基于单片机STC12C5A48S2的智能消防水炮控制器设计

2015-04-28张素玲

中国教育技术装备 2015年16期

◆张素玲

作者：张素玲，潍坊科技学院汽车工程学院（262700）。

1 引言

大空间高层类建筑布局复杂，人员相对密集，容易发生火灾。一旦发生火灾，火势发展迅速，人员疏散比较困难，从而导致火灾扑救非常困难。当发生火灾时，智能消防水炮可以自动寻找火源，并对准火源定位喷水灭火，第一时间对火灾进行有效控制，甚至扑灭火灾[1]。

本研究以STC12C5A48S2单片机为核心，开发一款功能完备、设计简单、稳定性强的智能消防水炮控制器，尽可能减少人身与财产损失，实用性强。

2 系统基本功能

智能消防水炮综合运用紫外和红外传感器技术，当一级紫外探测装置发现火灾，将信号传送给单片机STC12C5A48S2，单片机对信号进行处理分析，从而启动水平电机顺时针360°范围内转动，进行二级红外水平探测：如果水平红外探测器探测到火灾，那么水平定位，单片机启动垂直电机进行三级红外垂直探测；如果垂直红外探测器探测到火灾，那么垂直定位，联动控制外围设备进行射水灭火[2]。功能框图如图1所示。

图1 系统功能框图

3 硬件系统设计

控制器以宏晶公司的STC12C5A48S2为核心，该芯片抗干扰能力强，具有1280字节的RAM、48 K的FLASH、12 K的EEPROM、内部看门狗、掉电检测、10路10位AD和四种设置的I/O口等功能[3]。采用该型号单片机，不仅外部电路设计简单，而且性能能够得到保证。

1）PYD-1220D热释电红外探测器是性能优良的热敏探测器，用于明火探测。图2中热释电红外探测器（JHS1）的输出电压一般为毫伏级，选用LM358对其进行三级运算放大，然后由单片机进行采样处理[4]。首先，CA4是旁路电容，RA7、RA5和IC1A组成一级放大，RA7与RA5的比值决定了一级交流放大增益，即G=1+RA7/RA5，10倍左右。其次，RA9、RA6和IC1B组成二级反向放大，RA9与RA6决定了二级放大增益，即G=-RA9/RA6，18倍左右。最后，RA11、RA10和IC1C组成三级反向放大，RA11与RA10决定了三级放大增益，即G=-RA11/RA10，10倍左右。通过计算可以得出，电路总放大增益为1800倍左右。

图2 红外A/D采样电路设计图

图3 通讯电路设计图

2）智能消防水炮的电机驱动电路，是一款高性能电机驱动电路，采用东芝公司的两相混合式步进电机驱动芯片TH6560进行设计，具有低功耗、高集成度等特点，可以支持不同参数的步进电机。芯片内置温度保护电路及过流保护电路，当芯片过热或者电机电流过大时，能够进行有效的保护。通过单片机控制，可以实现整步、1/2细分、1/8细分、1/16细分等运行方式。步进电机运行速度越快，力矩越小。水炮寻找火源的过程不喷射水流，负载较轻，步进电机此时采用整步的运行方式，水炮定位后，开始喷射水流灭火，后期摆动扑灭周围的余火时，由于负载较重，步进电机此时采取1/8细分的运行方式。

3）图3中智能消防水炮的通讯电路设计，采用RS485专用通讯芯片MAX1487来设计。RS485总线采用抗瞬变二极管Z3，可以钳位与泄放瞬变电压，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。通讯电路与单片机的控制电路之间，收发数据使能端选用光耦TLP521进行隔离，数据收发端采用光耦6N137进行电气隔离。

4 程序设计

1）主循环程序设计。系统初始化完毕，紫外探测器就一直查找火源，如果查找到火源，则水炮预警，预警指示灯点亮。水平电机运动，水平红外探测器开始查找火源，如果未查找到火源，水平限位到，那么水炮进行初始化复位；如果查找到火源，则水平电机停止运动，垂直电机运动，垂直红外探测器开始查找火源；如果垂直红外探测器未查找到火源，垂直限位到，水炮进行初始化复位；如果查找到火源，则水炮定位，发出声光报警信号，并开启阀门进行喷水灭火。根据国标要求，作为喷射型灭火产品，灭火时间暂定为3分钟，时间未到则继续喷水灭火；如果时间到，并且红外探测器未发现火源，则关闭阀门停止喷水灭火。

2）中断服务程序主要有串口接收中断和定时器中断。串口接收中断主要负责上位机与智能水炮间的RS485通讯。定时器中断是在程序中设计了个10 ms的时基，其他定时均在此基础上进行。使能步进电机驱动芯片，定时器每中断一次，都会给步进电机一个脉冲驱动信号。智能水炮指示灯为每秒闪亮一次，是通过此定时器的中断计数来实现的。