基于单片机的实验室安全智能管理系统设计

程钰渲，赵吕凝，陈 诺，涂洪智，汪子涵，黄运米，罗海军

(温州大学 数理学院，浙江 温州 325035)

高校实验室是高校实验教学的主要阵地和科研工作的重要场所，具有仪器设备和材料种类多、参与实验人员数量大、实验教学任务重、安全隐患与风险复杂等特点，但是其安全监控问题在很多高校中未受到足够重视，很多高校更注重学校的科学研究和教学工作，忽视实验室的安全管理工作，致使实验室成为安全事故频发的场所[1]。

学校教学中学生是教育的主体，而在实验室中更是最主要的动手能力者。而物理作为实践性特别强的一门学科,国内的高校几乎都配备了物理实验室,旨在让学生通过实践更好地理解物理的相应知识,并且为校内师生的科研工作提供了平台[2]。但是值得注意的是实验室能给师生带来方便的同时,也需要师生用心维护以尽可能延长实验室的使用寿命。因未及时关窗而导致雨水进入实验室，打湿实验仪器，甚至造成仪器的损坏；门未关导致实验仪器或其他财务损失，无关人员进入实验室而造成意外破坏；长期不关灯对于实验室也是一种不必要的损耗；着火等突发事件更是不得不预防的可能灾祸。

基于上述问题，本项目设计研发了一套实验室安全智能管理系统，根据霍尔效应、力矩作用等物理原理，利用舵机、人体感应、霍尔传感器、步进电机、丝杆螺母、雨水感应模块、火焰感应模块、蜂鸣器等器材，采用单片机控制、蓝牙远程操控。本装置包括自动关门、自动关窗、远程关灯、火焰检测四大系统，可实现无人自动关门、检测门窗是否关闭、远程控制关门、雨水检测、自动关窗、远程关灯、火焰报警等功能。本装置操作简单，高度自动化，系统稳定，适用范围广。通过测试，本装置可在各类实验室中普遍适用，对环境适应较好。

1 物理原理

1.1 力矩

力矩表示力对物体作用时所产生的转动效应的物理量。力对某一点的力矩的大小为该点到力的作用线所引垂线的长度乘以力的大小，其方向则垂直于垂线和力所构成的平面用力矩的右手螺旋法则来确定。力对某一轴线力矩的大小，等于力对轴上任一点的力矩在轴线上的投影。通过对力矩的研究，将舵机上的推杆进行优化，在尽量缩短长度的情况下尽可能保证推力足够大。

1.2 霍尔效应

若电流流过一定厚度的半导体薄片，且磁场垂直作用于该半导体薄片，由于洛伦兹力作用，电子流向会发生改变，在薄片的两个横向之间就产生了电势差，称为霍尔电势差，这种现象称为霍尔效应[3-5]。(如图1)。

图1 霍尔效应示意图

通过霍尔传感器与磁铁的配合，用于检测门、窗是否关闭，关窗装置是否回归原位。

1.3 丝杆螺母传动

如图2为螺杆螺母传动机构，是一种将螺旋运动转化为直线运动的平稳传动方式，具有传动平稳，传动比大的优点。通过对螺母进行固定来抵消自转，通过步进电机带动螺杆发生转动，进而使螺母向左或向右移动，化转动为直线运动。

图2 丝杆螺母结构

1.4 舵机工作

舵机(如图3)的结构主要由舵盘、减速齿轮组、位置反馈检测器、限位开关、直流伺服电机及控制电路板组成[6，7]。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器由可变电阻组成，当舵机发生转动时其电阻值也会发生改变，由此检测电阻值的变化便可得转动的角度。常见的伺服马达是在三极转子上缠绕细铜线，当线圈通电后时就会产生磁场，与转子外围的磁铁发生排斥作用，从而发生转动的作用力。要转动较重物体需较大作用力。

图3 舵机

2 “自动关门”的设计制作

2.1 电动关门设计

自动关门的难点就在于不够智能，不能在特定时间、无人、未关门的情况下自动将门关闭。在研究电动关门过程中，与人工手动关门进行对比，如果要将门彻底合上，需要关门装置具有比较大的推力。因此选择用大扭力舵机(15 kg)来带动推杆进行关门操作。用Arduino单片机对舵机转动角度进行设置，使其在0°～90°之间转动。从初始的0°带动推杆将门合上(此时为90°)，当检测到门被关上后，再次转动推杆回到0°位置，等待下一次运行。

选用弹性较好的亚克力棒，在权衡推力与杆长度的关系后，将其固定在舵机上(如图4)，测试效果较好。由于模型门所需推力较小，选用较短的推杆以减小推力避免模型损坏，而在实际实验室中可通过更换扭力更大的舵机以及增加推杆长度来推动真实大门，理论与实验均证明方案可行。

图4 推杆装置

2.2 门霍尔传感器设计

如图5是模拟霍尔传感器模块的原理图，可用于检测磁场的存在，使用霍尔传感器来检测门是否关闭。通过磁铁距离不同对应磁场不同，作为检测依据。

图5 模拟霍尔传感器模块的原理图

将模块连入Arduino单片机主板，提前设置好磁场大小，通过感应装在门上的磁铁，当数值达到设置值时，显示为门已闭合。在门上安装霍尔传感器，门框上安装磁铁。如果门闭合，两者贴近，则存在磁场，将报告高电平信号；如果门未完全闭合，则相反；通过检测输出电平信号的高低以此来判断门是否闭合。

2.3 人体红外感应设计

如图6，HC-SR501是基于红外线技术的自动控制开关，感应范围内有人输出高电平，感应范围内无人输出低电平。

图6 人体红外感应模块

将模块连入Arduino单片机主板，与舵机进行结合。放置在门的附近，面向实验室内部。编写程序来实现当模块检测到有人时，即使门未关仍不启动舵机；当检测到无人存在时，启动舵机将门关上。

3 “自动关窗”的设计制作

3.1 电动关窗设计

步进电机是一种感应电机，是一种将脉冲电信号转为角(线)位移的装置。当步进电机驱动器收到一个脉冲电信号，那么步进电机就会按照实现设定的方向转动某个角度，输入电信号脉冲数决定电机的总转动，脉冲电信号频率决定电机转速[8]。

图7 自动关窗结构

如图7，通过连接件将步进电机与丝杆螺母进行紧固，在窗框边缘装上一个“L”形小块，在螺母下方用一亚克力棒进行固定以去除螺母自转并作为推杆。通过单片机对步进电机进行控制，当步进电机正向转动时，从而带动丝杆向一方转动，螺母随之前进，而亚克力推杆正好抵住“L”形小块，推动窗户重新关上。当检测到窗户已经关闭，步进电机反转回到原位，停止转动待命。

3.2 窗霍尔传感器设计

自动关窗装置共有两个霍尔感应装置，一个用来检测窗是否关闭，一个用来检测螺母返回是否到达原位。如图8，在窗框和铜法兰螺母上各安装一个磁铁，在窗框附近的墙上以及靠近步进电机附近的墙面各安装一霍尔传感器。通过检测输出电平信号的高低以此来判断窗是否闭合。窗逐渐闭合，当窗完全闭合的瞬间霍尔恰好感受到一个信号在设定数值范围内，电机开始反转，带着螺母往回走；当螺母回到原位的同时，原位处的霍尔传感器接收到电压信号，电机停止转动。

图8 霍尔传感器窗户位置

3.3 雨水传感器设计

雨滴传感器的控制模块具有4个输出。VCC连电源5 V端。模块的GND引脚接地。DO引脚连接到微控制器的数字引脚以进行数字输出，也可以使用模拟引脚。传感器模块包括一个电位计、LM393比较器、LED、电容器和电阻器。上面的引脚图显示了控制模块的组件。雨板模块由铜轨组成，铜轨用作可变电阻器。它的阻力随雨板上的湿度而变化。图9为雨滴传感器原理图。

图9 雨滴传感器原理图

雨滴探测传感器是用于感应雨水的工具。它由两个模块组成，一个用于检测雨水的防雨板和控制模块，该模块比较模拟值并将其转换为数字值。当检测到窗未关闭时，且雨水的防雨板上有雨滴时，其转换的数字值将发生变化，与此同时控制相连的步进电机旋转，使用螺杆与铜法兰螺母推动窗户前进，达到自动关窗的目的。

4 “远程关灯”的设计制作

远程关灯系统中使用蓝牙模块HC-06，数据通过Arduino单片机传输给蓝牙模块,再由经蓝牙模块无线发送给手机端。HC-06蓝牙模块的工作电压为3.3～5 V，模块体积较小,功耗较小，Arduino单片机与HC-06蓝牙模块接口如图10[9]。当检测到室内无人且未关灯的情况下，通过手机远程切断电源，实现远程关灯的目的。

图10 单片机与蓝牙模块接口

5 火焰警报的设计制作

5.1 火焰感应设计

火焰传感器模块，由集成电路中的火焰传感器(IR接收器)、电阻器、电容器、电位计和比较器LM393组成。工作电压在3.3 V至5.2 V之间，并带有数字输出以指示信号的存在。该模块可以检测到红外光。火焰探头将检测到的红外光转换为电信号，灵敏度可通过板载可变电阻器进行调节。远红外火焰探头将外部红外光的强度变化转换为电流变化。然后将模拟量转换为数字量。该模块原理图如图11。当在实验室范围内点燃火焰，火焰传感器感受到红外光并将其转换为电流信号，进一步以数字量与提前设好的值进行对比，超过阈值传感器报告有火焰，并触发蜂鸣器发出警报。

图11 火焰传感器原理图

5.2 蜂鸣器设计

低电平触发的蜂鸣器通过杜邦线将信号端插入Arduino单片机数字信号D端,VCC电源正极要接3.3 V低电压,GND是接地端；OLED显示屏按照四个引脚的标注,插入I2C插孔。

使用了低电平触发的蜂鸣器,它会在Arduino单片机通电、启动操作系统后就处于低电平的“假工作”状态——“吱吱”地鸣叫。因此必须在主程序最开始先添加设置相应的语句模块,运行程序将其设置为“高电平”状态,相当于暂时关闭蜂鸣器[10]。

当火焰传感器检测有火焰发生时，蜂鸣器就会立刻响应发出警报。

6 实验室安全智能管理系统装置图

设计的实验室安全智能管理装置的原理示意图如图12所示，实物图如图13。

图12 实验室安全智能管理系统控制原理图

图13 实验室安全智能管理装置实物图

该装置主要由舵机、人体感应模块、霍尔传感器、步进电机、丝杆、螺母、雨水感应模块、火焰感应模块、蜂鸣器、蓝牙模块等模块组成。由Arduino控制所有系统以及相应模块，装置采用全自动式运行，可通过手机端进行远程操作。

自动关门系统可包括检测有人时不启动装置、检测无人存在时自动关门、检测门是否关闭、远程关门等功能。自动关窗系统包括感应到雨水自动关窗、检测窗是否关闭、检测关窗装置是否回到原位等功能。远程关灯系统包括检测灯是否关闭、远程关灯等功能。火焰报警系统包括检测火焰并报警功能。

7 结 语

实验室安全智能管理系统具有实用性高、范围适用广、高度自动化、操作简便、系统稳定、功能完备等特点。可满足不同高校不同实验室的普遍需求，让实验室管理人员更有效地管理实验室。装置无需破坏原来实验室结构，各系统调试便利，在各个实验室中具有极高的适应性，且对实验室的限制较小，可普遍应用于各高校各类别的各种实验室中。未来也可根据实验室的特殊需求，进行增减功能，装置更灵活，更稳定，更实用，具有较高的应用价值。不只是实验室，对于家庭、办公室等各种地点，该装置都可以进行应用，值得推广！