創(chuàng)新者：伍東亮 周 旭

基于STM32的CAN總線式可燃?xì)怏w報(bào)警器設(shè)計(jì)

創(chuàng)新者：伍東亮 周 旭

可燃?xì)怏w報(bào)警器也稱氣體泄露檢測(cè)報(bào)警儀器。當(dāng)工業(yè)環(huán)境、日常生活環(huán)境中可燃性氣體發(fā)生泄露，可燃?xì)怏w報(bào)警器檢測(cè)到可燃性氣體濃度達(dá)到報(bào)警器設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，可燃?xì)怏w報(bào)警器就會(huì)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)，來提醒采取人員疏散、強(qiáng)制排風(fēng)、關(guān)停設(shè)備等安全措施。CAN總線比485總線可靠性更高。總線式可燃?xì)怏w報(bào)警器主要由氣體報(bào)警控制器和氣體報(bào)警探測(cè)器兩大部分組成。

可燃?xì)怏w屬于易燃易爆危險(xiǎn)物品，如果發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏，則給我們的生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的安全隱患。當(dāng)可燃?xì)怏w發(fā)生泄漏，可燃?xì)怏w與空氣中的氧氣在一定的濃度范圍內(nèi)均勻混合，形成預(yù)混氣，遇著火源就會(huì)發(fā)生爆炸。如果我們能夠通過設(shè)備進(jìn)行環(huán)境中可燃?xì)怏w的泄漏檢測(cè)，則可及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，通過報(bào)警來提醒人員疏散、啟動(dòng)排風(fēng)，關(guān)閉氣體管道等措施，可將損失降到最低。總線式可燃?xì)怏w報(bào)警器主要由氣體報(bào)警控制器和氣體報(bào)警探測(cè)器兩大部分組成。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

總線式可燃?xì)怏w報(bào)警器主要由氣體報(bào)警控制器和氣體報(bào)警探測(cè)器兩大部分組成。

氣體報(bào)警探測(cè)器主要負(fù)責(zé)氣體泄漏探測(cè)，主要由LPC11C24 32位Cortex M0單片機(jī)和MC105型催化元件傳感器構(gòu)成。LPC11C24單片機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控MC105型催化元件傳感器采集的氣體濃度，如果氣體濃度超過警戒濃度，則將監(jiān)控點(diǎn)坐標(biāo)和濃度值通過CAN總線發(fā)送給可燃?xì)怏w報(bào)警器。氣體報(bào)警探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

總線式可燃?xì)怏w報(bào)警器主要負(fù)責(zé)采集各氣體報(bào)警探測(cè)器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警處理?？偩€式可燃?xì)怏w報(bào)警器帶有液晶顯示屏，可以通過按鍵進(jìn)行報(bào)警信息查詢和參數(shù)設(shè)置。報(bào)警器帶有聲光報(bào)警裝置，同時(shí)帶有防侵入安全監(jiān)測(cè)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

氣體報(bào)警探測(cè)器硬件設(shè)計(jì)

氣體報(bào)警探測(cè)器處理器是32位Cortex M0單片機(jī)LPC11C24，LPC11C24芯片帶有完整的CAN節(jié)點(diǎn)，集成了CAN收發(fā)器，同時(shí)帶有CAN和CANopen驅(qū)動(dòng)，支持即插即用，能方便的進(jìn)行組網(wǎng)；同時(shí)，它還帶有 8通道10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，每秒400K次采樣速度，可以快速的進(jìn)行氣體采樣。

圖1　氣體報(bào)警探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

圖2　可燃?xì)怏w報(bào)警器結(jié)構(gòu)圖

氣體采樣采用MC105型催化元件傳感器，MC105型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用。MC105傳感器直接與LPC11C24的AD采樣引腳相連，其基本采樣電路如圖3所示。

氣體報(bào)警探測(cè)器帶有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，用來存儲(chǔ)一定時(shí)間內(nèi)的氣體采樣結(jié)果，存儲(chǔ)芯片為I2C存儲(chǔ)器24C02。24C02存儲(chǔ)容量為256個(gè)字節(jié)。其電路圖如圖4所示。

LPC11C24的編程調(diào)試有兩種方式，分別是JTAG和SWD調(diào)試。JTAG調(diào)試需要占用IO口多，標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口為20P， SWD調(diào)試只需5根線，分別是電源、地、復(fù)位、數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線。JTAG接口占用電路板面積大，氣體報(bào)警探測(cè)器要求盡可能的縮小體積，所以選用SWD調(diào)試方式。其電路圖如圖5所示。

圖3　MC105型催化元件傳感器測(cè)試電路

圖4　24C02電路圖

圖5　SWD調(diào)試接口

氣體報(bào)警控制器硬件設(shè)計(jì)

氣體報(bào)警控制器處理器為Cortex-M3 內(nèi)核的STM32F107VCT6，支持CAN通訊。氣體報(bào)警控制器主要完成數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢、報(bào)警輸出等功能。

圖6　報(bào)警控制電路圖

數(shù)據(jù)顯示采用256*128點(diǎn)陣液晶，能顯示多路探測(cè)頭的當(dāng)前采用數(shù)據(jù)，歷史報(bào)警數(shù)據(jù)等，采用4個(gè)獨(dú)立按鍵，能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢操作和設(shè)置報(bào)警閥值。

報(bào)警器采用LC246芯片，LC246是四模擬聲報(bào)警集成電路，能根據(jù)AD采樣結(jié)果發(fā)出不同頻率的報(bào)警聲，表示氣體泄漏的不同程度。其中，第3腳OSC_1與第6腳OSC_2為外接振蕩電阻端，第7腳SL_1、第八腳SL_2為選聲端，選聲端接不同電平，可分別產(chǎn)生警車聲、救護(hù)車聲、消防車聲和短促的報(bào)警聲；NC為空腳端；Vss為電源負(fù)端，Vcc為電源正端。其控制電路如圖6所示。

氣體報(bào)警控制器與氣體報(bào)警探測(cè)器探頭之間采用CAN通訊，STM32F107VCT6內(nèi)部已集成CAN收發(fā)器，我們只需要通過CAN_H和CAN_L與氣體報(bào)警探測(cè)器探頭CAN總線相連即可。

結(jié)語

基于STM32的CAN總線式燃?xì)鈭?bào)警器的設(shè)計(jì)，與之前傳統(tǒng)的基于485總線的燃?xì)鈭?bào)警器有明顯的改進(jìn)與提高，485總線抗干擾能力差，一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，而CAN總線有CAN控制器，可以對(duì)總線任何錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)，都會(huì)向總線發(fā)送信息，告訴其他節(jié)點(diǎn)這個(gè)數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的，有效的保護(hù)總線通訊?；赟TM32的CAN總線式燃?xì)鈭?bào)警器的設(shè)計(jì)能迅速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情和發(fā)送報(bào)警信息，有限的保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.037