單片機(jī)控制的電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u13496單片機(jī)控制的電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)案例概述 185261.1監(jiān)控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)框圖 1202651.2監(jiān)控設(shè)備控制芯片 2192491.2.1PIC18F46K22SCM特點(diǎn) 2258581.2.2PIC18F46K22引腳分配 2209331.3現(xiàn)場總線電路設(shè)計(jì) 3289361.3.1RS-485通信芯片選擇 3261281.1.2總線電路設(shè)計(jì) 4174591.3.3穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 543591.3.4光耦抗干擾電路 5225271.4以太網(wǎng)模塊 743991.4.1以太網(wǎng)擴(kuò)展方案的選擇 7143451.4.2以太網(wǎng)模塊接口電路設(shè)計(jì) 856761.5觸摸屏模塊設(shè)計(jì) 9260751.5.10CM640480T560觸摸屏介紹 9209841.5.2觸摸屏幕接口電路設(shè)計(jì) 101.1監(jiān)控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)框圖為了滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中對電氣火災(zāi)監(jiān)控裝置的要求，并提出了一定的革新功能，本課題設(shè)計(jì)的電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備硬件的框圖如圖3-1所示。該系統(tǒng)包含U盤存儲模塊、以太網(wǎng)模塊、觸摸屏模塊、RS-485通信電路、電源電路、報(bào)警輸出電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路等。上述模塊與監(jiān)控設(shè)備的芯片連接。上述模塊中的觸摸屏幕模塊和RS-485通信電路均需要通過USART與主機(jī)中央處理器通信；以太網(wǎng)模塊、U盤存儲模塊則是要通過SPI與主機(jī)中央處理器通信，其中串口以太網(wǎng)模塊是通過一片PIC16F877A通過SPI為主機(jī)中央處理器擴(kuò)展了一路串口，再使用USART與PIC16F877A連接。為滿足上述要求，主機(jī)中央處理器至少有兩個(gè)USART模塊和SPI模塊，經(jīng)過篩選PIC18F46K22滿足這一要求，被選為主機(jī)中央處理器。監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)釆用分塊設(shè)計(jì)方法，接下來將對各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)經(jīng)過進(jìn)行詳細(xì)介紹與說明。圖3-1監(jiān)控設(shè)備原理框圖1.2監(jiān)控設(shè)備控制芯片1.2.1PIC18F46K22SCM特點(diǎn)目前市場上比較常見的微控制器主有51系列SCM、AVR系列SCM、PIC系列SCM、以ARM內(nèi)核的芯片、DSP等。結(jié)合本課題的要求，并考慮成本、功耗、穩(wěn)定性等多方面因素，選擇了Microchip公司的PIC系列SCM作為電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的主控芯片。8位PIC系列SCM分為基本、中檔、高檔3個(gè)等級系列。低檔級SCM價(jià)格比較低，適用于控制任務(wù)簡單、對成本價(jià)格敏感的低端產(chǎn)品；中檔SCM的型號種類最多，引腳和封裝選擇也比較多，適用的產(chǎn)品范圍比較廣泛。本課題選用的是高檔級中的PIC18系列SCM，該等級系列SCM指令長度為16位、程序存儲器大小從2K到64K不等，一定程度上可以取代某些DSP產(chǎn)品。綜合考慮本課題的在功能、功耗、性能、成本上的需要，選用了PIC18（L）F2X/4XK22系列SCM中的PIC18F46K22SCM作為監(jiān)控在主機(jī)的主控芯片。該款SCM除了具備8位PIC系列SCM的優(yōu)勢外，還具備如下特點(diǎn)：（1） 較大的存儲空間：數(shù)據(jù)EEPROM1024字節(jié)、程序存儲容量64KB、數(shù)據(jù)存儲容量3896字節(jié)。（2） 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模塊：高分辨率（10位），外部通道30路。（3） 功耗低：休眠典型值20nA,最高工作電壓5.5Vo（4） 同步串行口（MSSP）模塊：包括SPI、FC主從模式。（5） 雙路通用同步/異步收發(fā)器（EUSART）模塊：支持包括RS-485、RS-232自動波特率檢測等功能。（6） 可靠性高：可編程欠壓復(fù)位（BOR）：搭載軟件使能選項(xiàng)，在休眠模式下可以配置關(guān)閉；擴(kuò)展型看門狗定時(shí)器（WDT）：編程周期從4ms到131so1.2.2PIC18F46K22引腳分配本設(shè)計(jì)選取的是PIC18F46K22的40引腳的雙列直插式封裝，I/O資源豐富，引腳分配如圖3-2所示。端口RB2、RB3、RB5分別控制LED1、LED2和揚(yáng)聲器，用于監(jiān)控設(shè)備發(fā)岀聲光報(bào)警信號或者故障信號。RC6和RC7引腳為一路USART模塊，RC2引腳為使能端口，用來與RS-485通信電路相連。RD6和RD7為另一路USART模塊，與串口觸摸屏進(jìn)行通信。RDO、RD1、RD4和RD3引腳分別為SPI模塊的SCK、SDLSDO、SS引腳，分別對應(yīng)與PIC16F877A的SPI模塊引腳相連接。RC3、RC4、RC5和RA5引腳與U盤存儲模塊的SPI模塊相連。其中RB0引腳是PIC18F46K22的外部中斷輸入引腳，連接U盤存儲模塊的#INT引腳，用來判斷模塊處于什么工作狀態(tài)。RB6、RB7、RB3引腳用來在最終的電路中進(jìn)行串行編程。RA6和RA7引腳作為外部晶振接入端口，本設(shè)計(jì)選用晶振為16MHz。系統(tǒng)選用5V直流供電。圖3-2PIC18F46K22引腳分配圖1.3現(xiàn)場總線電路設(shè)計(jì)1.3.1RS-485通信芯片選擇現(xiàn)場總線已成為數(shù)據(jù)采集和分布式系統(tǒng)控制主從模式的主要發(fā)展方向。由于現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)是不限制的，不同廠家的工具可以相互通信。RS-485具有遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)，RS-485的理論傳輸距離可達(dá)1200m，最大數(shù)據(jù)傳輸速度為10MB/s，而且RS-485總線易于控制、擴(kuò)展、方便，一般在工程應(yīng)用中，芯片類型的選擇、接口電路的設(shè)計(jì)等因素將影響整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。在對總線通信依賴性強(qiáng)的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，接口電路的設(shè)計(jì)和從機(jī)的接線方式是非常重要的。本設(shè)計(jì)選用了MAXIM公司旗下MAX308X系列的RS-485總線通信芯片，該系列芯片的總線可接收發(fā)器個(gè)數(shù)多達(dá)256個(gè)。與本設(shè)計(jì)的性能需求相結(jié)合、傳輸速率、價(jià)格等因素選擇了其中的MAX3082,包含了3態(tài)輸出差分驅(qū)動器和3態(tài)輸入差分接收器的半雙工RS-485收發(fā)器。該芯片有著壓擺率限制和短路保護(hù)的特點(diǎn)。5V供電電源，傳輸速率可以達(dá)到115Kbps,從-40°C到+85°C的工業(yè)級產(chǎn)品工作溫度區(qū)域。MAX3082的引腳如圖3-3所示。引腳的功能如表3-1所示。圖3-3MAX3082引腳分配圖表3-1MAX3082引腳功能1.1.2總線電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，在A、B與總線之間串接了一個(gè)500mA的PTC自恢復(fù)保險(xiǎn)。一旦某部分發(fā)生了故障，PTC電阻會切斷其與總線的連接，保護(hù)了總線。此外與總線串接的電感，和總線與信號地間的電感能夠提高電路的EMI性能。設(shè)計(jì)的總線電路圖如圖3-4所示。圖3-4總線電路圖MAX3082輸入端對地的共模電壓允許范圍為-7V到+12V。在電氣火災(zāi)監(jiān)控器的實(shí)際應(yīng)用場合中，雷電、靜電放電、電源系統(tǒng)開關(guān)上引入的浪涌電壓會對總線進(jìn)行干擾，甚至芯片會被。因此在總線電路的設(shè)計(jì)中加入了抗浪涌的7.5V雙極性TVS瞬態(tài)雜波抑制二極管P6KE7.5CA,并且將其完好的接地，線路電壓一旦超過7.5V,器件就立刻形成低阻抗的通路，將會造成設(shè)備損害的大電流旁路到大地。1.3.3穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)由于工業(yè)控制現(xiàn)場的情況十分復(fù)雜，當(dāng)電壓比接收器的極限接收電壓還要大時(shí)，接收器就無法正常工作，甚至芯片會被損壞。本設(shè)計(jì)釆用了IB0505S直流電壓轉(zhuǎn)換模塊，該模塊隔離了電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的系統(tǒng)電源和MAX3082通信芯片的電源。IB0505S是隔離直流轉(zhuǎn)換器，輸出5V電壓，有著體積小、轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)。如圖3-5所示。電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備中的主機(jī)部分和通信總線部分由兩個(gè)電源完全獨(dú)立的供電，一個(gè)是SCM系統(tǒng)的供電電源Vcc，另一個(gè)總線部分的供電電源5V485,電壓都是5V。并且兩路電源的地線完全隔離開來。圖3-5IB0505S直流電源隔離電路1.3.4光耦抗干擾電路目前，RS-485接口電路采用隔離式，將所總線與主機(jī)系統(tǒng)電氣進(jìn)行隔離。光耦器件的方式應(yīng)用十分廣泛。該設(shè)計(jì)的電路實(shí)際應(yīng)用廣泛。電路更加的穩(wěn)定和可靠。光耦的主要參數(shù)有上升所用的時(shí)間、下降所用的時(shí)間以及電流傳輸比。上升與下降所用時(shí)間與波特率有關(guān)，即RS-485的通信速率與光耦器件有關(guān)，某些情況下它限制了通信波特率的提高。選擇光耦型號時(shí)要求上升與下降的時(shí)間不能超過最大波特率對應(yīng)的傳輸1個(gè)二進(jìn)制位所需要的時(shí)間的30%。 （1.1）上升與下降所需的時(shí)間最大為3。為了來保證RS-485通信能夠達(dá)到最大波特率，常選用高速光耦。常用的高速光耦的型號有6N137、PS9614、PS9714等。它們的速率均能達(dá)到10Mbps,即上升與下降所需要的時(shí)間最大為0.03gs，全部滿足本設(shè)計(jì)的要求。在電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備中選用的是(FairchildSemiconductor)生產(chǎn)的6N137高速光耦，實(shí)現(xiàn)主機(jī)系統(tǒng)與MAX3082接口芯片之間的電氣隔離。6N137實(shí)現(xiàn)電氣隔離，同時(shí)兼容了TTL電平。是有著高速度，隔離電壓高，抗干擾性強(qiáng)優(yōu)良特性的光電耦合器件。6N137是通過發(fā)光二極管的導(dǎo)通或者截止來控制輸岀端的導(dǎo)通和截止的，如圖3-6所示。信號的輸入端為ANODE和CATHODE端，信號輸出端為VE和VO,并且內(nèi)部還有一個(gè)反相器，其真值表如表3-2所示。圖3-66N137內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖表3-26N137真值表本設(shè)計(jì)所選用的6N137應(yīng)用電路如圖3-7所示。為同相邏輯傳輸，其中R1為限流電阻，阻值500Ω左右。在不加限流電阻或阻值很小的情況下，6N137仍能工作，如果發(fā)光二極管導(dǎo)通電流十分的大，則對Vccl有較大沖擊，造成的尖峰脈沖噪聲十分的大。輸出端Vcc2供電,在引腳8和引腳5之間需要接一個(gè)0.1μF電容，引腳6是集電極開路的輸出端，通常加上拉電阻R2,一般可選2.7kΩ。C2是輸出負(fù)載的等效電容，它和R2共同影響器件的響應(yīng)時(shí)間。圖3-76N137典型應(yīng)用電路圖通常通過SCM的一個(gè)I/O控制MAX3082的控制端。在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，通常的做法將SCM的I/O信號經(jīng)過取反芯片反向后與MAX3082的收發(fā)控制端相連，使得系統(tǒng)上電時(shí)RS-485芯片處于接受狀態(tài)。電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)芯片PIC18F46K22的端口上電復(fù)位時(shí)，所有的I/O將被默認(rèn)設(shè)置為輸入狀態(tài)，因此不需要添加取反器件，連接普通I/O接口就可以。并將主機(jī)芯片的串行接口與光耦器件相連。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收發(fā)的兩片光耦的輸入輸出引腳分別與監(jiān)控主機(jī)處理器PIC18F46K22的第1個(gè)串行接口TX1和RX1相連。連接電路圖如圖3-8所示。三片6N137芯片的另一端分別用作MAX3082的數(shù)據(jù)控制、驅(qū)動器輸出以及接收器輸入。圖3-86N137與MAX3082連接電路圖1.4以太網(wǎng)模塊1.4.1以太網(wǎng)擴(kuò)展方案的選擇設(shè)計(jì)用于監(jiān)測電氣火災(zāi)的設(shè)備不僅可以每天監(jiān)測剩余電流和線路溫度，還可以將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中進(jìn)行存儲；由于以太網(wǎng)通信有著在遠(yuǎn)距離依然能保持高速度和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，因此它能夠以當(dāng)前成熟的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為媒介進(jìn)行傳輸，方便以后的相關(guān)研究進(jìn)行參照。因此需要進(jìn)行單片機(jī)與以太網(wǎng)模塊的連接工作，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器這個(gè)過程是安全可靠的。本設(shè)計(jì)所選用的是以ARM處理器或WiFiSoc為核心的以太網(wǎng)模塊，選用濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司所生產(chǎn)的USR-TCP232-T串口以太網(wǎng)模塊，如圖3-12所示。通過該模塊，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包與SCM數(shù)據(jù)的透明傳輸，模塊的工作方式、波特率等可以通過上位機(jī)軟件設(shè)置。USR-TCP232-T是一款常見的串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊產(chǎn)品。TCP/IP串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器USR-TCP232-T是用來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包與串行接口數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)脑O(shè)備，型號產(chǎn)品為插針式封裝，配備了RJ45接口，可以選擇直流1.3V或5V供電。不僅體積小而且功耗低。通過上位機(jī)軟件設(shè)置工作模式，波特率從2400到115.2kbps可供設(shè)置，最高可達(dá)3Mbps。USR-TCP232-T引腳說明如表3-3所示。圖3-12USR-TCP232-T串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)表3-3USR-TCP232-T引腳說明1.4.2以太網(wǎng)模塊接口電路設(shè)計(jì)由于電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備選用的主機(jī)SCM為PIC18F46K22,有著兩路USART串行通信模塊，其中一路已經(jīng)被分配給串口的觸摸屏模塊，另外一路用作RS-485總線通信，因此該SCM需要擴(kuò)展岀一路串口來與串口以太網(wǎng)模塊連接。在串口擴(kuò)展的應(yīng)用方案選擇中，既可以選用軟件模擬的方式，也可以選用專用的串口擴(kuò)展芯片，如SP2338、GM8123等。選用了一片PIC16F877ASCM為主機(jī)芯片PIC18F46K22擴(kuò)展出一路串口，兩塊SCM通過接口連接，PIC18F46K22的主控模式，PIC16F877A的從控模式，SPI的時(shí)鐘速率由軟件編程和硬件晶振共同決定。USR-TCP232-T配有RJ45網(wǎng)線接口，可通過網(wǎng)線直接連接以太網(wǎng)模塊和交換機(jī)等互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。網(wǎng)線接口座閃綠燈是連接狀態(tài)指示，正確連接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，綠燈長亮，黃燈閃爍為數(shù)據(jù)收發(fā)，包括模塊收到的網(wǎng)絡(luò)廣播包。串口以太網(wǎng)模塊電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的以太網(wǎng)模塊硬件框圖如圖3-13所示。圖3-13電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備以太網(wǎng)模塊硬件框圖PIC16F87XASCM是微芯公司的一款具有明顯特色的MCU系列SCM，PIC16F877A屬于閃控式(Flash)SCM，可以重復(fù)燒錄。其中PIC16F877A的引腳圖及電源、晶振、調(diào)試、SPI接口、USART接口等電路如圖3-14所示。串口以太網(wǎng)模塊的TXD引腳與RXD引腳分別對應(yīng)SCM的串口模塊引腳。模塊由監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)提供的直流5V供電。串口以太網(wǎng)模塊與SCM連接的接口電路如圖3-15所示。圖3-14PIC16F877A引腳及外圍電路圖3-15串口以太網(wǎng)模塊接口電路1.5觸摸屏模塊設(shè)計(jì)1.5.10CM640480T560觸摸屏介紹顯示部分選用了觸摸屏模塊。不僅能夠顯示電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器發(fā)送到電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)按觸摸屏幕，還有著控制、查詢、顯示的功能。電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備選用的觸摸屏幕模塊是金鵬實(shí)業(yè)公司生產(chǎn)的OCM640480T560彩屏智能終端，如圖3-16所示。該觸摸屏釆用了雙核控制，具有性能高、功耗低、操作方便等特點(diǎn)。可以直接和串行接口相連。界面編輯在金鵬終端開發(fā)軟件IDE環(huán)境下開發(fā)。首先利用上位機(jī)金鵬終端的配套開發(fā)軟件，將預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖片進(jìn)行界面排版和控件配置，操作時(shí)，用戶首先將預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖片進(jìn)行界面排版和控件配置，編譯沒有錯(cuò)誤后使用內(nèi)置的“虛擬串口屏”進(jìn)行模擬的仿真，最后通過USB或者SD卡的方式將整個(gè)工程圖片和配置數(shù)據(jù)下載到串口屏的內(nèi)部存儲器中。圖3-16OCM640480T560實(shí)物圖OCM640480T560是一款5.6寸的16位真彩色RGB顯示屏幕，內(nèi)部配置了多種標(biāo)準(zhǔn)字庫，并可以通過內(nèi)置的軟件進(jìn)