1 裝置硬件設(shè)計

    辦公樓智能監(jiān)控系統(tǒng)所實現(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，針對辦公樓這類特殊建筑，還應(yīng)包括大樓安全的集中報警、網(wǎng)絡(luò)線路、消防通道部門的集中監(jiān)控。本文設(shè)計的辦公樓智能監(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)測系統(tǒng)。其工作過程為：上位機(jī)周期性向各個下位機(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)，并可實現(xiàn)溫度、濕度的檢測與控制。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)場數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

2 硬件總體設(shè)計方案

    依據(jù)上述對裝置的功能規(guī)劃，可將裝置規(guī)劃為兩部分設(shè)計，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警電路燈。

2．1 單片機(jī)選型

    本設(shè)計選用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，具有較高的性價比。它是由2個16位定時器、8路快速12位A／D轉(zhuǎn)換器、2個通用串行同步／異步通信信號接口(USART)和148個I／O引腳等構(gòu)成的微控制器。

2．2 溫、濕度的檢測

    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；
    濕度測量范圍：O～100％RH；
    溫度測量范圍：-40～+123．8℃；
    濕度測量精度：±3．0％RH；
    溫度測量精度：±0．4℃(25℃)；
    響應(yīng)時間：<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，為自鎖型探測器，當(dāng)報警鎖定后，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
    報警復(fù)位：瞬間斷電
    繼電器觸點參數(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)
    復(fù)位電壓：0-73VDC(最小)
    復(fù)位時間：0．3s
    上電時間：30s

2．4 紅外傳感器選型

    本系統(tǒng)選擇HN911型熱釋電紅外探測模塊來完成對人體的探測，從而實現(xiàn)對室內(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，主要用來探測人體發(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

    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，即4mA～20mA，這樣設(shè)計具有一定的通用性，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轉(zhuǎn)換為電壓信號。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

    當(dāng)智能終端對現(xiàn)場開關(guān)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時，現(xiàn)場可能會有較大的干擾，若這些干擾隨輸入信號一起進(jìn)入智能終端，則會使控制的準(zhǔn)確性降低，產(chǎn)生誤動作。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

    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。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)計圖。

2．8 RS485通信電路設(shè)計

    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TPS7333提供系統(tǒng)復(fù)位信號，實現(xiàn)電壓監(jiān)控。電源電路如圖9所示。

2．10 時鐘電路

    MSP430F149具有三種不同頻率的時鐘：ACLK(輔助時鐘)、MCLK(主系統(tǒng)時鐘)和SMCLK(子系統(tǒng)時鐘)，三種時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，因此靈活的時鐘使系統(tǒng)的超低功耗成為可能。為滿足不同頻率時鐘的需求，MSP430單片機(jī)外接32kHz的低頻時鐘和8MHz的高頻時鐘。其中32kHz時鐘用于產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，而8MHz時鐘用于CPU快速工作。時鐘電路外接圖如圖10所示。

3 軟件主程序設(shè)計

    在主程序中，首先應(yīng)對系統(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)采集后的濾波計算以及相應(yīng)的輸出控制。時間間隔由定時器A定時中斷得到。當(dāng)所有的任務(wù)執(zhí)行完后，在下一次定時中斷到來之前，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)簡單，軟件設(shè)計靈活，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，是一種電路設(shè)計新穎、參數(shù)測量準(zhǔn)確、操作方便的智能監(jiān)控裝置。