1 裝置硬件設(shè)計(jì)
辦公樓智能監(jiān)控系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能為：溫度、濕度調(diào)節(jié)，火災(zāi)預(yù)警，照明燈光控制和飲水機(jī)控制，此外，針對(duì)辦公樓這類特殊建筑，還應(yīng)包括大樓安全的集中報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)線路、消防通道部門的集中監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)的辦公樓智能監(jiān)控系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，擬采用智能采集終端與PC機(jī)共同組成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其工作過程為：上位機(jī)周期性向各個(gè)下位機(jī)發(fā)送控制命令，并接收各下位機(jī)傳送回來的數(shù)據(jù)，對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存。智能數(shù)據(jù)采集終端可采集模擬量數(shù)據(jù)和開關(guān)量數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)溫度、濕度的檢測(cè)與控制。采集終端可以接收上位機(jī)發(fā)送的命令以及將采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。
2 硬件總體設(shè)計(jì)方案
依據(jù)上述對(duì)裝置的功能規(guī)劃，可將裝置規(guī)劃為兩部分設(shè)計(jì)，智能監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分組成，其中上位機(jī)由PC機(jī)來實(shí)現(xiàn)；下位機(jī)包括由MSP430F149構(gòu)成的主控單片機(jī)、4×4的人機(jī)接口鍵盤、繼電器控制電路和聲光電報(bào)警電路燈。
2．1 單片機(jī)選型
本設(shè)計(jì)選用TI公司MSP430系列超低功耗的MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片。該芯片具有豐富的片上外圍模塊，所需外部元件較少，具有較高的性價(jià)比。它是由2個(gè)16位定時(shí)器、8路快速12位A／D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)通用串行同步／異步通信信號(hào)接口(USART)和148個(gè)I／O引腳等構(gòu)成的微控制器。
2．2 溫、濕度的檢測(cè)
采用瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司生產(chǎn)的SHT7l立式插針型溫濕度傳感器芯片，其性能參數(shù)為：
全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出；
濕度測(cè)量范圍：O～100％RH；
溫度測(cè)量范圍：-40～+123．8℃；
濕度測(cè)量精度：±3．0％RH；
溫度測(cè)量精度：±0．4℃(25℃)；
響應(yīng)時(shí)間：<4s；
低功耗(典型30μW)
可完全浸沒。
SHT71與單片機(jī)MSP430F149的接口電路如圖2所示。
2．3 煙霧傳感器選型
本系統(tǒng)選用的煙霧傳感器為北京瑞利威爾科技發(fā)展有限公司提供的JTYLZ-1412離子感煙器。JTY LZ-1412采用現(xiàn)代工藝技術(shù)制造，為自鎖型探測(cè)器，當(dāng)報(bào)警鎖定后，須通過瞬間中斷電源來使其復(fù)位。主要技術(shù)參數(shù)如下：
工作溫度范圍：-10℃～49℃
工作濕度范圍：10％至93％RH
報(bào)警復(fù)位：瞬間斷電
繼電器觸點(diǎn)參數(shù)：阻性或感性(60％功率因數(shù))負(fù)載
A型：2．0A@30VAC／DC
系統(tǒng)電壓：12VDC(最大4V波動(dòng))
復(fù)位電壓：0-73VDC(最小)
復(fù)位時(shí)間：0．3s
上電時(shí)間：30s
2．4 紅外傳感器選型
本系統(tǒng)選擇HN911型熱釋電紅外探測(cè)模塊來完成對(duì)人體的探測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)照明燈和飲水機(jī)的控制。HN911具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、耐低溫(-30℃)及使用方便等特點(diǎn)，主要用來探測(cè)人體發(fā)射出的紅外線能量。模塊的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。采用HN911的測(cè)量熱體的電路如圖3所示。
2．5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)
在該系統(tǒng)中主要考慮模擬前端為傳感器，從傳感器送來的是標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，即4mA～20mA，這樣設(shè)計(jì)具有一定的通用性，只要前端接不同的傳感器就可以采集不同的信號(hào)源。由于A／D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)為電壓，也就是參考源為電壓，所以A／D轉(zhuǎn)換的是電壓，這樣需要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。圖4所示為具體的模擬量采集電路圖。與單片機(jī)的連接如圖5所示。
2．6 開關(guān)量輸入電路設(shè)計(jì)
當(dāng)智能終端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)有較大的干擾，若這些干擾隨輸入信號(hào)一起進(jìn)入智能終端，則會(huì)使控制的準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此，本系統(tǒng)在開關(guān)量電路和單片機(jī)之間用光電耦合器TLP521-4進(jìn)行了隔離。電路如圖6所示。
2．7 鍵盤電路設(shè)計(jì)
矩陣鍵盤電路主要利用MSP430單片機(jī)的一般I／O口來進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)。矩陣鍵盤電路由行線和列線組成，矩陣鍵盤通過掃描來捕獲鍵盤的輸入。所謂掃描就是單片機(jī)不斷地對(duì)行線依次設(shè)置低電平，然后檢查列線的輸入狀態(tài)，從而確定鍵盤是否有輸入，如圖7所示為鍵盤的電路設(shè)計(jì)圖。
2．8 RS485通信電路設(shè)計(jì)
MSP430F149單片機(jī)的串行口輸入輸出均為TTL電平，這種以TTL電平傳輸數(shù)據(jù)的方式，抗干擾差，傳輸距離短。為了提高串行通訊的可靠性，增大傳輸距離，本系統(tǒng)采用RS-48 5標(biāo)準(zhǔn)串行接口。本系統(tǒng)選用Maxim公司的MAX3485收發(fā)器芯片。
2．9 電源電路及復(fù)位電路
MSP430F149要求用3．3V供電，本應(yīng)用中采用了TI公司TPS7xxx系列電源轉(zhuǎn)換芯片中的TPS7333，將電路板外接的+5V轉(zhuǎn)換成+3．3V。同時(shí)TPS7333提供系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電壓監(jiān)控。電源電路如圖9所示。
2．10 時(shí)鐘電路
MSP430F149具有三種不同頻率的時(shí)鐘：ACLK(輔助時(shí)鐘)、MCLK(主系統(tǒng)時(shí)鐘)和SMCLK(子系統(tǒng)時(shí)鐘)，三種時(shí)鐘分別送給不同模塊。由于系統(tǒng)的功耗與工作頻率成正比，因此靈活的時(shí)鐘使系統(tǒng)的超低功耗成為可能。為滿足不同頻率時(shí)鐘的需求，MSP430單片機(jī)外接32kHz的低頻時(shí)鐘和8MHz的高頻時(shí)鐘。其中32kHz時(shí)鐘用于產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，而8MHz時(shí)鐘用于CPU快速工作。時(shí)鐘電路外接圖如圖10所示。
3 軟件主程序設(shè)計(jì)
在主程序中，首先應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后再每隔100ms執(zhí)行一次如下任務(wù)：進(jìn)行一次模擬量、開關(guān)量的采集，掃描一次鍵盤看是否有按鍵按下，數(shù)據(jù)采集后的濾波計(jì)算以及相應(yīng)的輸出控制。時(shí)間間隔由定時(shí)器A定時(shí)中斷得到。當(dāng)所有的任務(wù)執(zhí)行完后，在下一次定時(shí)中斷到來之前，為了降低系統(tǒng)功耗，單片機(jī)將處于低功耗模式。主程序流程圖如圖11所示。
4 結(jié)論
本辦公樓智能監(jiān)控裝置硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)靈活，充分發(fā)揮了單片機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，是一種電路設(shè)計(jì)新穎、參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確、操作方便的智能監(jiān)控裝置。