基于ARM的嵌入式智能光電感煙探測器設計

劉彥磊 徐霽堂 魏連榮 許珊 （天津渤海職業技術學院電氣工程系 天津 300402)

隨著人們防火意識的增強，越來越多的建筑物、學校、醫院、商城等公共場所都安裝了火災報警系統，能夠提早報警來預防火災對生命財產造成的重大損失。火災探測器是火災自動報警系統的關鍵設備，安裝于各個建筑防護區，時刻監視著火災的發生。由于目前各種探測器存在著對火災報警不及時、誤報率高、數據處理速度慢等問題，針對這些不足，設計了一種全新的嵌入式智能光電感煙探測器，進一步提高光電探測器的處理速度，減少誤報率，為火災報警控制器減輕負擔。

1 系統硬件設計

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，從而對火災作出反應，其反應快，報警迅速。

圖1 硬件原理圖

探測器主要是由迷宮1、迷宮2、發射管、接收管及線路板組成。在監控狀態下，發射管發出的紅外光，只有少部分經迷宮反射后被接收管吸收。當有煙霧進入探測區時，由于煙霧粒子的反射，接收管吸收的光通量將增加，進入接收管的光信號被接收管轉換成電信號，并經放大電路放大，當煙霧達到一定濃度時，接收元件收到的光信號達到預定的閾值，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通訊功能，并且提供電源輸入。穩壓電源將總線的輸入電源轉換為穩定的+5V輸出，為其他電路提供電源輸入。發射控制及發射電路完成信號的發射功能。分時供電及接受放大電路實現現場信號的輸入功能。微處理器實時處理時鐘電路控制著其他電路，并處理采集到的現場數據。

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半導體元件，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系。當壓敏電阻器兩端所加電壓低于標稱額定電壓值時，壓敏電阻器的電阻值接近無窮大，內部幾乎無電流流過。當壓敏電阻器兩端電壓略高于標稱額定電壓時，壓敏電阻器將迅速擊穿導通，并由高阻狀態變為低阻狀態，工作電流也急劇增大。當其兩端電壓低于標稱額定電壓時，壓敏電阻器又能恢復為高阻狀態。當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。其作用起過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪、保護半導體元器件等作用。R1、R2起到電流保護的作用。VD1、VD2、VD3、VD4為 4個二極管，利用二極管的單相導通性質，從而達到整流的目的。

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

VD5的作用是利用二極管的單相導通性質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生的反射波。C10起到濾波作用。D2（HT7150-1）是采用COMS技術的三端低功耗高電壓穩壓器。允許輸入電壓可達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。

編碼標準為：地址編碼采用五位三進制，接收到的五位地址順序為A1～A5。當任一位地址為0時，INT（該產品中CPU的11腳）判斷的接收結果為00；當任一位地址為1時，INT判斷的接收結果為10；當任一位地址為2時，INT判斷的接收結果為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 光電信號發射電路 由VT4、R19、R20、VD9及外圍組件組成。

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

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結構的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70MHz，32kB的片內FLASH程序存儲器和8k的片內靜態RAM。LPC2103的10位A/D轉換器提供8路模擬輸入，多達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控制。

1.3 電路工作過程

正常工作時，總線電壓經過整流后高電平將導致VT2處于飽和導通狀態，將CPU11腳電壓拉低，這樣通過控制VT2導通的時間長短向CPU發碼，同樣CPU10腳也發出脈沖，通過控制VT1導通時間向總線發碼。CPU8腳發出5V脈沖使VT3導通，將VT4基極電壓拉低使VT4導通，這時發射管兩端將產生1V左右壓降，使發射管發出紅外光，接收管受不同強度光照射將產生不同的電流，轉換成電壓信號進入LM324進行兩次放大。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轉換端，當有煙霧時模擬量信號超過預設值，CPU發出正常時兩倍的脈寬報警。

2 軟件實現

在設計過程中采用模塊化的思想，整個系統由電源控制模塊、數據處理模塊、電路驅動模塊、總線通訊模塊等組成。系統軟件設計的結構圖如圖5所示。

圖5 系統軟件設計流程圖

主程序首先對微處理器進行初始化處理，對微處理器的參數進行配置；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測，如有故障就進行報警處理；通信模塊主要完成火災報警控制器和本系統的通訊聯系，向本系統發送控制命令和接受來自本系統的報警信號及其他信號；數據處理模塊主要完成對感煙探測器監測信號的采集，并對采集的信號進行模數轉換，完成后送各微處理器進行處理，把處理完的信號通過通訊總線送火災報警控制器；電路驅動模塊主要完成探測器硬件電路的驅動，報警指示燈的點亮和熄滅功能。

3 結束語

該系統采用具有高速數據處理的ARM7處理器為硬件平臺，同時采用了更加智能的算法，軟件設計采用模塊化設計思想，提高了系統的可靠性和準確率。該系統已進行實驗測試，實際應用表明該測試系統具有準確率高、功耗低、設計簡單、數據處理速度快等特點，達到了設計要求。■

[1]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005:6-10.

[2]劉彥磊，石維佳.基于ARM冷鐓機變頻自動控制系統研究[J].電機與控制應用，2012，39（2）：36-37.

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