基于AVR单片机的安全工器具监控系统设计

孙洪伟，罗 杰

（1.武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070）

众所周知，安全是电力企业一个永恒的主题，而安全工器具[1]的好坏，将直接影响着电力企业在生产过程中的人身和设备安全[2]。笔者提出了一种基于AVR单片机的安全工器具监控系统的设计方案，主要是对安全工器具的离就位状态信息、有效使用期限和安全工器具柜内的温湿度状况等进行监控，可以根据实现安全工器具柜内温湿度的自动调节，能够自动记录安全工器具的相关信息。本文首先阐述了系统的总体结构，然后详细论述了系统的硬件设计和软件设计。

1 安全工器具监控系统的总体结构

1.1 系统结构

本文所设计的安全工器具监控系统主要分为下位机数据采集和上位机数据管理两个部分，两者之间通过网络进行通信。

系统首先通过数据采集板对安全工器具柜的相关量进行采集，然后将采集得到的数据进行相应处理后经串口服务器传递给上位机管理系统，上位机获得数据后进行相应处理。

每个安全工器具柜都需要40个数据采集端口来采集安全工器具的离就位状态信息。当安全工器具的离就位状态发生改变时，数据采集板就将采集到这一信息，然后传递给上位机管理系统进行处理。当柜内的温湿度没有到达设定标准时，系统便控制加热除湿装置工作，从而调节柜内的温湿度状况。当上位机管理系统接收到下位机传递过来的数据后，便开始作相应的处理：将安全工器具的离就位状态信息进行备份，以便于进行历史查询；将安全工器具的使用状况、有效使用期限和柜内温湿度状况等信息实时显示在用户界面，以便于工作人员对系统进行监控。

1.2 系统功能

系统所实现的主要功能有：

1）实时监控安全工器具的离就位状态。

2）实时监控安全工器具柜内的温湿度状况。3）实时监控安全工器具的有效使用期限。

2 安全工器具监控系统的硬件设计

系统硬件部分的主要功能就是实现对安全工器具的离就位状态、柜内温湿度的检测，以及实现对加热和除湿装置的自动控制，并且将相关信息实时显示在液晶显示器上。系统硬件结构图如图1所示。

系统选用AVR系列单片机的ATmega128-16AC作为主控制器、ATmega8-16AC作为数据采集控制器。AVR单片机[3-4]是一种增强型内置Flash的RISC精简指令集高速8位单片机，它内部采用哈佛结构，时钟速度可达到16 MHz。

主控板需要控制4个数据采集板，作用于同一个安全工器具柜[5]。采用红外线反射式检测方法来对安全工器具离就位状态的进行检测，当安全工器具被借出或归还时，红外反射装置所反馈的电平就会发生变换，我们就通过检测该电平来判断安全工器具的就位与离位。主控板通过RS-485接口以轮询的方式来获取数据采集板获得的数据。

主控板接收到采集数据后便作相应的处理：将安全工器具离就位的具体信息显示在液晶显示器上，以便于工作人员实时了解安全工器具的使用状况；将安全工器具的离就位状态信息传递给上位机管理系统进行相应处理。

图1 安全工器具监控系统硬件结构图Fig.1 Entire composition of the intelligent monitoring system for safety apparatus

3 安全工器具监控系统的软件设计

安全工器具监控系统的软件设计主要包括下位机与上位机之间的通信协议设计、下位机程序设计和上位机程序设计等3个部分。

3.1 下位机程序设计

下位机主要完成对安全工器具离就位状态信息的采集与显示、对安全工器具柜内温湿度的采集与调节，并将安全工器具离就位状态等相关信息发送给上位机管理系统进行处理。

1）下位机主控程序设计

只有当上位机管理系统需要时，安全工器具的有效使用期限和柜内的温湿度信息才会发送给上位机管理系统。整个下位机的主控程序流程图如图2所示。

2）下位机采集数据处理程序设计

下位机数据采集的时间间隔由定时器控制，数据采集命令由下位机主控板通过RS-485的方式发送给数据采集板，采集数据同样以RS-485的方式回传给主控板进行处理[6]。

主控板对安全工器具离就位状态信息的处理过程如图3所示。

图2 下位机主控程序流程图Fig.2 Hardware construction of the intelligent monitoring system for safety apparatus

图3 安全工器具离就位状态信息处理程序流程图Fig.3 Master program flow chart of the MCU

3.2 上位机程序设计

上位机管理系统的主要功能就是实现对下位机传递过来的数据的处理：将安全工器具的离就位状态信息以用户界面的形式显示给用户，以便工作人员及时了解工器具的使用情况，并将相关工器具的离就位状态信息进行保存，以便用户进行历史[7]。

上位机处理数据的流程如图4所示，采用事件触发的方式来处理下位机传递上来的数据，当有数据传递上来时，便进入数据处理流程：首先判断数据的起始符和校验码是否都正确，只有当两者都正确时才会对数据包进行下一步的处理，否则结束数据处理的整个流程，等待新数据的到来；然后判断数据中的操作指令，当数据信息与需要的信息不相符时，便结束整个数据处理流程，等待新数据的到来；然后根据不同的数据信息进行对应的处理；数据处理完成之后，继续等待新数据的到来。

图4 上位机数据处理程序流程图Fig.4 Program flow chart for processing the state of the safety apparatus

4 结束语

本文设计的基于AVR单片机的安全工器具监控系统能有效实现对安全工器具的实时监控，包括安全工器具的使用状况、有效使用期限、所处环境状况等；能够实现对安全工器具所处环境温湿度的自动调节；能够实现安全工器具相关信息的自动保存，提供历史查询功能。本文在技术上提出了一种安全工器具监控方式，为实现对安全工器具进行科学、高效管理提供了一种思路，是电力企业实现安全生产、科学管理的重要组成部分。

[1]李宝民.供电企业安全工器具管理系统的研究与开发[D].河北：华北电力大学，2010.

[2]周红星，任亚丽，周晋志.基于ASP.NET的安全工器具管理系统的研究与开发[J].办公自动化，2008（16）：40-42.

ZHOU Hong-xing，REN Ya-li，ZHOU Jin-zhi.The research and develop of the management system for safety apparatus based on ASP.Net[J].Office Automation，2008（16）：40-42.

[3]杜敬仓，陈冬云，任柯燕.ATmega 128单片机原理与开发指导 [M].北京：机械工业出版社，2005.

[4]敖华，陈渊睿，骆祖国，等.基于AVR单片机的125 kHz简易

RFID阅读器设计 [J].现代电子技术，2010（7）：111-114.AO Hua，CHEN Yuan-rui，LUO Zu-guo，et al.Design of simple 125 kHz RFID reader with AVR single chip computer[J].Modern Elecetronics Technique，2010（7）：111-114.

[5]王玮.感悟设计：电子设计的经验与哲理 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[6]佟长福.AVR单片机GCC程序设计 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[7]张辉，李荣利，王和平.Visual Basic串口通信及编程实例[M].北京：化学工业出版社，2011.