,相信只要家中使用本系統(tǒng)的話,一定可讓使用者用的安安心心,遠(yuǎn)離危險(xiǎn),活的長(zhǎng)長(zhǎng)久久。


    控制電路及工作原理

    具智慧安全的災(zāi)害管控裝置的完整電路圖

    圖1所示為本作品具創(chuàng)新性與實(shí)用性的「具智慧安全的災(zāi)害管控裝置」之完整電路圖,製作方法是以盛群HT66FU70A單晶片為主要控制核心,來控制該作品的其他周邊產(chǎn)品,例如煙霧感測(cè)模組、地震感測(cè)模組、藍(lán)牙模組、灑水模組、微動(dòng)開關(guān)、LED、紅外線發(fā)射/接收器、步進(jìn)馬達(dá)與語音模組等。元件互相的溝通方法就藉由盛群微控制器來當(dāng)作溝通橋樑,讓整體系統(tǒng)更加完善,以下是本作品中HT66FU70A微控制器與週邊相關(guān)元件的控制電路與工作原理。



    圖1 : 具智慧安全的災(zāi)害管控裝置的完整電路
    圖1 : 具智慧安全的災(zāi)害管控裝置的完整電路

    煙霧感測(cè)模組

    關(guān)於煙霧感測(cè)模組的控制電路,其中DOUT接至HT66FU70A微控制器的PC.5接腳,若所測(cè)煙霧的濃度值超過設(shè)定的閥值時(shí),則DOUT會(huì)輸出低電位,反之,所測(cè)氣體的濃度值低於設(shè)定的閥值時(shí),則DOUT 輸出高電位。


    當(dāng)DOUT輸出低電位,即PG.3=0時(shí),微控制器會(huì)立即透過語音裝置發(fā)出相對(duì)應(yīng)的語音以及控制電磁閥進(jìn)行灑水的動(dòng)作,以避免煙霧過大造成某種程度上的損失與傷害。


    電磁閥

    圖2為電磁閥之控制電路圖,其中(a)圖中的電磁閥用於控制門的開與關(guān),單晶片透過PG.1接腳控制電磁閥的開與關(guān)。當(dāng)電磁閥通電時(shí),門會(huì)打開,反之若電磁閥處於不導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),則門不會(huì)打開。當(dāng)微控制器接收到發(fā)生地震或是火災(zāi)的訊號(hào)時(shí),它會(huì)過接腳 PG.1送出一低電位的信號(hào),即PG.1=0,令繼電器導(dǎo)通→電磁閥通電→門打開,讓屋內(nèi)的人可以很迅速地脫離災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng),以降低傷害與避免死亡。


    至於(b)圖中的電磁閥則用於控制灑水器的開與關(guān),單晶片透過PD.1接腳控制電磁閥的開與關(guān),當(dāng)電磁閥通電時(shí),灑水器會(huì)開始灑水,反之則否。當(dāng)微控制器接收到來自煙霧感測(cè)模組的訊號(hào)時(shí),它會(huì)透過接腳PD.1送出一個(gè)低電位的信號(hào),即PD.1=0,令繼電器導(dǎo)通→電磁閥通電→灑水器開始灑水,以降低溫度與減緩火勢(shì)的蔓延。



    圖2 : 電磁閥的控制電路
    圖2 : 電磁閥的控制電路

    地震感測(cè)模組

    地震感測(cè)模組的控制電路圖,主要是用於偵測(cè)是否有地震發(fā)生,其中S接腳接至單晶片的PC.4接腳,當(dāng)模組上的感測(cè)器偵測(cè)到搖晃時(shí),若搖晃程度過大時(shí),則S接腳輸出高電位,反之則輸出低電。當(dāng)HT66FU70A所連接的地震感測(cè)器偵測(cè)到過度的搖晃時(shí),會(huì)立即透過語音裝置發(fā)出相對(duì)應(yīng)的語音以及驅(qū)動(dòng)電磁閥將門打開。


    紅外線發(fā)射/接收器

    紅外線感測(cè)模組的控制電路,一共有二組主要是用來偵測(cè)是否有有人進(jìn)出門之用,其中第一組的紅外線的接收端 (裝在門外) 接至HT66FU70A的PG.2 接腳,第二組的紅外線的接收端(裝在門內(nèi)) 則接至微控制器的PG.3接腳。若有人從門外進(jìn)入門內(nèi),則PG.2與PG.3會(huì)依序分別為高電位,反之若有人從門內(nèi)走出門外,則PF.4與PF.3會(huì)依序分別為高電位,以此為依據(jù)就可判斷人是進(jìn)門或出門,進(jìn)而計(jì)算出家裡是否有人或無人了。


    步進(jìn)馬達(dá)

    圖3為步進(jìn)馬達(dá)的控制電路圖,主要是用來控制窗戶的開/關(guān)之用,其中ULN2803A為一具有8個(gè)通道的高電壓,大電流特性的達(dá)靈頓電晶體陣列。因一個(gè)四相步進(jìn)馬達(dá)需四個(gè)達(dá)靈頓電晶體方能驅(qū)動(dòng),所以ULN2803A可同時(shí)驅(qū)動(dòng)二個(gè)步進(jìn)馬達(dá)。於本系統(tǒng)中只要經(jīng)由PC.0~PC.3接腳送出步進(jìn)馬達(dá)之單相正/反轉(zhuǎn)激磁信號(hào),即可令步進(jìn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)窗戶開與關(guān)。



    圖3 : 步進(jìn)馬達(dá)的控制電路
    圖3 : 步進(jìn)馬達(dá)的控制電路

    藍(lán)牙模組

    本系統(tǒng)藍(lán)牙模組(FBT06) 的控制電路,由於二者之間的通訊是採(cǎi)用UART的方式,所以只需將模組上的TxD、RxD 與微控制器的PA.3(RxD) 與PA.1(TxD) 連接就可以進(jìn)行串列資料的傳輸,串列資料的傳輸?shù)膫鬏斔俣葹?600 bps。HT66FU70A可透過藍(lán)牙模組將相關(guān)資料傳給手機(jī)上以及讀取手機(jī)傳過來的資料。


    語音與音頻放大器模組

    圖4為本系統(tǒng)語音與音頻放大器模組的控制電路圖,主要是用來令喇叭發(fā)出相關(guān)的中文語音之用。圖中語音模組(MP380) 的控制方法有很多種,有普通直放模式與UART模式,在此是採(cǎi)用普通直放模式。其中語音模組上的P5與P6分別接至HT66FU70A微控制器的PC.7與PC.6接腳。想要令語音模組撥出已錄製好的相對(duì)應(yīng)的語音檔案,HT66FU70A必須透過PC.7與PC.6分別送出一個(gè)下降緣的觸發(fā)信號(hào)。輸出的語音經(jīng)TDA7266音頻功率放大模組可將聲音放大。注意,直放模式只能操作根目錄內(nèi)的文件,也就是說使用此一模式前,必須確保根目錄內(nèi)有可識(shí)別的 MP3 格式的音樂。



    圖4 : 語音與音頻放大器模組之控制電路
    圖4 : 語音與音頻放大器模組之控制電路

    七段顯示器

    圖5為本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)七段顯示器的控制電路,主要是用來顯示室內(nèi)人數(shù)之用,HT66FU70A微控制器只要經(jīng)由PE.0~PE.3接腳送出0~9的二進(jìn)制碼,就可以令七段顯示器顯示相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。圖中74LS47為一個(gè) BCD 到七段解碼器/驅(qū)動(dòng)器的元件,用來驅(qū)動(dòng)共陽型的七段顯示器之用。



    圖5 : 七段顯示器的控制電路
    圖5 : 七段顯示器的控制電路

    斷電系統(tǒng)

    圖6為斷電系統(tǒng)的控制電路圖,主要是用於切斷電源之用,HT66FU70A單晶片透過PD.0接腳控制繼電器的導(dǎo)通與否,當(dāng)繼電器導(dǎo)通時(shí),電燈因電源被切斷而熄滅,反之則否。當(dāng)微控制器接收到來自地震感測(cè)器或煙霧感測(cè)器的信號(hào)時(shí),它會(huì)透過接腳 PD.0 送出一個(gè)低電位的信號(hào),即 PD.0=0,令繼電器導(dǎo)通→電燈熄滅以示電源被切斷,以避免電線走火而發(fā)生火災(zāi)。



    圖6 : 斷電系統(tǒng)的控制電路
    圖6 : 斷電系統(tǒng)的控制電路

    微動(dòng)開關(guān)

    微動(dòng)開關(guān)的控制電路主要是用於判斷窗戶是否已全開,當(dāng)窗戶在開啟碰到裝在窗邊的微動(dòng)開關(guān)時(shí),即全開時(shí),PG.0接腳的電壓準(zhǔn)位會(huì)因接地之故而為低電位,即PG.0=0,當(dāng)HT66FU70A偵測(cè)到PG.0=0時(shí),會(huì)立即停止步進(jìn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng),以免馬達(dá)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而受損。


    警示燈

    圖7為警示燈的控制電路圖,主要是用於控制警衛(wèi)室的警示燈之用,當(dāng)發(fā)生地震或火災(zāi)時(shí),HT66FU70A微控制器會(huì)經(jīng)由PB.6與PB.7接腳分別送出一個(gè)低電位的信號(hào),令相對(duì)應(yīng)的警示燈點(diǎn)亮,以提醒警衛(wèi)有狀況發(fā)生了,可供其能在第一時(shí)間做出相對(duì)應(yīng)的處理。



    圖7 : 警示燈的控制電路圖
    圖7 : 警示燈的控制電路圖

    風(fēng)扇

    圖8為風(fēng)扇的控制電路圖,主要是排煙之用,當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),微控制器會(huì)經(jīng)由PG.4 接腳送出一個(gè)低電位的信號(hào),即PG.4=0,令電晶體導(dǎo)通→風(fēng)扇開啟代表啟動(dòng)排煙系統(tǒng),避免被煙嗆傷與阻擋視線。



    圖8 : 風(fēng)扇之控制電路圖
    圖8 : 風(fēng)扇之控制電路圖

    作品結(jié)構(gòu)

    圖9為本作品『具智慧安全的災(zāi)害管控裝置』的系統(tǒng)方塊圖,以 HT66FU70A 為主要的系統(tǒng)核心,來控制周邊諸如,紅外線感測(cè)器,門與窗戶的開啟,煙霧感測(cè)模組、藍(lán)牙模組、灑水模組、微動(dòng)開關(guān)、步進(jìn)馬達(dá)與語音模組等元件,以完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作,本作品之系統(tǒng)功能描述如下所示:


    當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或地震時(shí),智慧逃生系統(tǒng)的功能就會(huì)馬上啟動(dòng),其功能包含發(fā)出警報(bào)聲與傳送警告訊息至使用者機(jī),來提醒使用者發(fā)生火災(zāi)或地震,並連線至警衛(wèi)室,使警衛(wèi)能在第一時(shí)間做妥善的處理,為了避免門窗變形並節(jié)省逃生的時(shí)間,所有的門窗會(huì)自動(dòng)打開,另外打開窗戶的時(shí)候,火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的濃煙也可以排出去,不會(huì)因?yàn)闆]有打開窗戶而造成濃煙聚集在屋裡,從窗戶救災(zāi)的時(shí)候也便利許多,此外本系統(tǒng)在災(zāi)害發(fā)生時(shí),會(huì)將家中電器的電源切斷,以免發(fā)生電線走火,造成更嚴(yán)重的災(zāi)害。在發(fā)生火災(zāi)時(shí),會(huì)自動(dòng)灑水,以降低溫度並減緩火勢(shì),並且開啟風(fēng)扇可以加速排煙。



    圖9 : 具智慧安全的災(zāi)害管控裝置之系統(tǒng)方塊圖
    圖9 : 具智慧安全的災(zāi)害管控裝置之系統(tǒng)方塊圖
    圖10 :  具智慧安全的災(zāi)害管控裝置控制流程圖
    圖10 : 具智慧安全的災(zāi)害管控裝置控制流程圖

    測(cè)試方法

    本作品『具智慧安全的災(zāi)害管控裝置』的相關(guān)元件有煙霧感測(cè)模組、地震感測(cè)模組、藍(lán)牙模組、灑水模組、微動(dòng)開關(guān)、步進(jìn)馬達(dá)與語音模組等,這些相關(guān)元件的測(cè)試方法如下。


    *煙霧感測(cè)模組測(cè)試--當(dāng)模組上的感測(cè)器檢測(cè)到煙霧時(shí),相對(duì)應(yīng)的 LED 會(huì)點(diǎn)亮,表示正常。


    *地震感測(cè)模組測(cè)試--當(dāng)模組上的感測(cè)器檢測(cè)到震動(dòng)時(shí),相對(duì)應(yīng)的 LED 點(diǎn)亮?xí)r,表示正常。


    *風(fēng)扇測(cè)試--煙霧模組偵測(cè)到濃煙時(shí),若風(fēng)扇會(huì)啟動(dòng)表表示相關(guān)電路OK,反之則否需檢測(cè)之。


    *開門裝置測(cè)試--室內(nèi)有人且發(fā)生地震或火災(zāi)時(shí),若會(huì)自動(dòng)彈開,表示相關(guān)電路正常,反之則檢測(cè)相 關(guān)電路與程式。


    *語音模組測(cè)試--發(fā)生地震或火災(zāi)時(shí),若語音會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)的 語音提示使用者,表示正常。


    *警衛(wèi)室LED 測(cè)試--發(fā)生地震或火災(zāi)時(shí),若對(duì)應(yīng)的 LED 點(diǎn)亮 時(shí),表示相關(guān)電路是沒問題的。


    *紅外線發(fā)射/接收器測(cè)試—1.利用手代替人的進(jìn)出,以測(cè)試紅外線發(fā)射/接收器能否感應(yīng)正常;2.若感應(yīng)正常,則七段顯示器會(huì)顯示人數(shù)是否正常加減,反之表示相關(guān)電路有問題。


    *七段顯示器測(cè)試--若紅外線感應(yīng)正常,則七段顯示器會(huì)顯示 相對(duì)應(yīng)的數(shù)值,反之則表示相關(guān)電路與軟 體有問題,需檢測(cè)之,直到OK為止。


    *模擬電燈測(cè)試—1.將電燈開關(guān)打開/關(guān)閉,然後檢測(cè)電燈是否正常動(dòng)作;2.當(dāng)窗戶全開碰到微動(dòng)開關(guān)時(shí),電燈會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。


    *微動(dòng)開關(guān)測(cè)試—1.當(dāng)窗戶全開碰到微動(dòng)開關(guān)時(shí),若電燈會(huì)自動(dòng)關(guān)閉,表示微動(dòng)開關(guān)控制電路OK。


    *步進(jìn)馬達(dá)測(cè)試--發(fā)生地震或火災(zāi)時(shí),若步進(jìn)馬達(dá)可帶動(dòng)窗戶開啟,表示步進(jìn)馬達(dá)控制電路OK。


    *自動(dòng)灑水裝置測(cè)試--當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),若自動(dòng)灑水裝置可開始灑水,表示自動(dòng)灑水裝置是沒問題的。


    *藍(lán)牙模組測(cè)試方法—1.將藍(lán)牙連線看是否有正常連線到;2.發(fā)生地震或火災(zāi)時(shí),若手機(jī)接收到藍(lán)牙發(fā)出的對(duì)應(yīng)提示訊息,表示正常。


    (作者劉銘中1、魏世丞2、魏子翔3、宋翊平4、黃楷翔5為臺(tái)北城市科技大學(xué)資訊工程系1教授及2-5學(xué)生)


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    [13] 煙霧感測(cè)器MQ-2產(chǎn)品說明書,鄭州煒盛電子科技。


    [14] 框架推拉式電磁鐵使用手冊(cè),富同公司


    [15] 常閉式進(jìn)水電磁閥使用手冊(cè),東莞市金祿電子 科技。


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