家用救生舱控制系统设计

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摘 要 家用救生舱可以增加人们在遭遇地震等自然灾害时的生存几率。文章对家用救生舱现状以及其控制系统进行探讨，设计思路是使用ATmega128单片机控制传感器采集外部信号，并对信号进行分析处理，并据此发出指令，控制执行机构动作达到报警和保护人身安全的效果，满足家庭防护基本需求。

关键词 家用救生舱；控制系统；传感器；单片机

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）22-0040-02

如今，自然灾害频频，人们对安全措施的需求越来越大，所以出现了救生舱的研究。虽然对矿用救生舱等的研究由来已久，例如Syste MineARC ms煤矿安全避难舱的研制，但对于家用救生舱的研究甚少。针对以上问题，本文利用单片机控制传感器的方法设计了一套控制装置并将其配置于家用救生舱，当灾难发生时控制执行机构动作达到报警和保护人身安全的效果，满足家庭防护基本需求。由于救生舱设计为灾后危险环境作业，舱内环境与外界隔绝，因此在设计控制系统时，就特别要求系统具有较高的准确性，可靠性，可控性以及稳定性使其能够满足在危险环境下能够保证救生舱的正常工作，保护舱内人员的人身安全。

1 家用救生舱的整体设计

家用救生舱的整体设计包括控制系统设计，外形结构优化设计，传动结构设计以及生命维系系统设计。控制系统设计主要包括系统组成分析以及各部分的材料选型；外形结构优化设计包括讨论家用救生舱的功能定位，确定其防护结构形式，家用救生舱防护结构三维造型、尺寸优化及有限元验证以及家用救生舱防护结构二维图纸绘制；传动结构设计分别对蜗轮蜗杆机构、连杆机构、皮带轮机构、齿轮机构、三相异步电动机进行分析设计；生命维护系统设计包涵对家用救生舱的功能定位，确定其生命维护系统的组成并对各组成单元选型及参数计算，最终对家用救生舱内部设施的人体工程学优化。

2 家用救生舱控制系统功能分析

作为家用救生舱的重要组成部分之一，控制系统首先要保证传感器模块的正常工作，传感器能检测到被测量的信息，并能将检测采集到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出；信号调理电路对传感器输出的信息进行放大、滤波、线性化补偿、隔离、保护等措施后，再送入A/D转换器，将电压信号转换成中央控制器可以识别的数字信号；作为控制系统的核心部分，控制芯片（单片机）和电路能接收到经信号调理电路处理过的数字信号，并对信号进行分析处理，将处理后的信号输出到报警器和步进电机；报警器接收到信号，根据信号情况报警与否；步进电机根据信号，保持静止或是启动、停止、正反转。

由于救生舱设计为灾后危险环境作业，舱内环境与外界隔绝，因此在设计控制系统时，就特别要求系统具有较高的准确性，可靠性，可控性以及稳定性使其能够满足在危险环境下能够保证救生舱的正常工作，保护舱内人员的人身安全。因此本文选用了ATmega128单片机作为系统控制核心模块，它属于AVR单片机，稳定性极高。

3 家用救生舱控制系统组成

家用救生舱控制系统主要分成电源模块、传感器和主单片机模块、外部振荡和复位电路模块以及执行模块。其具体组成以及工作流程如图1所示。

图1 控制系统组成及工作流程

这些模块都是以主单片机为控制芯片，外部振荡和复位模块、电源模块是单片机能够正常工作的前提，单片机接收到传感器模块发出的信号，并对其进行分析、处理，并把处理结果输出到执行部件，执行部件做出相应的动作。当ATmega128单片机系统接入电源后，接入二极管，主要是防止正负电源短接。使用LM7805CK稳压芯片，提供系统工作的+5 v电源，如图2所示。电源接口输入交流9 V电源，交流输入后经VD4半波整流，C8，C9滤波，LM7805稳压，C10大电容滤波后直流5 V输出。

控制系统具体电气原理图如图3所示。

图2 电源电路模块

4 传感器选型

温度传感器DS18B20采用的是外部电源供电方式，外部电源供电是DS18B20传感器最佳的工作方式，工作稳定和可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单。在外接电源方式下，可以充分发挥DS18B20电源电压宽的优点，即使电源电压VCC降到3 V时，依然能够保证温度量精度。

湿度传感器AM2301数字温湿度模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度数字传感器。它使用专门的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

MQ-2气体传感器模块本设计是利用单片机技术结合A/D转换芯片ADC0804构建一个可燃气体的检测报警器。当环境中的可燃气体或是有毒气体泄漏时，检测元件检测到额可燃气体浓度达到报警器设置的临界点，可燃气体报警器就会发出报警电流信号，来提醒人员作出相应的安全措施。

1-DS18B20温度传感器模块；2-AM2301传感器模块；3-MQ-2气体传感器和报警模块；4-CDM4161气体传感器模块；5-电源模块；6-外部振荡和复位电路；7-步电机模块

图3 控制系统电气原理图

图4 MQ-2软件设计流程图

CDM4161传感器模块atmega128单片机具有8路10ADC，使用单片机端口PF0引脚读取CDM4161引脚2输出的模拟信号，并将其转换为数字信号；同时引脚3与继电器Relay相连，输出高电平时报警器报警。

5 结论

论文分析了家用救生舱控制系统的物理机制，对硬件软件等各个模块的设计，建立了控制系统的理论模型，并对各个模块元器件进行分析筛选，最终详细阐述了家用救生舱控制系统，分析比较了系统各项需求和一同实现原理的特性特点；针对家用救生舱应急救援使用环境特殊性，分析了相应的控制系统功能特性，对其进行功能定位；根据控制系统功能需求及定位建立控制系总体方案，对总体方案进行功能模块划分和优化设计。

基金项目

江苏科技大学青年科研基金，张家港校区青年科研基金。

参考文献

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作者简介

通讯作者：方海峰（1984-），男，安徽巢湖人，讲师，博士，硕士生导师，主要从事机械优化设计方面的研究。