MAXQ3210在光束报警系统中的应用

摘要：本应用笔记介绍了一个基于MAXQ3210 RISC微控制器的报警系统，外部光电传感器作为报警触发装置。当光束被阻断时会发出音频报警信号。本文讨论了不同的光电检测模式和性能参数。提供汇编程序源代码和PCB Gerber文件。

概述

在光束被阻断时发出音频报警信号，由此可以设想出大量有趣的应用。本应用笔记介绍了一个这样的系统。利用MAXQ3210微控制器和内置压电扬声器/换能器驱动器，只需少量外部元器件即可实现这个系统。

可以利用市场上出售的光电传感器模块作为报警系统输入。光传感器有很多类型，本文讨论如何针对具体应用选择最佳的传感器。采用墙上适配器为系统供电。

MAXQ3210 RISC微控制器是系统的核心，只需很少的外围器件。利用一个小型3引脚压电音频扬声器产生报警；所有电子电路由线性稳压器供电，只有光电模块直接由外部电源供电，图2所示为这个系统的原理图。采用两层印刷电路板(PCB)实现系统布线，可下载(ZIP) PCB的Gerber文件，文件还包括源代码，相应的项目文件以及针对本应用的可装载十六进制文件。

本系统的开发软件用MAXQ®汇编语言编写，开发工具为MAX-IDE版本1.0。MAX-IDE提供基于Windows®的免费开发环境，为MAXQ系列处理器提供了一整套的开发工具。

本应用的固件开发基于MAXQ3210评估板硬件平台。评估板为验证固件提供了方便可靠的平台。评估板和MAX-IDE工具提供了完整的开发和调试环境。

应用

防盗报警是本文介绍的光束报警系统的常见应用。当入侵者通过受光传感器保护的入口通道时，他们会阻断光束，由此引发报警。如果空气中产生光反射的杂质非常少，光束为不可见，因此，在入侵者意识到传感器报警之前光束就已经被阻断。这种系统可以用来通知商场值班人员有人进入。传感器也可以用来对某个人或某个东西(例如宠物所处的某个区域)进行监控。将传感器放置在这个区域的入口处，光束在被阻断之前不会被人们所察觉。例如，如果把传感器放置在厨房的工作台上，警报声就可以防止家庭宠物跳上工作台。

在商场内，这个报警系统可以用来检测运行中的传送带上的物品。将接收器或反射器放在相对的位置，当有物体通过并遮挡光束时就会响起警报。如果传送带上的物品大小不一，那么传感器可以设置为只有最大的物品阻断光束。对于一个更复杂的系统，在传送带的不同高度安装不同的传感器即可区分出所通过物品的不同尺寸。如果物体外形足够大，并且有足够的反射强度，那么他们就可以向接收器反射足够的光强，触发传感器。对软件稍做改动，报警系统就可以改造成当传送带停止时触发报警，甚至可以用来对物品进行计数。

由此可见，光束报警系统有着广泛应用，各式各样的应用大大超出了使用者的想象。本文介绍的报警系统是一个通用设计，适用于很多场合，以它为基础也可以针对某个特定应用完成更加独特的系统。

光电传感器

光电传感器中，光源和发射器会产生一束能够由光敏器件即接收器检测到的光信号。光源通常是LED模块，与驱动电路和光学部分封装在一起。接收器包含放大、解调电路，以及相关的光接收电路。为了适应不同场合的应用，市场上出售的模块有很多类型的配置。比如，传感器可以设计为有物体时或没有物体时触发报警；它们可以设计成由特定类型(而非任意类型)的表面反射触发报警；可以聚焦定位于非常精细的物体，例如：一条细线，也可以散射覆盖较大的区域或大尺寸物体。如此广泛的应用，要求设计人员需要谨慎地挑选光电传感器。以下讨论了一些影响传感器选择的因素。

检测模式

光电传感器的检测模式通常分为三大类型：对射式、回射式和散射式。对射模式检测也称为“透光”，光发射器和接收器位于不同的封装中，放置在相对的位置，来自发射器的光束直接进入接收器。当有物体阻隔光束时就会被检测到。回射模式中，也是在光束被阻断时检测到有物体侵入。但在这种模式下，发射器和接收器位于同一个封装内。一个特殊的反射体(回射)将来自发射器的光束返回到接收器。镜子只能在与光束垂直时才能够把光束反射到光源，回射设备无论入射角度如何(当然有一定限制)都可以将光束反射到光源。这种单一封装的配置将回射式传感器的电子电路合并在一起，减少了一个封装及附带电缆。散射式检测也称为邻近模式，发射器和接收器都位于同一封装，但光束由被检测物体反射。这种模式通常用在目标反射较强和反射面足够大的场合，使得大部分发射光被反射到传感器。

光学装置

用在某个特定传感器的光学器件会显著影响具体应用的有效性。典型的散射检测模式，采用最少的光学器件即可得到一个宽泛的发射模板，接收器也具备一个宽泛的视角。一种特殊情况是聚焦模式检测，需要采用另一种光学器件产生聚焦光束，限定在一个精确的检测区域。这种方法可以在物体没有足够反射强度时发现到物体。如果空间受限，光纤或光纤波束可以用来在发射器和接收器间传导光能量。需要在腐蚀性极强的环境中探测物体时也可以使用光纤，因为通常作为光纤材料的玻璃可以承受较高温度，并具有较强的耐腐蚀性，远远优于光电传感器。

传感器输出

光电传感器的另一个显著特点是输出类型。根据设备配置，当检测到光束(“有光”)或检测到光束消失(“无光”)时，接收器可以产生有效的报警输出。当接收器输出报警时，可以拉高至电源电压(源出电流)，称为“PNP输出”，或拉低至地电平(吸电流)，称为“NPN输出”。有些设备提供用户可选的有光或无光检测，同时具有PNP和NPN输出。

波长

传感器的发射光的颜色或波长也是一个显著特征，可以根据发射光的波长为特定应用选择传感器，待测物体可能在某个波长具有较强的反射或吸收能力。大部分标准传感器采用的波长位于可见光光谱的高端(红光 = 650nm)或红外光谱的低端(红外线 = 880nm)。

调制

为了降低干扰光源的影响，通常会对光源进行调制。然后将调制信号作用在接收器，滤除多余信号。典型调制频率在几千赫兹，这个频率将直接影响系统的响应时间。

距离

光电传感器的有效距离在几厘米到几百米。对射检测模式的距离通常是回射或散射模式检测的10倍。有些发射器利用透镜校准光束，例如，使光束平行并且提高光束密度，由此提高检测距离。有些发射器则利用光的自然散射特性覆盖更大区域。但是，由于散射作用，这种发射器的检测距离一般更短。一般情况下，回射检测系统的有效检测距离是简单反射架构的4倍。需要检测距离较远时，可以使用激光源。因为激光在发射时具有最小的光束扩散，发射器的大部分能量被返回至接收器。有些应用中，待测物体表面的反射能力较强，可以采用偏振反射器。这种情况下，返回传感器的任何非偏振光都是待测物体的反射波。

附加增益

任何光电传感器都有一个关键指标，即附加增益，用于推算传感器特定环境的可靠性。特别是，该参数也是衡量接收器灵敏度的一个指标，即检测出光能量高于最低门限的信号，并产生有效报警输出的能力。附加增益的范围从洁净空气环境，镜头和反射器上没有灰尘情况下的1.5，到肮脏环境下，存在大量烟尘、雾或灰尘污染的50甚至更大。

系统传感器举例

这里给出的实例中所使用的光电传感器是Keyence™ PZ-G61B，图1所示为传感器、PCB和发射器。该传感器设计用于多种不同应用的回射检测。传感器提供用户可调节增益，同时提供PNP和NPN输出报警信号。在这个示例中，触发报警时，PNP输出将模块电源(本例中为+12V直流)切换到输出端。传感器也提供用户可选的双掷开关，用来设置无光或有光报警。本应用中，传感器置为无光报警。采用特定的反射器，Keyence PZ-G61B的有效检测距离为0.3英尺到13.8英尺(0.1m到4.2m)。示例中，反射器为Keyence OP-84219 R-2L，2in x 2in回射区域。


图1. PCB、传感器和发射器

电路框图

本设计的电路框图如图2所示。图中，利用PZ-G61B传感器和MAXQ3210微控制器构建的系统只需很少的外部元器件。12V墙上适配器为系统供电。由于传感器和微控制器具有不同的供电电源要求，另外选择了一个稳压器。光电传感器规定的供电电源是：10V至30V DC ±10%，MAXQ3210的最大电源电压是9.5V。两个器件采用同一电源供电将使会达到指定规格的极限，没有任何裕量。因此，PCB上采用了一个稳压器来产生微控制器的5V供电。5V线性稳压器(7805)能够把外部12V电源输入降至微控制器所要求的5V。通过短接MAXQ3210的数字电源输入(VDD，引脚17)与稳压器输出(REGOUT，引脚18)，可禁用内部稳压器。

进行原型测试时，需要注意本方案中使用了一个非稳压型电源，材料清单中列出的输出电压明显高于12V标称值。空载时，输出电压近似为16V。因为16V还远远低于5V稳压器的最大额定值，所以在满负荷时只会导致稳压器有一点发热。因为没有封闭稳压器，它处于一个暴露环境，因此对于本应用来说，发热不是问题。但在特殊环境下，可能需要考虑散热问题。在TO-220稳压器封装上增加一个散热片即可解决这个问题。也可以使用价格较高的稳压型12V电源。由于电路板功耗很低，无论哪种方式都会保证5V稳压器的温度在规定范围内。

本设计中，光电传感器输出通过n沟道FET缓冲后进入微控制器输入引脚。这种方式能够保护微控制器，使其免受远端传感器电缆引入到电路板的ESD冲击。如果的确存在破坏性的ESD冲击，可能需要更换FET，而不需要替换微控制器。这一缓冲保护只需花费很低的成本，并且还可获得额外益处，即能够隔离12V传感器输出信号和出现在微控制器输入引脚的5V信号电平。

为了产生声音报警，系统使用了CUI CEP-1172压电音频扬声器。该器件的最小声压电平为81db (30cm，12V DC供电)，谐振频率约为3.3kHz。由于本系统中MAXQ3210产生一个接近5V的扬声器驱动信号，所以扬声器会产生很高的报警声，足以吸引人们的注意力。配合几个无源器件(两个电阻和一个电容)即可使MAXQ3210产生引人注意的声音等级。


图2. 电路板原理图

固件详细说明

本应用中的固件很简单，包含硬件初始化、主程序循环和几个子程序的汇编源文件(LightBeamAlarm.asm)。光传感器的PNP输出通过FET连接至处理器的P0.0端口，由软件读取信号电平。如果传感器输出报警，就会响起警报声。

为了产生报警声，子程序会使压电扬声器处于“间歇”状态，由固定的开、关时间驱动扬声器。可根据实验确定开、关时间，并主观选择尽可能吸引人们注意力的报警声。无论光传感器输出报警信号是否短暂，扬声器都会间歇地发出五个周期的报警。如果传感器的报警输出时间比五个间歇周期长，扬声器会继续产生另外五个报警周期，直到传感器报警解除为止。

作为“系统运行状况”的指示器，一个LED会处于闪烁状态。利用处理器P0.7引脚的大电流驱动能力直接驱动LED。处理器的定时器2每个0.5s产生一次超时报警，并产生相应的中断。中断服务程序触发连接LED的端口引脚(P0.7)。

利用软件定时循环产生延迟时间，延迟间隔可调。设置延时周期的参数通过未使用的累加器传递给子程序。延时周期可以控制上述间歇的开、关时间。

结论

本应用笔记介绍了一个报警系统，在光束阻断时产生报警。系统采用已经商用的光发射器和接收器对，通过反射器将发射光返回至接收器。该系统仅需少数元器件，充分利用了MAXQ3210微控制器的内部资源，比如压电扬声器驱动器、LED驱动端口等。软件可以方便地放置在处理器的2kB内置EEPROM存储器，利用墙上适配器电源为电路板的5V稳压器供电。