基于ARM的嵌入式智能光電感煙探測(cè)器設(shè)計(jì)

劉彥磊 徐霽堂 魏連榮 許珊 （天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系 天津 300402)

隨著人們防火意識(shí)的增強(qiáng)，越來(lái)越多的建筑物、學(xué)校、醫(yī)院、商城等公共場(chǎng)所都安裝了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，能夠提早報(bào)警來(lái)預(yù)防火災(zāi)對(duì)生命財(cái)產(chǎn)造成的重大損失?；馂?zāi)探測(cè)器是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，安裝于各個(gè)建筑防護(hù)區(qū)，時(shí)刻監(jiān)視著火災(zāi)的發(fā)生。由于目前各種探測(cè)器存在著對(duì)火災(zāi)報(bào)警不及時(shí)、誤報(bào)率高、數(shù)據(jù)處理速度慢等問(wèn)題，針對(duì)這些不足，設(shè)計(jì)了一種全新的嵌入式智能光電感煙探測(cè)器，進(jìn)一步提高光電探測(cè)器的處理速度，減少誤報(bào)率，為火災(zāi)報(bào)警控制器減輕負(fù)擔(dān)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 原理框圖

光電感煙探測(cè)器是利用光的反射原理來(lái)檢測(cè)空氣中煙霧的濃度，從而對(duì)火災(zāi)作出反應(yīng)，其反應(yīng)快，報(bào)警迅速。

圖1 硬件原理圖

探測(cè)器主要是由迷宮1、迷宮2、發(fā)射管、接收管及線路板組成。在監(jiān)控狀態(tài)下，發(fā)射管發(fā)出的紅外光，只有少部分經(jīng)迷宮反射后被接收管吸收。當(dāng)有煙霧進(jìn)入探測(cè)區(qū)時(shí)，由于煙霧粒子的反射，接收管吸收的光通量將增加，進(jìn)入接收管的光信號(hào)被接收管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)放大電路放大，當(dāng)煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)，接收元件收到的光信號(hào)達(dá)到預(yù)定的閾值，通過(guò)總線向控制器輸出報(bào)警信號(hào)。原理框圖如圖1所示。

圖1中，總線收碼及回碼電路實(shí)現(xiàn)通訊功能，并且提供電源輸入。穩(wěn)壓電源將總線的輸入電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+5V輸出，為其他電路提供電源輸入。發(fā)射控制及發(fā)射電路完成信號(hào)的發(fā)射功能。分時(shí)供電及接受放大電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的輸入功能。微處理器實(shí)時(shí)處理時(shí)鐘電路控制著其他電路，并處理采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

1.2 硬件電路組成圖

1.2.1 整流電路 由 RV1、R1、R2、VD1、VD2、VD3、VD4等組成，如圖2所示。

圖2 整流電路

其中RV1為壓敏電阻，壓敏電阻是一種對(duì)電壓敏感的非線性過(guò)電壓保護(hù)半導(dǎo)體元件，普通電阻器遵守歐姆定律，而壓敏電阻器的電壓與電流則呈特殊的非線性關(guān)系。當(dāng)壓敏電阻器兩端所加電壓低于標(biāo)稱額定電壓值時(shí)，壓敏電阻器的電阻值接近無(wú)窮大，內(nèi)部幾乎無(wú)電流流過(guò)。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器將迅速擊穿導(dǎo)通，并由高阻狀態(tài)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流也急劇增大。當(dāng)其兩端電壓低于標(biāo)稱額定電壓時(shí)，壓敏電阻器又能恢復(fù)為高阻狀態(tài)。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓超過(guò)其限制電壓時(shí)，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無(wú)法再自行恢復(fù)。其作用起過(guò)電壓保護(hù)、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護(hù)半導(dǎo)體元器件等作用。R1、R2起到電流保護(hù)的作用。VD1、VD2、VD3、VD4為 4個(gè)二極管，利用二極管的單相導(dǎo)通性質(zhì)，從而達(dá)到整流的目的。

1.2.2 穩(wěn)壓電路 由 VD5、R12、C10、D2（HT7150-1）等組成穩(wěn)壓電路，為探測(cè)器提供電源。

VD5的作用是利用二極管的單相導(dǎo)通性質(zhì)防止電流反射波的作用，R12起到阻抗匹配的作用從而防止電流產(chǎn)生的反射波。C10起到濾波作用。D2（HT7150-1）是采用COMS技術(shù)的三端低功耗高電壓穩(wěn)壓器。允許輸入電壓可達(dá)24V。理論上輸出從3.85～5.15V的電壓，即和外圍器件一起使用能輸出可變的電壓和電流。

1.2.3 收碼電路 由 R4、R6、R7、R8、C9、VD6、VT2等組成。

1.2.4 回碼電路 由C11、R5、R3、VD7、VT1等組成。

編碼標(biāo)準(zhǔn)為：地址編碼采用五位三進(jìn)制，接收到的五位地址順序?yàn)锳1～A5。當(dāng)任一位地址為0時(shí)，INT（該產(chǎn)品中CPU的11腳）判斷的接收結(jié)果為00；當(dāng)任一位地址為1時(shí)，INT判斷的接收結(jié)果為10；當(dāng)任一位地址為2時(shí)，INT判斷的接收結(jié)果為11?！?”為兩個(gè)寬脈沖，“0”為兩個(gè)窄脈沖，開路為1個(gè)寬脈沖和一個(gè)窄脈沖，振蕩周期為61μs。編程時(shí)，寬脈沖的脈寬范圍為213±5μs，窄脈沖的脈寬范圍為30±4μs，一位編碼位的脈寬范圍為488±2μs，具體編碼情況如圖3。

圖3 編碼情況圖

1.2.5 光電信號(hào)發(fā)射電路 由VT4、R19、R20、VD9及外圍組件組成。

紅外線發(fā)射管是一種發(fā)射波長(zhǎng)在940nm左右的，人眼不可見(jiàn)的光線。如在其兩端通以電流，就可發(fā)射出紅外線。紅外發(fā)射管一般有兩種調(diào)制工作方式，其一為恒定直流供電，其二為脈沖直流供電。前者發(fā)出的紅外線光強(qiáng)度弱，易受干擾，后者發(fā)出的光線強(qiáng)度高，且穩(wěn)定。R20為限流保護(hù)電阻。

1.2.6 光電信號(hào)接收及信號(hào)放大電路 由 C1、C2、C5、C7、LM324組成光電接收電路如圖4所示。

圖4 接收及信號(hào)放大電路

1.2.7 LPC2103微處理器 ARM7結(jié)構(gòu)的LPC2103作為主控制器，該控制器是一種32位的ARM7TDMI-S微控制器，最高工作速度可達(dá)70MHz，32kB的片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器和8k的片內(nèi)靜態(tài)RAM。LPC2103的10位A/D轉(zhuǎn)換器提供8路模擬輸入，多達(dá)32個(gè)通用I/O口（可承受5V電壓），高級(jí)性能還使它特別適用于工業(yè)控制。

1.3 電路工作過(guò)程

正常工作時(shí)，總線電壓經(jīng)過(guò)整流后高電平將導(dǎo)致VT2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，將CPU11腳電壓拉低，這樣通過(guò)控制VT2導(dǎo)通的時(shí)間長(zhǎng)短向CPU發(fā)碼，同樣CPU10腳也發(fā)出脈沖，通過(guò)控制VT1導(dǎo)通時(shí)間向總線發(fā)碼。CPU8腳發(fā)出5V脈沖使VT3導(dǎo)通，將VT4基極電壓拉低使VT4導(dǎo)通，這時(shí)發(fā)射管兩端將產(chǎn)生1V左右壓降，使發(fā)射管發(fā)出紅外光，接收管受不同強(qiáng)度光照射將產(chǎn)生不同的電流，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)進(jìn)入LM324進(jìn)行兩次放大。CPU6腳分時(shí)向LM324提供5V電壓作為工作電壓，所得到的模擬量信號(hào)被輸入到CPU的AD轉(zhuǎn)換端，當(dāng)有煙霧時(shí)模擬量信號(hào)超過(guò)預(yù)設(shè)值，CPU發(fā)出正常時(shí)兩倍的脈寬報(bào)警。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化的思想，整個(gè)系統(tǒng)由電源控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電路驅(qū)動(dòng)模塊、總線通訊模塊等組成。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

主程序首先對(duì)微處理器進(jìn)行初始化處理，對(duì)微處理器的參數(shù)進(jìn)行配置；自檢模塊完成對(duì)各個(gè)外圍硬件電路和總線通信模塊是否正常的監(jiān)測(cè)，如有故障就進(jìn)行報(bào)警處理；通信模塊主要完成火災(zāi)報(bào)警控制器和本系統(tǒng)的通訊聯(lián)系，向本系統(tǒng)發(fā)送控制命令和接受來(lái)自本系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)及其他信號(hào)；數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對(duì)感煙探測(cè)器監(jiān)測(cè)信號(hào)的采集，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，完成后送各微處理器進(jìn)行處理，把處理完的信號(hào)通過(guò)通訊總線送火災(zāi)報(bào)警控制器；電路驅(qū)動(dòng)模塊主要完成探測(cè)器硬件電路的驅(qū)動(dòng)，報(bào)警指示燈的點(diǎn)亮和熄滅功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)采用具有高速數(shù)據(jù)處理的ARM7處理器為硬件平臺(tái)，同時(shí)采用了更加智能的算法，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確率。該系統(tǒng)已進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用表明該測(cè)試系統(tǒng)具有準(zhǔn)確率高、功耗低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理速度快等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求?！?/p>

[1]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005:6-10.

[2]劉彥磊，石維佳.基于ARM冷鐓機(jī)變頻自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2012，39（2）：36-37.

[3]侯殿有，才華.ARM嵌入式C編程標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：人們郵電出版社，2010:25-29.