摘要：本應(yīng)用筆記介紹了一個(gè)基于MAXQ3210 RISC微控制器的報(bào)警系統(tǒng)，外部光電傳感器作為報(bào)警觸發(fā)裝置。當(dāng)光束被阻斷時(shí)會(huì)發(fā)出音頻報(bào)警信號。本文討論了不同的光電檢測模式和性能參數(shù)。提供匯編程序源代碼和PCB Gerber文件。

概述

在光束被阻斷時(shí)發(fā)出音頻報(bào)警信號，由此可以設(shè)想出大量有趣的應(yīng)用。本應(yīng)用筆記介紹了一個(gè)這樣的系統(tǒng)。利用MAXQ3210微控制器和內(nèi)置壓電揚(yáng)聲器/換能器驅(qū)動(dòng)器，只需少量外部元器件即可實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)。

可以利用市場上出售的光電傳感器模塊作為報(bào)警系統(tǒng)輸入。光傳感器有很多類型，本文討論如何針對具體應(yīng)用選擇最佳的傳感器。采用墻上適配器為系統(tǒng)供電。

MAXQ3210 RISC微控制器是系統(tǒng)的核心，只需很少的外圍器件。利用一個(gè)小型3引腳壓電音頻揚(yáng)聲器產(chǎn)生報(bào)警；所有電子電路由線性穩(wěn)壓器供電，只有光電模塊直接由外部電源供電，圖2所示為這個(gè)系統(tǒng)的原理圖。采用兩層印刷電路板(PCB)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)布線，可下載(ZIP) PCB的Gerber文件，文件還包括源代碼，相應(yīng)的項(xiàng)目文件以及針對本應(yīng)用的可裝載十六進(jìn)制文件。

本系統(tǒng)的開發(fā)軟件用MAXQ?匯編語言編寫，開發(fā)工具為MAX-IDE版本1.0。MAX-IDE提供基于Windows?的免費(fèi)開發(fā)環(huán)境，為MAXQ系列處理器提供了一整套的開發(fā)工具。

本應(yīng)用的固件開發(fā)基于MAXQ3210評估板硬件平臺(tái)。評估板為驗(yàn)證固件提供了方便可靠的平臺(tái)。評估板和MAX-IDE工具提供了完整的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境。

應(yīng)用

防盜報(bào)警是本文介紹的光束報(bào)警系統(tǒng)的常見應(yīng)用。當(dāng)入侵者通過受光傳感器保護(hù)的入口通道時(shí)，他們會(huì)阻斷光束，由此引發(fā)報(bào)警。如果空氣中產(chǎn)生光反射的雜質(zhì)非常少，光束為不可見，因此，在入侵者意識到傳感器報(bào)警之前光束就已經(jīng)被阻斷。這種系統(tǒng)可以用來通知商場值班人員有人進(jìn)入。傳感器也可以用來對某個(gè)人或某個(gè)東西(例如寵物所處的某個(gè)區(qū)域)進(jìn)行監(jiān)控。將傳感器放置在這個(gè)區(qū)域的入口處，光束在被阻斷之前不會(huì)被人們所察覺。例如，如果把傳感器放置在廚房的工作臺(tái)上，警報(bào)聲就可以防止家庭寵物跳上工作臺(tái)。

在商場內(nèi)，這個(gè)報(bào)警系統(tǒng)可以用來檢測運(yùn)行中的傳送帶上的物品。將接收器或反射器放在相對的位置，當(dāng)有物體通過并遮擋光束時(shí)就會(huì)響起警報(bào)。如果傳送帶上的物品大小不一，那么傳感器可以設(shè)置為只有最大的物品阻斷光束。對于一個(gè)更復(fù)雜的系統(tǒng)，在傳送帶的不同高度安裝不同的傳感器即可區(qū)分出所通過物品的不同尺寸。如果物體外形足夠大，并且有足夠的反射強(qiáng)度，那么他們就可以向接收器反射足夠的光強(qiáng)，觸發(fā)傳感器。對軟件稍做改動(dòng)，報(bào)警系統(tǒng)就可以改造成當(dāng)傳送帶停止時(shí)觸發(fā)報(bào)警，甚至可以用來對物品進(jìn)行計(jì)數(shù)。

由此可見，光束報(bào)警系統(tǒng)有著廣泛應(yīng)用，各式各樣的應(yīng)用大大超出了使用者的想象。本文介紹的報(bào)警系統(tǒng)是一個(gè)通用設(shè)計(jì)，適用于很多場合，以它為基礎(chǔ)也可以針對某個(gè)特定應(yīng)用完成更加獨(dú)特的系統(tǒng)。

光電傳感器

光電傳感器中，光源和發(fā)射器會(huì)產(chǎn)生一束能夠由光敏器件即接收器檢測到的光信號。光源通常是LED模塊，與驅(qū)動(dòng)電路和光學(xué)部分封裝在一起。接收器包含放大、解調(diào)電路，以及相關(guān)的光接收電路。為了適應(yīng)不同場合的應(yīng)用，市場上出售的模塊有很多類型的配置。比如，傳感器可以設(shè)計(jì)為有物體時(shí)或沒有物體時(shí)觸發(fā)報(bào)警；它們可以設(shè)計(jì)成由特定類型(而非任意類型)的表面反射觸發(fā)報(bào)警；可以聚焦定位于非常精細(xì)的物體，例如：一條細(xì)線，也可以散射覆蓋較大的區(qū)域或大尺寸物體。如此廣泛的應(yīng)用，要求設(shè)計(jì)人員需要謹(jǐn)慎地挑選光電傳感器。以下討論了一些影響傳感器選擇的因素。

檢測模式

光電傳感器的檢測模式通常分為三大類型：對射式、回射式和散射式。對射模式檢測也稱為“透光”，光發(fā)射器和接收器位于不同的封裝中，放置在相對的位置，來自發(fā)射器的光束直接進(jìn)入接收器。當(dāng)有物體阻隔光束時(shí)就會(huì)被檢測到?；厣淠Ｊ街校彩窃诠馐蛔钄鄷r(shí)檢測到有物體侵入。但在這種模式下，發(fā)射器和接收器位于同一個(gè)封裝內(nèi)。一個(gè)特殊的反射體(回射)將來自發(fā)射器的光束返回到接收器。鏡子只能在與光束垂直時(shí)才能夠把光束反射到光源，回射設(shè)備無論入射角度如何(當(dāng)然有一定限制)都可以將光束反射到光源。這種單一封裝的配置將回射式傳感器的電子電路合并在一起，減少了一個(gè)封裝及附帶電纜。散射式檢測也稱為鄰近模式，發(fā)射器和接收器都位于同一封裝，但光束由被檢測物體反射。這種模式通常用在目標(biāo)反射較強(qiáng)和反射面足夠大的場合，使得大部分發(fā)射光被反射到傳感器。

光學(xué)裝置

用在某個(gè)特定傳感器的光學(xué)器件會(huì)顯著影響具體應(yīng)用的有效性。典型的散射檢測模式，采用最少的光學(xué)器件即可得到一個(gè)寬泛的發(fā)射模板，接收器也具備一個(gè)寬泛的視角。一種特殊情況是聚焦模式檢測，需要采用另一種光學(xué)器件產(chǎn)生聚焦光束，限定在一個(gè)精確的檢測區(qū)域。這種方法可以在物體沒有足夠反射強(qiáng)度時(shí)發(fā)現(xiàn)到物體。如果空間受限，光纖或光纖波束可以用來在發(fā)射器和接收器間傳導(dǎo)光能量。需要在腐蝕性極強(qiáng)的環(huán)境中探測物體時(shí)也可以使用光纖，因?yàn)橥ǔＷ鳛楣饫w材料的玻璃可以承受較高溫度，并具有較強(qiáng)的耐腐蝕性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光電傳感器。

傳感器輸出

光電傳感器的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是輸出類型。根據(jù)設(shè)備配置，當(dāng)檢測到光束(“有光”)或檢測到光束消失(“無光”)時(shí)，接收器可以產(chǎn)生有效的報(bào)警輸出。當(dāng)接收器輸出報(bào)警時(shí)，可以拉高至電源電壓(源出電流)，稱為“PNP輸出”，或拉低至地電平(吸電流)，稱為“NPN輸出”。有些設(shè)備提供用戶可選的有光或無光檢測，同時(shí)具有PNP和NPN輸出。

波長

傳感器的發(fā)射光的顏色或波長也是一個(gè)顯著特征，可以根據(jù)發(fā)射光的波長為特定應(yīng)用選擇傳感器，待測物體可能在某個(gè)波長具有較強(qiáng)的反射或吸收能力。大部分標(biāo)準(zhǔn)傳感器采用的波長位于可見光光譜的高端(紅光 = 650nm)或紅外光譜的低端(紅外線 = 880nm)。

調(diào)制

為了降低干擾光源的影響，通常會(huì)對光源進(jìn)行調(diào)制。然后將調(diào)制信號作用在接收器，濾除多余信號。典型調(diào)制頻率在幾千赫茲，這個(gè)頻率將直接影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

距離

光電傳感器的有效距離在幾厘米到幾百米。對射檢測模式的距離通常是回射或散射模式檢測的10倍。有些發(fā)射器利用透鏡校準(zhǔn)光束，例如，使光束平行并且提高光束密度，由此提高檢測距離。有些發(fā)射器則利用光的自然散射特性覆蓋更大區(qū)域。但是，由于散射作用，這種發(fā)射器的檢測距離一般更短。一般情況下，回射檢測系統(tǒng)的有效檢測距離是簡單反射架構(gòu)的4倍。需要檢測距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以使用激光源。因?yàn)榧す庠诎l(fā)射時(shí)具有最小的光束擴(kuò)散，發(fā)射器的大部分能量被返回至接收器。有些應(yīng)用中，待測物體表面的反射能力較強(qiáng)，可以采用偏振反射器。這種情況下，返回傳感器的任何非偏振光都是待測物體的反射波。

附加增益

任何光電傳感器都有一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，即附加增益，用于推算傳感器特定環(huán)境的可靠性。特別是，該參數(shù)也是衡量接收器靈敏度的一個(gè)指標(biāo)，即檢測出光能量高于最低門限的信號，并產(chǎn)生有效報(bào)警輸出的能力。附加增益的范圍從潔凈空氣環(huán)境，鏡頭和反射器上沒有灰塵情況下的1.5，到骯臟環(huán)境下，存在大量煙塵、霧或灰塵污染的50甚至更大。

系統(tǒng)傳感器舉例

這里給出的實(shí)例中所使用的光電傳感器是Keyence? PZ-G61B，圖1所示為傳感器、PCB和發(fā)射器。該傳感器設(shè)計(jì)用于多種不同應(yīng)用的回射檢測。傳感器提供用戶可調(diào)節(jié)增益，同時(shí)提供PNP和NPN輸出報(bào)警信號。在這個(gè)示例中，觸發(fā)報(bào)警時(shí)，PNP輸出將模塊電源(本例中為+12V直流)切換到輸出端。傳感器也提供用戶可選的雙擲開關(guān)，用來設(shè)置無光或有光報(bào)警。本應(yīng)用中，傳感器置為無光報(bào)警。采用特定的反射器，Keyence PZ-G61B的有效檢測距離為0.3英尺到13.8英尺(0.1m到4.2m)。示例中，反射器為Keyence OP-84219 R-2L，2in x 2in回射區(qū)域。


圖1. PCB、傳感器和發(fā)射器

電路框圖

本設(shè)計(jì)的電路框圖如圖2所示。圖中，利用PZ-G61B傳感器和MAXQ3210微控制器構(gòu)建的系統(tǒng)只需很少的外部元器件。12V墻上適配器為系統(tǒng)供電。由于傳感器和微控制器具有不同的供電電源要求，另外選擇了一個(gè)穩(wěn)壓器。光電傳感器規(guī)定的供電電源是：10V至30V DC ±10%，MAXQ3210的最大電源電壓是9.5V。兩個(gè)器件采用同一電源供電將使會(huì)達(dá)到指定規(guī)格的極限，沒有任何裕量。因此，PCB上采用了一個(gè)穩(wěn)壓器來產(chǎn)生微控制器的5V供電。5V線性穩(wěn)壓器(7805)能夠把外部12V電源輸入降至微控制器所要求的5V。通過短接MAXQ3210的數(shù)字電源輸入(VDD，引腳17)與穩(wěn)壓器輸出(REGOUT，引腳18)，可禁用內(nèi)部穩(wěn)壓器。

進(jìn)行原型測試時(shí)，需要注意本方案中使用了一個(gè)非穩(wěn)壓型電源，材料清單中列出的輸出電壓明顯高于12V標(biāo)稱值?？蛰d時(shí)，輸出電壓近似為16V。因?yàn)?6V還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5V穩(wěn)壓器的最大額定值，所以在滿負(fù)荷時(shí)只會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓器有一點(diǎn)發(fā)熱。因?yàn)闆]有封閉穩(wěn)壓器，它處于一個(gè)暴露環(huán)境，因此對于本應(yīng)用來說，發(fā)熱不是問題。但在特殊環(huán)境下，可能需要考慮散熱問題。在TO-220穩(wěn)壓器封裝上增加一個(gè)散熱片即可解決這個(gè)問題。也可以使用價(jià)格較高的穩(wěn)壓型12V電源。由于電路板功耗很低，無論哪種方式都會(huì)保證5V穩(wěn)壓器的溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。

本設(shè)計(jì)中，光電傳感器輸出通過n溝道FET緩沖后進(jìn)入微控制器輸入引腳。這種方式能夠保護(hù)微控制器，使其免受遠(yuǎn)端傳感器電纜引入到電路板的ESD沖擊。如果的確存在破壞性的ESD沖擊，可能需要更換FET，而不需要替換微控制器。這一緩沖保護(hù)只需花費(fèi)很低的成本，并且還可獲得額外益處，即能夠隔離12V傳感器輸出信號和出現(xiàn)在微控制器輸入引腳的5V信號電平。

為了產(chǎn)生聲音報(bào)警，系統(tǒng)使用了CUI CEP-1172壓電音頻揚(yáng)聲器。該器件的最小聲壓電平為81db (30cm，12V DC供電)，諧振頻率約為3.3kHz。由于本系統(tǒng)中MAXQ3210產(chǎn)生一個(gè)接近5V的揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)信號，所以揚(yáng)聲器會(huì)產(chǎn)生很高的報(bào)警聲，足以吸引人們的注意力。配合幾個(gè)無源器件(兩個(gè)電阻和一個(gè)電容)即可使MAXQ3210產(chǎn)生引人注意的聲音等級。


圖2. 電路板原理圖

固件詳細(xì)說明

本應(yīng)用中的固件很簡單，包含硬件初始化、主程序循環(huán)和幾個(gè)子程序的匯編源文件(LightBeamAlarm.asm)。光傳感器的PNP輸出通過FET連接至處理器的P0.0端口，由軟件讀取信號電平。如果傳感器輸出報(bào)警，就會(huì)響起警報(bào)聲。

為了產(chǎn)生報(bào)警聲，子程序會(huì)使壓電揚(yáng)聲器處于“間歇”狀態(tài)，由固定的開、關(guān)時(shí)間驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)確定開、關(guān)時(shí)間，并主觀選擇盡可能吸引人們注意力的報(bào)警聲。無論光傳感器輸出報(bào)警信號是否短暫，揚(yáng)聲器都會(huì)間歇地發(fā)出五個(gè)周期的報(bào)警。如果傳感器的報(bào)警輸出時(shí)間比五個(gè)間歇周期長，揚(yáng)聲器會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生另外五個(gè)報(bào)警周期，直到傳感器報(bào)警解除為止。

作為“系統(tǒng)運(yùn)行狀況”的指示器，一個(gè)LED會(huì)處于閃爍狀態(tài)。利用處理器P0.7引腳的大電流驅(qū)動(dòng)能力直接驅(qū)動(dòng)LED。處理器的定時(shí)器2每個(gè)0.5s產(chǎn)生一次超時(shí)報(bào)警，并產(chǎn)生相應(yīng)的中斷。中斷服務(wù)程序觸發(fā)連接LED的端口引腳(P0.7)。

利用軟件定時(shí)循環(huán)產(chǎn)生延遲時(shí)間，延遲間隔可調(diào)。設(shè)置延時(shí)周期的參數(shù)通過未使用的累加器傳遞給子程序。延時(shí)周期可以控制上述間歇的開、關(guān)時(shí)間。

結(jié)論

本應(yīng)用筆記介紹了一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)，在光束阻斷時(shí)產(chǎn)生報(bào)警。系統(tǒng)采用已經(jīng)商用的光發(fā)射器和接收器對，通過反射器將發(fā)射光返回至接收器。該系統(tǒng)僅需少數(shù)元器件，充分利用了MAXQ3210微控制器的內(nèi)部資源，比如壓電揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器、LED驅(qū)動(dòng)端口等。軟件可以方便地放置在處理器的2kB內(nèi)置EEPROM存儲(chǔ)器，利用墻上適配器電源為電路板的5V穩(wěn)壓器供電。