基于单片机的“点燃圣火”展品控制系统

张罗强

摘要：单片机在自动化控制领域应用十分广泛，本文介绍了以单片机为核心，结合ISD4004语音芯片、光敏和手握触发电路，实现精准报时、激光检测与指示等功能，设计制作东莞科技馆“点燃圣火”展品，按设计方案完成制作后，该展品的控制流程清晰、严谨，具有很强的互动展示效果。

关键词：展品；控制系统；单片机

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0002-02

1 项目描述

每届奥运会圣火点燃的环节都非常激动人心，圣火的点燃方式每次都让人耳目一新，为了激发青少年对科学的兴趣，展示光敏传感器等知识，东莞科技馆在光学展区设计制作了“点燃圣火”项目，主要控制部分依靠单片机和传感电路实现。

本项目的设计目标为一互动性展品，由3名观众同时操作进行比赛，也可由一名观众独自参与。展品由火炬台、激光光源和三架反射镜操作台构成。火炬台为高3米的六角锥柱，在六角锥柱对称的三面上，由下到上错落分布有10个光接收孔，三架反射镜操作台对应火炬台上三面光接收孔分布。每架反射镜操作台上有一面反射镜，它的上方悬挂有激光光源，观众操作反射镜上下左右旋转可使光源发出的光经反射镜反射到火炬台的光接收孔上，每对准一个光接收孔，孔里的灯就会发光。当参与观众的手握住反射镜操作手柄后，系统会以语音提醒观众：“比赛就要开始，请做好准备”，并倒计时10秒，10秒后系统启动。当观众连续点亮10个孔后，火炬顶端的火炬便会熊熊燃烧起来（以红色灯光和风机吹起丝带效果演示），点燃火炬的观众可听到自己的完成操作的时间成绩。

2 控制系统构成

点燃圣火展项由控制系统、手握触发装置、激光检测与指示装置、语音控制装置等组成（如图1），利用单片机和传感器技术来实现整个展项的操作和互动。

控制系统是展项的数据处理部件，由单片机及外围I/O端口构成，通过编写软件程序驻留单片机的存储器中，供CPU调用。实时处理输入数据。输出控制信号完成灯的指示和语音播放，完成展项的描述。

手握触发装置相当于系统的启动开关，利用人体的导电性，当双手分别握住操作手柄两边的金属环时，主控制器收到信号，系统启动。

激光检测用于判断操作者操作正确多少的检测装置，此检测信号送入单片机处理，操作正确后指示灯点亮，当完成操作正确后位于火炬台上的火炬将自动点燃，同时有语音为游客的正确操作喝彩。

激光发射装置用于发射激光光源，它挂在火炬的顶上端，光源分别对着三个操作台上的反射镜，游客转动操作台控制反射镜的角度，将激光光线反射到对应的光接收孔。

语音控制装置采用ISD4004语音存储芯片对控制语音的同步播放，不同语音的播放将接受单片机的端口控制。

3 控制系统的实现

3.1 控制流程

系统包含两个状态，等待状态和工作状态。

在等待狀态时，三个方向的光接收孔内的LED灯轮流闪烁，显示流水灯效果，吸引游客的参与。

当系统在等待状态检测到有游客握住手柄两端时，系统进入工作状态，驱动语音模块播放提示音，光接收孔内的LED灯全部熄灭，变为可击发状态，当光接收孔的光敏电阻被光线击中后，相应的LED灯会亮起，系统同时驱动语音模块播放“嘭”的声音，当10盏灯全部点亮时，语音芯片播放胜利的声音，通过继电器控制顶部的风扇打开吹动红旗，以示胜利完成任务。本轮参与结束后，系统重新复位，回到等待状态。

3.2 状态检测

在把手处安装有两个金属环，当游客触摸手柄时，通过放大电路输出一个低电平信号到主控制器host（如图2），此时2号继电器进入锁定状态，主控制器host驱动语音模块播音，主控制器host锁定客户端，使客户端进入中断状态，LED灯全部熄灭，同时定时器开始启动，TR0=1，开始计时。

3.3 击发过程

游客通过手柄转动控制激光反射方向，光接收孔内装有并联的光敏电阻，当光敏电阻接收到激光照射后，电阻变小，通过放大电路输出低电频信号，单片机驱动相应的LED灯点亮，同时驱动语音芯片播放“嘭”的声音。

击发部分控制代码：

void gun（）

{

if（flag==0）

{

delay（3）；

L1=1；

L2=1；

…

L10=1；

flag=1；

}

if（flag==1）

{

if（K1==0&&L1==1）

{

L1=0；

out1=0；

delay（10）；

out1=1；

}

…

3.4 击发完成

当游客将10个光接收孔依次击发完成后，客户端向主控制器host发送一个低电平信号，以示停止，客户端又回到流水灯状态，主控制器host驱动顶部风扇打开，吹动红旗，同时驱动语音模块播报完成时间，完成后，通过定时器重新复位。

击发完成部分代码：

…

if（key3==0） //暂停a

{

delay（10）；

if（key3==0）

{

flag=1；

L3=1； //流水灯

L2=0； //上面风扇开客户端＼单片机断电

Send（0x01，0x00，0xAF）； //胜利声音

delay（40）；endprint

Send（0x01，0x00，0xCD）； //''获胜的是1号选手''

delay（78）；

Send（0x01，0x04，0x06）； //''你用的时间是''

delay（60）；

Send2（a4，a3）； //报时函数

Send（0x01，0x04，0x38）； //''今天最快的时间是''

delay（75）；

Send3（num）； //今天最快的时间是

num=0； //计数器清0

L1=0； //锁住开始

L2=1； //上面风扇关

delay（3）；

L1=1； //解除锁住开始

L2=1； //上面风扇关

}

while（！key3）；

delay（2）；

while（！key3）；

}

…

系统初始化部分代码：

void init（）

{

TMOD=0x21；

TH0=（65536-45872）/256；

TL0=（65536-45872）%256；

EA=1； //打开总中断

ET0=1； //打开定时器允许位

TR0=0； //打开定时器

EX1=1； //外部中断1开P3.3

IT1=1； //外部中断方式边沿触发

PCON = 0x00； //波特率不倍增

SCON = 0x50； //串行工作方式設定，允许接收

TH1 = 0xFd； //定时器1初值高位波特率产生

TL1 = 0xFd； //定时器1初值低位

TR1 = 1； //启动定时器

ES=1； //串口中断开启

}

4 项目运行效果

本项目通过单片机、光敏元件、语音模块、继电器等控制部件的联动，最终实现展品的互动趣味性展示效果，运行稳定、互动性强，配合说明牌和讲解引导，向广大青少年科普光敏电阻和传感电路的相关知识，展品展示以来，一直具有很高的参与度，深受青少年游客的喜爱，起到了很好的科普作用。endprint