摘要：本應用筆記介紹了一個基于MAXQ3210 RISC微控制器的報警系統，外部光電傳感器作為報警觸發裝置。當光束被阻斷時會發出音頻報警信號。本文討論了不同的光電檢測模式和性能參數。提供匯編程序源代碼和PCB Gerber文件。

概述

在光束被阻斷時發出音頻報警信號，由此可以設想出大量有趣的應用。本應用筆記介紹了一個這樣的系統。利用MAXQ3210微控制器和內置壓電揚聲器/換能器驅動器，只需少量外部元器件即可實現這個系統。

可以利用市場上出售的光電傳感器模塊作為報警系統輸入。光傳感器有很多類型，本文討論如何針對具體應用選擇最佳的傳感器。采用墻上適配器為系統供電。

MAXQ3210 RISC微控制器是系統的核心，只需很少的外圍器件。利用一個小型3引腳壓電音頻揚聲器產生報警；所有電子電路由線性穩壓器供電，只有光電模塊直接由外部電源供電，圖2所示為這個系統的原理圖。采用兩層印刷電路板(PCB)實現系統布線，可下載(ZIP) PCB的Gerber文件，文件還包括源代碼，相應的項目文件以及針對本應用的可裝載十六進制文件。

本系統的開發軟件用MAXQ?匯編語言編寫，開發工具為MAX-IDE版本1.0。MAX-IDE提供基于Windows?的免費開發環境，為MAXQ系列處理器提供了一整套的開發工具。

本應用的固件開發基于MAXQ3210評估板硬件平臺。評估板為驗證固件提供了方便可靠的平臺。評估板和MAX-IDE工具提供了完整的開發和調試環境。

應用

防盜報警是本文介紹的光束報警系統的常見應用。當入侵者通過受光傳感器保護的入口通道時，他們會阻斷光束，由此引發報警。如果空氣中產生光反射的雜質非常少，光束為不可見，因此，在入侵者意識到傳感器報警之前光束就已經被阻斷。這種系統可以用來通知商場值班人員有人進入。傳感器也可以用來對某個人或某個東西(例如寵物所處的某個區域)進行監控。將傳感器放置在這個區域的入口處，光束在被阻斷之前不會被人們所察覺。例如，如果把傳感器放置在廚房的工作臺上，警報聲就可以防止家庭寵物跳上工作臺。

在商場內，這個報警系統可以用來檢測運行中的傳送帶上的物品。將接收器或反射器放在相對的位置，當有物體通過并遮擋光束時就會響起警報。如果傳送帶上的物品大小不一，那么傳感器可以設置為只有最大的物品阻斷光束。對于一個更復雜的系統，在傳送帶的不同高度安裝不同的傳感器即可區分出所通過物品的不同尺寸。如果物體外形足夠大，并且有足夠的反射強度，那么他們就可以向接收器反射足夠的光強，觸發傳感器。對軟件稍做改動，報警系統就可以改造成當傳送帶停止時觸發報警，甚至可以用來對物品進行計數。

由此可見，光束報警系統有著廣泛應用，各式各樣的應用大大超出了使用者的想象。本文介紹的報警系統是一個通用設計，適用于很多場合，以它為基礎也可以針對某個特定應用完成更加獨特的系統。

光電傳感器

光電傳感器中，光源和發射器會產生一束能夠由光敏器件即接收器檢測到的光信號。光源通常是LED模塊，與驅動電路和光學部分封裝在一起。接收器包含放大、解調電路，以及相關的光接收電路。為了適應不同場合的應用，市場上出售的模塊有很多類型的配置。比如，傳感器可以設計為有物體時或沒有物體時觸發報警；它們可以設計成由特定類型(而非任意類型)的表面反射觸發報警；可以聚焦定位于非常精細的物體，例如：一條細線，也可以散射覆蓋較大的區域或大尺寸物體。如此廣泛的應用，要求設計人員需要謹慎地挑選光電傳感器。以下討論了一些影響傳感器選擇的因素。

檢測模式

光電傳感器的檢測模式通常分為三大類型：對射式、回射式和散射式。對射模式檢測也稱為“透光”，光發射器和接收器位于不同的封裝中，放置在相對的位置，來自發射器的光束直接進入接收器。當有物體阻隔光束時就會被檢測到。回射模式中，也是在光束被阻斷時檢測到有物體侵入。但在這種模式下，發射器和接收器位于同一個封裝內。一個特殊的反射體(回射)將來自發射器的光束返回到接收器。鏡子只能在與光束垂直時才能夠把光束反射到光源，回射設備無論入射角度如何(當然有一定限制)都可以將光束反射到光源。這種單一封裝的配置將回射式傳感器的電子電路合并在一起，減少了一個封裝及附帶電纜。散射式檢測也稱為鄰近模式，發射器和接收器都位于同一封裝，但光束由被檢測物體反射。這種模式通常用在目標反射較強和反射面足夠大的場合，使得大部分發射光被反射到傳感器。

光學裝置

用在某個特定傳感器的光學器件會顯著影響具體應用的有效性。典型的散射檢測模式，采用最少的光學器件即可得到一個寬泛的發射模板，接收器也具備一個寬泛的視角。一種特殊情況是聚焦模式檢測，需要采用另一種光學器件產生聚焦光束，限定在一個精確的檢測區域。這種方法可以在物體沒有足夠反射強度時發現到物體。如果空間受限，光纖或光纖波束可以用來在發射器和接收器間傳導光能量。需要在腐蝕性極強的環境中探測物體時也可以使用光纖，因為通常作為光纖材料的玻璃可以承受較高溫度，并具有較強的耐腐蝕性，遠遠優于光電傳感器。

傳感器輸出

光電傳感器的另一個顯著特點是輸出類型。根據設備配置，當檢測到光束(“有光”)或檢測到光束消失(“無光”)時，接收器可以產生有效的報警輸出。當接收器輸出報警時，可以拉高至電源電壓(源出電流)，稱為“PNP輸出”，或拉低至地電平(吸電流)，稱為“NPN輸出”。有些設備提供用戶可選的有光或無光檢測，同時具有PNP和NPN輸出。

波長

傳感器的發射光的顏色或波長也是一個顯著特征，可以根據發射光的波長為特定應用選擇傳感器，待測物體可能在某個波長具有較強的反射或吸收能力。大部分標準傳感器采用的波長位于可見光光譜的高端(紅光 = 650nm)或紅外光譜的低端(紅外線 = 880nm)。

調制

為了降低干擾光源的影響，通常會對光源進行調制。然后將調制信號作用在接收器，濾除多余信號。典型調制頻率在幾千赫茲，這個頻率將直接影響系統的響應時間。

距離

光電傳感器的有效距離在幾厘米到幾百米。對射檢測模式的距離通常是回射或散射模式檢測的10倍。有些發射器利用透鏡校準光束，例如，使光束平行并且提高光束密度，由此提高檢測距離。有些發射器則利用光的自然散射特性覆蓋更大區域。但是，由于散射作用，這種發射器的檢測距離一般更短。一般情況下，回射檢測系統的有效檢測距離是簡單反射架構的4倍。需要檢測距離較遠時，可以使用激光源。因為激光在發射時具有最小的光束擴散，發射器的大部分能量被返回至接收器。有些應用中，待測物體表面的反射能力較強，可以采用偏振反射器。這種情況下，返回傳感器的任何非偏振光都是待測物體的反射波。

附加增益

任何光電傳感器都有一個關鍵指標，即附加增益，用于推算傳感器特定環境的可靠性。特別是，該參數也是衡量接收器靈敏度的一個指標，即檢測出光能量高于最低門限的信號，并產生有效報警輸出的能力。附加增益的范圍從潔凈空氣環境，鏡頭和反射器上沒有灰塵情況下的1.5，到骯臟環境下，存在大量煙塵、霧或灰塵污染的50甚至更大。

系統傳感器舉例

這里給出的實例中所使用的光電傳感器是Keyence? PZ-G61B，圖1所示為傳感器、PCB和發射器。該傳感器設計用于多種不同應用的回射檢測。傳感器提供用戶可調節增益，同時提供PNP和NPN輸出報警信號。在這個示例中，觸發報警時，PNP輸出將模塊電源(本例中為+12V直流)切換到輸出端。傳感器也提供用戶可選的雙擲開關，用來設置無光或有光報警。本應用中，傳感器置為無光報警。采用特定的反射器，Keyence PZ-G61B的有效檢測距離為0.3英尺到13.8英尺(0.1m到4.2m)。示例中，反射器為Keyence OP-84219 R-2L，2in x 2in回射區域。


圖1. PCB、傳感器和發射器

電路框圖

本設計的電路框圖如圖2所示。圖中，利用PZ-G61B傳感器和MAXQ3210微控制器構建的系統只需很少的外部元器件。12V墻上適配器為系統供電。由于傳感器和微控制器具有不同的供電電源要求，另外選擇了一個穩壓器。光電傳感器規定的供電電源是：10V至30V DC ±10%，MAXQ3210的最大電源電壓是9.5V。兩個器件采用同一電源供電將使會達到指定規格的極限，沒有任何裕量。因此，PCB上采用了一個穩壓器來產生微控制器的5V供電。5V線性穩壓器(7805)能夠把外部12V電源輸入降至微控制器所要求的5V。通過短接MAXQ3210的數字電源輸入(VDD，引腳17)與穩壓器輸出(REGOUT，引腳18)，可禁用內部穩壓器。

進行原型測試時，需要注意本方案中使用了一個非穩壓型電源，材料清單中列出的輸出電壓明顯高于12V標稱值。空載時，輸出電壓近似為16V。因為16V還遠遠低于5V穩壓器的最大額定值，所以在滿負荷時只會導致穩壓器有一點發熱。因為沒有封閉穩壓器，它處于一個暴露環境，因此對于本應用來說，發熱不是問題。但在特殊環境下，可能需要考慮散熱問題。在TO-220穩壓器封裝上增加一個散熱片即可解決這個問題。也可以使用價格較高的穩壓型12V電源。由于電路板功耗很低，無論哪種方式都會保證5V穩壓器的溫度在規定范圍內。

本設計中，光電傳感器輸出通過n溝道FET緩沖后進入微控制器輸入引腳。這種方式能夠保護微控制器，使其免受遠端傳感器電纜引入到電路板的ESD沖擊。如果的確存在破壞性的ESD沖擊，可能需要更換FET，而不需要替換微控制器。這一緩沖保護只需花費很低的成本，并且還可獲得額外益處，即能夠隔離12V傳感器輸出信號和出現在微控制器輸入引腳的5V信號電平。

為了產生聲音報警，系統使用了CUI CEP-1172壓電音頻揚聲器。該器件的最小聲壓電平為81db (30cm，12V DC供電)，諧振頻率約為3.3kHz。由于本系統中MAXQ3210產生一個接近5V的揚聲器驅動信號，所以揚聲器會產生很高的報警聲，足以吸引人們的注意力。配合幾個無源器件(兩個電阻和一個電容)即可使MAXQ3210產生引人注意的聲音等級。


圖2. 電路板原理圖

固件詳細說明

本應用中的固件很簡單，包含硬件初始化、主程序循環和幾個子程序的匯編源文件(LightBeamAlarm.asm)。光傳感器的PNP輸出通過FET連接至處理器的P0.0端口，由軟件讀取信號電平。如果傳感器輸出報警，就會響起警報聲。

為了產生報警聲，子程序會使壓電揚聲器處于“間歇”狀態，由固定的開、關時間驅動揚聲器。可根據實驗確定開、關時間，并主觀選擇盡可能吸引人們注意力的報警聲。無論光傳感器輸出報警信號是否短暫，揚聲器都會間歇地發出五個周期的報警。如果傳感器的報警輸出時間比五個間歇周期長，揚聲器會繼續產生另外五個報警周期，直到傳感器報警解除為止。

作為“系統運行狀況”的指示器，一個LED會處于閃爍狀態。利用處理器P0.7引腳的大電流驅動能力直接驅動LED。處理器的定時器2每個0.5s產生一次超時報警，并產生相應的中斷。中斷服務程序觸發連接LED的端口引腳(P0.7)。

利用軟件定時循環產生延遲時間，延遲間隔可調。設置延時周期的參數通過未使用的累加器傳遞給子程序。延時周期可以控制上述間歇的開、關時間。

結論

本應用筆記介紹了一個報警系統，在光束阻斷時產生報警。系統采用已經商用的光發射器和接收器對，通過反射器將發射光返回至接收器。該系統僅需少數元器件，充分利用了MAXQ3210微控制器的內部資源，比如壓電揚聲器驅動器、LED驅動端口等。軟件可以方便地放置在處理器的2kB內置EEPROM存儲器，利用墻上適配器電源為電路板的5V穩壓器供電。