基于單片機的實驗室安全智能管理系統設計

程鈺渲，趙呂凝，陳 諾，涂洪智，汪子涵，黃運米，羅海軍

(溫州大學 數理學院，浙江 溫州 325035)

高校實驗室是高校實驗教學的主要陣地和科研工作的重要場所，具有儀器設備和材料種類多、參與實驗人員數量大、實驗教學任務重、安全隱患與風險復雜等特點，但是其安全監控問題在很多高校中未受到足夠重視，很多高校更注重學校的科學研究和教學工作，忽視實驗室的安全管理工作，致使實驗室成為安全事故頻發的場所[1]。

學校教學中學生是教育的主體，而在實驗室中更是最主要的動手能力者。而物理作為實踐性特別強的一門學科,國內的高校幾乎都配備了物理實驗室,旨在讓學生通過實踐更好地理解物理的相應知識,并且為校內師生的科研工作提供了平臺[2]。但是值得注意的是實驗室能給師生帶來方便的同時,也需要師生用心維護以盡可能延長實驗室的使用壽命。因未及時關窗而導致雨水進入實驗室，打濕實驗儀器，甚至造成儀器的損壞；門未關導致實驗儀器或其他財務損失，無關人員進入實驗室而造成意外破壞；長期不關燈對于實驗室也是一種不必要的損耗；著火等突發事件更是不得不預防的可能災禍。

基于上述問題，本項目設計研發了一套實驗室安全智能管理系統，根據霍爾效應、力矩作用等物理原理，利用舵機、人體感應、霍爾傳感器、步進電機、絲桿螺母、雨水感應模塊、火焰感應模塊、蜂鳴器等器材，采用單片機控制、藍牙遠程操控。本裝置包括自動關門、自動關窗、遠程關燈、火焰檢測四大系統，可實現無人自動關門、檢測門窗是否關閉、遠程控制關門、雨水檢測、自動關窗、遠程關燈、火焰報警等功能。本裝置操作簡單，高度自動化，系統穩定，適用范圍廣。通過測試，本裝置可在各類實驗室中普遍適用，對環境適應較好。

1 物理原理

1.1 力矩

力矩表示力對物體作用時所產生的轉動效應的物理量。力對某一點的力矩的大小為該點到力的作用線所引垂線的長度乘以力的大小，其方向則垂直于垂線和力所構成的平面用力矩的右手螺旋法則來確定。力對某一軸線力矩的大小，等于力對軸上任一點的力矩在軸線上的投影。通過對力矩的研究，將舵機上的推桿進行優化，在盡量縮短長度的情況下盡可能保證推力足夠大。

1.2 霍爾效應

若電流流過一定厚度的半導體薄片，且磁場垂直作用于該半導體薄片，由于洛倫茲力作用，電子流向會發生改變，在薄片的兩個橫向之間就產生了電勢差，稱為霍爾電勢差，這種現象稱為霍爾效應[3-5]。(如圖1)。

圖1 霍爾效應示意圖

通過霍爾傳感器與磁鐵的配合，用于檢測門、窗是否關閉，關窗裝置是否回歸原位。

1.3 絲桿螺母傳動

如圖2為螺桿螺母傳動機構，是一種將螺旋運動轉化為直線運動的平穩傳動方式，具有傳動平穩，傳動比大的優點。通過對螺母進行固定來抵消自轉，通過步進電機帶動螺桿發生轉動，進而使螺母向左或向右移動，化轉動為直線運動。

圖2 絲桿螺母結構

1.4 舵機工作

舵機(如圖3)的結構主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋檢測器、限位開關、直流伺服電機及控制電路板組成[6，7]。其工作原理是由接收機發出訊號給舵機，經由電路板上的 IC判斷轉動方向，再驅動無核心馬達開始轉動，透過減速齒輪將動力傳至擺臂，同時由位置檢測器送回訊號，判斷是否已經到達定位。位置檢測器由可變電阻組成，當舵機發生轉動時其電阻值也會發生改變，由此檢測電阻值的變化便可得轉動的角度。常見的伺服馬達是在三極轉子上纏繞細銅線，當線圈通電后時就會產生磁場，與轉子外圍的磁鐵發生排斥作用，從而發生轉動的作用力。要轉動較重物體需較大作用力。

圖3 舵機

2 “自動關門”的設計制作

2.1 電動關門設計

自動關門的難點就在于不夠智能，不能在特定時間、無人、未關門的情況下自動將門關閉。在研究電動關門過程中，與人工手動關門進行對比，如果要將門徹底合上，需要關門裝置具有比較大的推力。因此選擇用大扭力舵機(15 kg)來帶動推桿進行關門操作。用Arduino單片機對舵機轉動角度進行設置，使其在0°～90°之間轉動。從初始的0°帶動推桿將門合上(此時為90°)，當檢測到門被關上后，再次轉動推桿回到0°位置，等待下一次運行。

選用彈性較好的亞克力棒，在權衡推力與桿長度的關系后，將其固定在舵機上(如圖4)，測試效果較好。由于模型門所需推力較小，選用較短的推桿以減小推力避免模型損壞，而在實際實驗室中可通過更換扭力更大的舵機以及增加推桿長度來推動真實大門，理論與實驗均證明方案可行。

圖4 推桿裝置

2.2 門霍爾傳感器設計

如圖5是模擬霍爾傳感器模塊的原理圖，可用于檢測磁場的存在，使用霍爾傳感器來檢測門是否關閉。通過磁鐵距離不同對應磁場不同，作為檢測依據。

圖5 模擬霍爾傳感器模塊的原理圖

將模塊連入Arduino單片機主板，提前設置好磁場大小，通過感應裝在門上的磁鐵，當數值達到設置值時，顯示為門已閉合。在門上安裝霍爾傳感器，門框上安裝磁鐵。如果門閉合，兩者貼近，則存在磁場，將報告高電平信號；如果門未完全閉合，則相反；通過檢測輸出電平信號的高低以此來判斷門是否閉合。

2.3 人體紅外感應設計

如圖6，HC-SR501是基于紅外線技術的自動控制開關，感應范圍內有人輸出高電平，感應范圍內無人輸出低電平。

圖6 人體紅外感應模塊

將模塊連入Arduino單片機主板，與舵機進行結合。放置在門的附近，面向實驗室內部。編寫程序來實現當模塊檢測到有人時，即使門未關仍不啟動舵機；當檢測到無人存在時，啟動舵機將門關上。

3 “自動關窗”的設計制作

3.1 電動關窗設計

步進電機是一種感應電機，是一種將脈沖電信號轉為角(線)位移的裝置。當步進電機驅動器收到一個脈沖電信號，那么步進電機就會按照實現設定的方向轉動某個角度，輸入電信號脈沖數決定電機的總轉動，脈沖電信號頻率決定電機轉速[8]。

圖7 自動關窗結構

如圖7，通過連接件將步進電機與絲桿螺母進行緊固，在窗框邊緣裝上一個“L”形小塊，在螺母下方用一亞克力棒進行固定以去除螺母自轉并作為推桿。通過單片機對步進電機進行控制，當步進電機正向轉動時，從而帶動絲桿向一方轉動，螺母隨之前進，而亞克力推桿正好抵住“L”形小塊，推動窗戶重新關上。當檢測到窗戶已經關閉，步進電機反轉回到原位，停止轉動待命。

3.2 窗霍爾傳感器設計

自動關窗裝置共有兩個霍爾感應裝置，一個用來檢測窗是否關閉，一個用來檢測螺母返回是否到達原位。如圖8，在窗框和銅法蘭螺母上各安裝一個磁鐵，在窗框附近的墻上以及靠近步進電機附近的墻面各安裝一霍爾傳感器。通過檢測輸出電平信號的高低以此來判斷窗是否閉合。窗逐漸閉合，當窗完全閉合的瞬間霍爾恰好感受到一個信號在設定數值范圍內，電機開始反轉，帶著螺母往回走；當螺母回到原位的同時，原位處的霍爾傳感器接收到電壓信號，電機停止轉動。

圖8 霍爾傳感器窗戶位置

3.3 雨水傳感器設計

雨滴傳感器的控制模塊具有4個輸出。VCC連電源5 V端。模塊的GND引腳接地。DO引腳連接到微控制器的數字引腳以進行數字輸出，也可以使用模擬引腳。傳感器模塊包括一個電位計、LM393比較器、LED、電容器和電阻器。上面的引腳圖顯示了控制模塊的組件。雨板模塊由銅軌組成，銅軌用作可變電阻器。它的阻力隨雨板上的濕度而變化。圖9為雨滴傳感器原理圖。

圖9 雨滴傳感器原理圖

雨滴探測傳感器是用于感應雨水的工具。它由兩個模塊組成，一個用于檢測雨水的防雨板和控制模塊，該模塊比較模擬值并將其轉換為數字值。當檢測到窗未關閉時，且雨水的防雨板上有雨滴時，其轉換的數字值將發生變化，與此同時控制相連的步進電機旋轉，使用螺桿與銅法蘭螺母推動窗戶前進，達到自動關窗的目的。

4 “遠程關燈”的設計制作

遠程關燈系統中使用藍牙模塊HC-06，數據通過Arduino單片機傳輸給藍牙模塊,再由經藍牙模塊無線發送給手機端。HC-06藍牙模塊的工作電壓為3.3～5 V，模塊體積較小,功耗較小，Arduino單片機與HC-06藍牙模塊接口如圖10[9]。當檢測到室內無人且未關燈的情況下，通過手機遠程切斷電源，實現遠程關燈的目的。

圖10 單片機與藍牙模塊接口

5 火焰警報的設計制作

5.1 火焰感應設計

火焰傳感器模塊，由集成電路中的火焰傳感器(IR接收器)、電阻器、電容器、電位計和比較器LM393組成。工作電壓在3.3 V至5.2 V之間，并帶有數字輸出以指示信號的存在。該模塊可以檢測到紅外光?；鹧嫣筋^將檢測到的紅外光轉換為電信號，靈敏度可通過板載可變電阻器進行調節。遠紅外火焰探頭將外部紅外光的強度變化轉換為電流變化。然后將模擬量轉換為數字量。該模塊原理圖如圖11。當在實驗室范圍內點燃火焰，火焰傳感器感受到紅外光并將其轉換為電流信號，進一步以數字量與提前設好的值進行對比，超過閾值傳感器報告有火焰，并觸發蜂鳴器發出警報。

圖11 火焰傳感器原理圖

5.2 蜂鳴器設計

低電平觸發的蜂鳴器通過杜邦線將信號端插入Arduino單片機數字信號D端,VCC電源正極要接3.3 V低電壓,GND是接地端；OLED顯示屏按照四個引腳的標注,插入I2C插孔。

使用了低電平觸發的蜂鳴器,它會在Arduino單片機通電、啟動操作系統后就處于低電平的“假工作”狀態——“吱吱”地鳴叫。因此必須在主程序最開始先添加設置相應的語句模塊,運行程序將其設置為“高電平”狀態,相當于暫時關閉蜂鳴器[10]。

當火焰傳感器檢測有火焰發生時，蜂鳴器就會立刻響應發出警報。

6 實驗室安全智能管理系統裝置圖

設計的實驗室安全智能管理裝置的原理示意圖如圖12所示，實物圖如圖13。

圖12 實驗室安全智能管理系統控制原理圖

圖13 實驗室安全智能管理裝置實物圖

該裝置主要由舵機、人體感應模塊、霍爾傳感器、步進電機、絲桿、螺母、雨水感應模塊、火焰感應模塊、蜂鳴器、藍牙模塊等模塊組成。由Arduino控制所有系統以及相應模塊，裝置采用全自動式運行，可通過手機端進行遠程操作。

自動關門系統可包括檢測有人時不啟動裝置、檢測無人存在時自動關門、檢測門是否關閉、遠程關門等功能。自動關窗系統包括感應到雨水自動關窗、檢測窗是否關閉、檢測關窗裝置是否回到原位等功能。遠程關燈系統包括檢測燈是否關閉、遠程關燈等功能?；鹧鎴缶到y包括檢測火焰并報警功能。

7 結 語

實驗室安全智能管理系統具有實用性高、范圍適用廣、高度自動化、操作簡便、系統穩定、功能完備等特點?？蓾M足不同高校不同實驗室的普遍需求，讓實驗室管理人員更有效地管理實驗室。裝置無需破壞原來實驗室結構，各系統調試便利，在各個實驗室中具有極高的適應性，且對實驗室的限制較小，可普遍應用于各高校各類別的各種實驗室中。未來也可根據實驗室的特殊需求，進行增減功能，裝置更靈活，更穩定，更實用，具有較高的應用價值。不只是實驗室，對于家庭、辦公室等各種地點，該裝置都可以進行應用，值得推廣！