NB-Iot烟感03:感烟探测器原理图设计

今天开始,无际单片机编程和大家一起设计烟雾探测器的硬件设计。

一、烟感硬件设计组成部分:

烟感有3部分组成,分别是:电源设计烟雾检测电路NB-Iot通讯电路

二、烟雾检测电路设计:

烟雾探测电路,有很多的设计方案,我们选择的是合泰科技的烟感专用芯片: HT45F23A.

HT45F23A芯片的相关资源:

工作温度:  −40℃ ~ 85℃

FLASH空间:   4KBytes

EEPROM:     64Bytes

SRAM128 Bytes

IO:  22端口

ADC: 6通道  12-bit的快速ADC  可于16个ADC Clock时间内,快速完成模拟至数字信号之转换

OPA内建两组OPA与两组比较器,OPA有PGA功能,可由软件设定1~56倍的放大倍数。

低功耗:支持超低功耗

其实市面上类似的芯片很多,为什么要选择一颗FLASH  4K、SRAM 128Bytes 资源如此匮乏的芯片呢?   

1. 超级低功耗: 经实际产品测试,该方案芯片做的产品,整机的低功耗可以做到 3uA(3V供电)。

2. 内置了OPA,而且支持PGA功能,可以通过软件实现完成1-56倍的放大,这可以满足我们,不需要增加外部的信号放大电路,就可以实现将弱小的 烟雾报警信号放大。

3. 6通道的12-bit的快速ADC,敲黑板,重点是快速这个词

可以在16个ADC Clock时间内完成AD转换,很多低价位的芯片都很难实现。

在这里强调一下我们在烟雾探测的过程中,尤其是电池供电的,ADC功能一定要选择快速模式。

为什么要快速ADC ,在后面的软件设计中,我再给大家详解。

  • 电路设计:

1.无线红外发射部分电路:

迷宫内部发射部分的电路就是一个控制红外发射管。这个相对比较好理解,我们看一下发射部分的设计。

发射电路由 单片机的Smoke_Tx控制:

Smoke_Tx为低电平: Q2不导通,迷宫的U2的1 和2脚的红外发射管的 负极悬空,发射管不工作。

Smoke_Tx为高电平: Q2导通,迷宫内的发射管的负极经过R13 和R17接地,发射管工作,有光照

(烟雾检测的时候,Smoke_Tx为高电平,发射工作)

2.迷宫的红外接收电路分析:

迷宫内部的红外接收管 在迷宫内经过烟雾颗粒散射的微弱的光线,接收到微弱的信号。

这个信号太微弱,只有几十个毫伏, 必须要经过外部的放大电路,将信号放大,单片机才能识别并处理。下面我们分析一下 迷宫接收部分的电路

HT45F23A的内部OPA介绍

内部集成两个运算放大器,OPA1 和 OPA2,可用于用户特定的模拟信号处理。它们的使能或除能只能通过软件设置来实现。

单片机内部集成两个运算放大器,OPA1 和 OPA2,可用于用户特定的模拟信号处理。

它们的使能只能通过软件设置来实现。

通过控制特殊寄存器,OPA 相关的应用可以很容易的实现,例如单位增益缓冲器,同相放大器,反相放大器和各种各样的滤波器等。

下面我们看一下单片机两个运算放大器的内部的结构,如下图:

红外接收电路设计:

在这里我们着重看一下A1N、A1P、A1E和A2N、A2P、A2接口,这几个接口就是我们单片机的IO接口,u如下图设计。

A1N、A1P、A1E是单片机内部运算放大器1,A2N、A2P、A1E.是单片机内部运算放大器2的接口:

迷宫内部红外接收电路分析:

1.接收管的两个脚接但单片机内部运算放大器2 的同相输入管脚A2P  和反向输脚A2N。

2. MCU_EV由单片机的IO  PB0控制,给接收管的正极供电,让红外接收管工作。

如上图:   红色粗线圈起来的部分是  红外接收信号和单片机的运算放大器2的链接电路

1.运算放大器的反向输入脚 通过C5和R9 和运算放大器2的输出脚连接,构成了一个负反馈放大电路

2. 运算放大器2的输出脚和运算放大器1的同相输入脚连接,将放大的信号在由单片机内部放大器1放大。

如上图所示:

1. 经内部运算放大器2放大的信号,输入运算放大器1的同相输入脚。

2. 运算发大器2的反向输入脚经C6 和R12和输出脚连接,构成了一个负反馈放大电路。将运算发大气2的发达型号经 运算放大器1 再放大。

单片机内部处理经过两次放大的红外接收信号?

经过两次放大的红外接收信号,需要由单片机内部的ADC来识别放大信号的大小,从而来识别烟雾浓度的大小。

烟雾的浓度越大,接收管接收的信号就越多,输出的信号就越强,放大的信号就越大。

放大信号是经过单片机的PA4口输入到单片机内部的。

那如何和单片机的ADC 建立连接呢? 我们看一下单片机的ADC 的一个配置寄存器,如下图:

‘从上图红色方框标志的文字可以了解到,单片机的由两个内部通道,分别连接到单片机内部放大器的A1E 和A2E。

我们只需要将ACS2-ACS0 配置成110. 就可以实现我们的放大信号和 单片机的ADC 通道连接了。

至此,感烟探测器 的发射信号和接收信号电路就分析完了。

  • 其他电路设计:

LED灯控制电路:

作用:用来提示烟感的工作状态,快闪报警,慢闪正常

从上图可以看到,LED灯直接有单片机的IO口控制

按键检测电路

从上图可以看到 按键的和LED一样,直接和单片机的IO 链接。

蜂鸣器的控制电路:

 烟感的声音我们采用的是一个低成本的蜂鸣器。 实物图如下:

看我们的原理图所示有3个接口:R 和上图的红色线链接,G 和绿线链接,B和黑色线接连。

我们分析一下原理图:

  • BAT(电池电压)经L1,和蜂鸣片的R连接 给蜂鸣片供电。 L1的作用是升压,电池低压为3.6V,升压后可以达到40-60V。 
  • 从上图可以看出,电感1有升压功能,还需要Q1 和Q3导通,才可以正常工作。从电路可以看出,Q1是常导通状态,Q3 需要单片机控制才可以导通正常工作。
  • G脚是电池电压BAT 通过R6直接连接的。所有G的电压固定为电池低压3.6V。
  • 单片机的PC3经R11  控制Q3的开关. MCU_BUZZ拉低,Q3不导通,蜂鸣器不工作。MCU_BUZZ拉高,蜂鸣片的B脚接地。
  • 1KHZ-10KHZ 的方波频率,这个频率就是由MCU_BUZZ来控制的。
  • 输出一个1KHZ 的方波频率,蜂鸣器就会发出比较尖锐的鸣叫。

和NB-Iot通讯模块的接口模块

本产品的感烟探测和 NB-IOT没有在同一块PCB上,是有6P的2.0的插针链接。接口图如上。

PIN1-2 是电池的电源和GND

PIN3:  是烟感控制单片机的上行数据接口,采用单线通讯方式

PIN4:  是烟感控制单片机的下行数据接口,采用单线通讯方式

PIN5:  是唤醒脚 是单片机唤醒NB-IOT,启动数据传输的作用

PIN6:  预留

四、电源设计

如上图:烟感探测器的电源是电池直接供电的。 

D1:  防止电池接反,电池接反保护的作用

R1:  用于BAT和VCC滤波隔离的作用。

C1:  这是电解电容,主要用于滤波,滤波的作用是让我们的VCC电压接近平稳。

ok,这篇文章就讲到这里,下一篇文章无际单片机编程为大家讲解NB-Iot模块BC26的原理图设计。

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2021-6-30 14:41:23

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2021-6-30 15:32:41

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