赵晓蕾，黄治华，李新一
重庆大学光电工程学院，重庆 400030
安全指示牌在日常生活中不可或缺，尤其在公共场所应用广泛，它可以给我们指明安全出口的方向，当我们在不熟悉的环境遇到紧急情况，安全指示牌的作用就显得尤为重要。随着电子科技的发展，很多设备设施可以进行小型化、轻型化、智能化的改进，其功能将更加强大，为我们的日常生活提供更多便利。但是在目前，社会上普遍采用的安全指示牌还停留在单纯的指示功能上。因此，我们想到可以通过加装小型检测元器件和单片机系统，使目前普遍采用的安全指示牌成为智能化的安全指示牌，以便充分利用现有的资源，满足人们日益增长的安全意识的需求。
1 装置功能及原理
我们将目前采用的指示牌普通面板改为LED 显示屏，使其具有如下功能：在正常环境下能够提示人们安全通道方向和注意安全等内容。当所处环境发生火灾时，该指示牌能够通过温度传感器和烟雾传感器检测到火灾信号，通过LED 向人们发出提示信息，即当温度传感器检测到气温大于预设温度，那幺LED 将显示“温度报警”及安全出口方向，提示大家“赶快撤离”，并显示相应的自救措施；当烟雾传感器检测到烟雾信号时，蜂鸣器报警， LED将显示“烟雾报警”及安全出口方向，提示大家“赶快撤离”，并显示相应自救措施。
我们选用C8051F020 型单片机为该系统的控制部件，将采集到的信号通过A/D 转换，与预先设定的值进行比较，超过这个阈值，就会通过LED 显示屏显示出报警信息。信号采集部分我们选用的是温度传感器TS118-3和烟雾传感器SS-168P。信号采集、控制、显示3 大部分构成了智能牌的硬件系统，其原理框图如图1所示。
图1 装置原理图
2 硬件设计
2. 1 传感器电路
本智能安全指示牌信号检测分成温度检测和烟雾检测两个部分。
1）温度传感器。温度检测部分采用的是TS118-3 红外温度传感器，该传感器的传输特性基本上是线性的，便于调节。TS118-3分为两个部分：热敏电阻RTD和热堆TP。热敏电阻可感受环境温度，热堆可感受物体表面发出的红外温度，其中热堆作为主要的信号输出，热敏电阻用于环境温度补偿。该传感器输出的信号是毫伏级的，必须进行放大和滤波处理，具体电路如图2所示。
2）烟雾传感器。烟雾检测部分采用的是SS-168P 光电式烟雾探测器。光电式烟雾传感有四根引脚。其中1、2 脚为供电电源，1 脚接高电压12V，2 脚接地；3、4 脚为信号输出端。在没有检测到烟雾时，3、4 两输出脚断路；检测到烟雾时，3、4输出脚短路，同时发出声光报警。因此，我们将3 脚接高电压，采用比较方式得到烟雾报警信号，然后通过A/D 采集判断高低电平信号从而判断出是否有烟雾信号，具体电路如图3所示。
图2 放大滤波电路
图3 电路
2.2 LED显示电路
LED 显示电路由LED 点阵屏和LED 驱动电路组成。
1）LED 点阵屏电路。点阵屏由16 块8*8 点阵块组成，16 块点阵分两排，共形成16×64的矩形点阵，一帧可以显示4个字。由于LED 点阵屏发光器件比较多，不宜采用静态扫描方式，故采用扫描方式。动态扫描电路需将每一排点阵块的对应行线接到一起，每一列点阵块的对应列线接到一起，这样就可以通过扫描行线或列线，控制LED 显示屏的显示状态。
2）LED 驱动电路 根据LED 显示屏电路的连接方式，采用动态扫描方式进行显示时，每行有一个行驱动器，各行的同名列共用一个列驱动器。动态方式扫描时，一方面行驱动器提供行有效信号，由第一行开始依次将该行接高电平，同时，根据列驱动器锁存的数据来确定该列是接高电平还是低电平。当一行的持续扫描时间结束后，下一行又以同样的方法进行显示。所有行都扫描一遍后，即一个扫描周期后，又从第一行开始重新扫描，只要扫描周期远比人的视觉暂留的时间短，就分辨不出显示屏的动态闪烁。在扫描各行时，可以采用并行或串行方式将该行各列的数据送到对应的列驱动器上。并行方式需要消耗大量硬件连线，实际中往往采用串行方式，控制电路利用一根信号线将列数据一位一位传送到列驱动器上。存储在控制电路里的显示数据首先经过并行到串行的转换，传送到对应的列驱动器上，然后将各列并行地显示出来，下面分别介绍行驱动和列驱动的具体实现电路。
（1）行驱动电路：采用两片74LS138 译码芯片级联，接成4线-16 线译码器的方法，控制LED 点阵屏的十六根行线。由于LED的每一显示行的电流是很大的，而138 译码芯片的驱动能力有限，不足以驱动一组发光二极管，因此还需要在它的输出端加4 953，以增强行驱动能力。
（2）列驱动电路：驱动电路应具备串行并出的移位功能，且应具备并行数据锁存的功能。74HC595 具有一个8 位的串入并出移位寄存器和一个8 位的输出锁存寄存器，移位寄存器和输出寄存器的控制各自独立。
3 软件设计
编程时选用的是C语言， 软件系统主要用于完成传感器采集信号的A/D转换、状态判断、报警信号及提示语言的显示等功能，主要包括主函数、初始化子程序，A/D 初始化子启动程序、LED显示子程序等。
1）主函数 主函数流程图如图4所示；
2）A/D 转换中断服务程序。A/D转换中断服务程序的具体功能：先对通道0 进行1 024次的采样，并将1 024次采样值求平均值，然后转换通道2 采样1 024次，将该1 024次的采样取平均值，两个通道采样完毕将数据更新标志refreshflag 置1；
3）LED 显示程序。通过编写不同的显示函数，然后在不同情况下，调用相应的显示函数，LED 便可以按照需求显示相应的内容。
对汉字、数字、图形的取模可以用取模软件，在取模前需要根据需要进行点阵格式、取模方式、取模走向格式设置。当显示滚动字幕时，需建立显示缓冲区，通过显示指针，直接在队列中查找显示内容，并通过指针移动，来实现滚动显示。
4 结论
该智能安全指示牌成功地把指示和火灾检测两个功能结合起来，它不仅完成基本的指示功能，并且在火灾发生时能及时地向人们发出报警信号，提供正确的撤离方向及自救措施，除平时为人们提供方便外，还为遇到火警能及时逃生和减轻救灾工作起到重要作用。当然，如果在硬件系统中再加装上语音扩音器，并在软件中做相应的调整，便使该指示牌具有语音提示功能，智能安全指示牌的功能将更加完善。
图4 主函数流程图
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