基于ARM的嵌入式智能光电感烟探测器设计

2013-10-18刘彦磊徐霁堂魏连荣许珊天津渤海职业技术学院电气工程系天津300402

天津科技 2013年4期

刘彦磊徐霁堂魏连荣许珊（天津渤海职业技术学院电气工程系天津 300402)

随着人们防火意识的增强，越来越多的建筑物、学校、医院、商城等公共场所都安装了火灾报警系统，能够提早报警来预防火灾对生命财产造成的重大损失。火灾探测器是火灾自动报警系统的关键设备，安装于各个建筑防护区，时刻监视着火灾的发生。由于目前各种探测器存在着对火灾报警不及时、误报率高、数据处理速度慢等问题，针对这些不足，设计了一种全新的嵌入式智能光电感烟探测器，进一步提高光电探测器的处理速度，减少误报率，为火灾报警控制器减轻负担。

1 系统硬件设计

1.1 原理框图

光电感烟探测器是利用光的反射原理来检测空气中烟雾的浓度，从而对火灾作出反应，其反应快，报警迅速。

图1 硬件原理图

探测器主要是由迷宫1、迷宫2、发射管、接收管及线路板组成。在监控状态下，发射管发出的红外光，只有少部分经迷宫反射后被接收管吸收。当有烟雾进入探测区时，由于烟雾粒子的反射，接收管吸收的光通量将增加，进入接收管的光信号被接收管转换成电信号，并经放大电路放大，当烟雾达到一定浓度时，接收元件收到的光信号达到预定的阈值，通过总线向控制器输出报警信号。原理框图如图1所示。

图1中，总线收码及回码电路实现通讯功能，并且提供电源输入。稳压电源将总线的输入电源转换为稳定的+5V输出，为其他电路提供电源输入。发射控制及发射电路完成信号的发射功能。分时供电及接受放大电路实现现场信号的输入功能。微处理器实时处理时钟电路控制着其他电路，并处理采集到的现场数据。

1.2 硬件电路组成图

1.2.1 整流电路由 RV1、R1、R2、VD1、VD2、VD3、VD4等组成，如图2所示。

图2 整流电路

其中RV1为压敏电阻，压敏电阻是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件，普通电阻器遵守欧姆定律，而压敏电阻器的电压与电流则呈特殊的非线性关系。当压敏电阻器两端所加电压低于标称额定电压值时，压敏电阻器的电阻值接近无穷大，内部几乎无电流流过。当压敏电阻器两端电压略高于标称额定电压时，压敏电阻器将迅速击穿导通，并由高阻状态变为低阻状态，工作电流也急剧增大。当其两端电压低于标称额定电压时，压敏电阻器又能恢复为高阻状态。当压敏电阻器两端电压超过其限制电压时，压敏电阻器将完全击穿损坏，无法再自行恢复。其作用起过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪、保护半导体元器件等作用。R1、R2起到电流保护的作用。VD1、VD2、VD3、VD4为 4个二极管，利用二极管的单相导通性质，从而达到整流的目的。

1.2.2 稳压电路由 VD5、R12、C10、D2（HT7150-1）等组成稳压电路，为探测器提供电源。

VD5的作用是利用二极管的单相导通性质防止电流反射波的作用，R12起到阻抗匹配的作用从而防止电流产生的反射波。C10起到滤波作用。D2（HT7150-1）是采用COMS技术的三端低功耗高电压稳压器。允许输入电压可达24V。理论上输出从3.85～5.15V的电压，即和外围器件一起使用能输出可变的电压和电流。

1.2.3 收码电路由 R4、R6、R7、R8、C9、VD6、VT2等组成。

1.2.4 回码电路由C11、R5、R3、VD7、VT1等组成。

编码标准为：地址编码采用五位三进制，接收到的五位地址顺序为A1～A5。当任一位地址为0时，INT（该产品中CPU的11脚）判断的接收结果为00；当任一位地址为1时，INT判断的接收结果为10；当任一位地址为2时，INT判断的接收结果为11。“1”为两个宽脉冲，“0”为两个窄脉冲，开路为1个宽脉冲和一个窄脉冲，振荡周期为61μs。编程时，宽脉冲的脉宽范围为213±5μs，窄脉冲的脉宽范围为30±4μs，一位编码位的脉宽范围为488±2μs，具体编码情况如图3。

图3 编码情况图

1.2.5 光电信号发射电路由VT4、R19、R20、VD9及外围组件组成。

红外线发射管是一种发射波长在940nm左右的，人眼不可见的光线。如在其两端通以电流，就可发射出红外线。红外发射管一般有两种调制工作方式，其一为恒定直流供电，其二为脉冲直流供电。前者发出的红外线光强度弱，易受干扰，后者发出的光线强度高，且稳定。R20为限流保护电阻。

1.2.6 光电信号接收及信号放大电路由 C1、C2、C5、C7、LM324组成光电接收电路如图4所示。

图4 接收及信号放大电路

1.2.7 LPC2103微处理器 ARM7结构的LPC2103作为主控制器，该控制器是一种32位的ARM7TDMI-S微控制器，最高工作速度可达70MHz，32kB的片内FLASH程序存储器和8k的片内静态RAM。LPC2103的10位A/D转换器提供8路模拟输入，多达32个通用I/O口（可承受5V电压），高级性能还使它特别适用于工业控制。

1.3 电路工作过程

正常工作时，总线电压经过整流后高电平将导致VT2处于饱和导通状态，将CPU11脚电压拉低，这样通过控制VT2导通的时间长短向CPU发码，同样CPU10脚也发出脉冲，通过控制VT1导通时间向总线发码。CPU8脚发出5V脉冲使VT3导通，将VT4基极电压拉低使VT4导通，这时发射管两端将产生1V左右压降，使发射管发出红外光，接收管受不同强度光照射将产生不同的电流，转换成电压信号进入LM324进行两次放大。CPU6脚分时向LM324提供5V电压作为工作电压，所得到的模拟量信号被输入到CPU的AD转换端，当有烟雾时模拟量信号超过预设值，CPU发出正常时两倍的脉宽报警。

2 软件实现

在设计过程中采用模块化的思想，整个系统由电源控制模块、数据处理模块、电路驱动模块、总线通讯模块等组成。系统软件设计的结构图如图5所示。

图5 系统软件设计流程图

主程序首先对微处理器进行初始化处理，对微处理器的参数进行配置；自检模块完成对各个外围硬件电路和总线通信模块是否正常的监测，如有故障就进行报警处理；通信模块主要完成火灾报警控制器和本系统的通讯联系，向本系统发送控制命令和接受来自本系统的报警信号及其他信号；数据处理模块主要完成对感烟探测器监测信号的采集，并对采集的信号进行模数转换，完成后送各微处理器进行处理，把处理完的信号通过通讯总线送火灾报警控制器；电路驱动模块主要完成探测器硬件电路的驱动，报警指示灯的点亮和熄灭功能。