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)

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

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 原理框圖

光電感煙探測器是利用光的反射原理來檢測空氣中煙霧的濃度，從而對火災(zāi)作出反應(yīng)，其反應(yīng)快，報警迅速。

圖1 硬件原理圖

探測器主要是由迷宮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)入探測區(qū)時，由于煙霧粒子的反射，接收管吸收的光通量將增加，進(jìn)入接收管的光信號被接收管轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)放大電路放大，當(dāng)煙霧達(dá)到一定濃度時，接收元件收到的光信號達(dá)到預(yù)定的閾值，通過總線向控制器輸出報警信號。原理框圖如圖1所示。

圖1中，總線收碼及回碼電路實現(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)射電路完成信號的發(fā)射功能。分時供電及接受放大電路實現(xiàn)現(xiàn)場信號的輸入功能。微處理器實時處理時鐘電路控制著其他電路，并處理采集到的現(xiàn)場數(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，壓敏電阻是一種對電壓敏感的非線性過電壓保護(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，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內(nèi)部幾乎無電流流過。當(dāng)壓敏電阻器兩端電壓略高于標(biāo)稱額定電壓時，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，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其限制電壓時，壓敏電阻器將完全擊穿損壞，無法再自行恢復(fù)。其作用起過電壓保護(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為A1～A5。當(dāng)任一位地址為0時，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，INT判斷的接收結(jié)果為10；當(dāng)任一位地址為2時，INT判斷的接收結(jié)果為11。“1”為兩個寬脈沖，“0”為兩個窄脈沖，開路為1個寬脈沖和一個窄脈沖，振蕩周期為61μs。編程時，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)射波長在940nm左右的，人眼不可見的光線。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 光電信號接收及信號放大電路 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個通用I/O口（可承受5V電壓），高級性能還使它特別適用于工業(yè)控制。

1.3 電路工作過程

正常工作時，總線電壓經(jīng)過整流后高電平將導(dǎo)致VT2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，將CPU11腳電壓拉低，這樣通過控制VT2導(dǎo)通的時間長短向CPU發(fā)碼，同樣CPU10腳也發(fā)出脈沖，通過控制VT1導(dǎo)通時間向總線發(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)換成電壓信號進(jìn)入LM324進(jìn)行兩次放大。CPU6腳分時向LM324提供5V電壓作為工作電壓，所得到的模擬量信號被輸入到CPU的AD轉(zhuǎn)換端，當(dāng)有煙霧時模擬量信號超過預(yù)設(shè)值，CPU發(fā)出正常時兩倍的脈寬報警。

2 軟件實現(xiàn)

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

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

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

3 結(jié)束語

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，同時采用了更加智能的算法，軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確率。該系統(tǒng)已進(jìn)行實驗測試，實際應(yīng)用表明該測試系統(tǒng)具有準(zhǔn)確率高、功耗低、設(shè)計簡單、數(shù)據(jù)處理速度快等特點，達(dá)到了設(shè)計要求?！?/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.