基于树莓派RP2040设计的简易烟雾报警

内容介绍

一、背景

之前做Fastbond活动时顺手买了一块ADI烟雾报警器芯片ADPD188BI，一直闲置，正好借这个机会测试一下这块芯片。

ADPD188BI 是一种采用光学双波长技术的完备的光电式烟雾检测系统。该模块集成高效率的光电式测量前端、蓝光和红外 (IR) 发光二极管 (LEDs) 以及光电二极管 (PD)。可以有效判别干扰源，减少误报率，并且双波长在一定程度上具有分辨不同烟雾的能力。

活动已给定主控芯片为RP2040，硬件绘图工具为Kicad，软件开发平台使用官方推荐的thonny。

二、硬件设计过程

1.先梳理一下需求：

(1).板卡使用usb或者电池供电；

(2).能够检查环境温湿度；

(3).具有报警器件；

(4).需搭配一块显示屏实时显示传感器信息；

绘制硬件框图如下：

FknYlfEYXPvncgmnCLrWZXW-7Is6

2.确定关键器件：

主控：RP2040

烟雾报警芯片：ADPD188BI

电平转换芯片：TXB0108（IIC通讯需换成TXS0108EPWR）

温湿度传感器：ENS210

屏幕显示：0.96寸TFT 240*240彩屏

充电芯片：LTC4054

USB转串口：CH340E

3.搜集资料：

电源电压：

查阅芯片数据手册确定关键器件所需工作电压：

(1).rp2040: 3.3V

(2).ADPD188BI：1.8V，6V，3.3V

(3).ENS210: 3.3V

(4).0.96寸TFT彩屏：

4.原理图：

使用kicad绘制原理图如下：

绘制PCB如下：

第一次使用kicad画图，不太熟悉，画画停停，遇到几个小问题。

问题(1)：原理图选择封装的时候没有仔细检查，搞错了几个器件的封装，三极管没一个对的上的，解锁三极管焊接新姿势。0.96寸的显示屏座子封装选大了一号，只能飞线解决。

问题(2)：在调试ADPD188BI传感器的时候IIC通讯不成功，首先怀疑芯片没焊接好，毕竟LGA的封装也看不到引脚，拆焊了3次没解决。然后怀疑电平转换芯片买到假货了，查看TXB0108器件手册，翻到内部结构框图发现不适用于开漏通信。在ADI论坛搜了相关问题，确认该芯片不适用IIC，通讯。改用TXS0108EPWR后IIC通讯成功。

问题(3)：调试烟雾传感器时，接收到的数据一直在无规律的跳。对比论坛示例代码中寄存器初始化数值，多次调整相关寄存器，接收到得结果还是跳一直没解决。盯着一闪一闪的绿光，就要放弃了，突然反应过来这个传感器没有绿色LED啊。赶紧回去翻看得捷电子购买记录，发现果然是传感器买错了，之前买的竟然是环境光传感器ADPD188GG，ADPD188GG和ADPD188BI封装一致，内部结构一致，只是封装得LED颜色不一样。购买正确型号传感器替换后，数据稳定了。

三、代码设计
1.TFT_096代码部分：
显示屏的驱动是ST7735,本设计借鉴微雪官网的示例代码，注意初始化的时候颜色和坐标翻转，以下是屏幕初始化部分：

def Init(self):
        self.reset() 
        self.backlight(10000)  
        
        self.write_cmd(0x11)
        time.sleep(0.12)
        
        self.write_cmd(0xB1)
        self.write_data(0x05)
        self.write_data(0x3C)
        self.write_data(0x3C)
        self.write_cmd(0xB2)
        self.write_data(0x05)
        self.write_data(0x3C)
        self.write_data(0x3C)
        self.write_cmd(0xB3)
        self.write_data(0x05)
        self.write_data(0x3C)
        self.write_data(0x3C)
        self.write_data(0x05)
        self.write_data(0x3C)
        self.write_data(0x3C)
        self.write_cmd(0xB4)
        self.write_data(0x03)
        self.write_cmd(0xC0)
        self.write_data(0xAB)
        self.write_data(0x0B)
        self.write_data(0x04)
        self.write_cmd(0xC1)
        self.write_data(0xC5)
        self.write_cmd(0xC2)
        self.write_data(0x0D)
        self.write_data(0x00)
        self.write_cmd(0xC3)
        self.write_data(0x8D)
        self.write_data(0x6A)
        self.write_cmd(0xC4)
        self.write_data(0x8D)
        self.write_data(0xEE)
        self.write_cmd(0xC5)
        self.write_data(0x0F)
        
        self.write_cmd(0xE0)
        self.write_data(0x07)
        self.write_data(0x0E)
        self.write_data(0x08)
        self.write_data(0x07)
        self.write_data(0x10)
        self.write_data(0x07)
        self.write_data(0x02)
        self.write_data(0x07)
        self.write_data(0x09)
        self.write_data(0x0F)
        self.write_data(0x25)
        self.write_data(0x36)
        self.write_data(0x00)
        self.write_data(0x08)
        self.write_data(0x04)
        self.write_data(0x10)
        self.write_cmd(0xE1)
        self.write_data(0x0A)
        self.write_data(0x0D)
        self.write_data(0x08)
        self.write_data(0x07)
        self.write_data(0x0F)
        self.write_data(0x07)
        self.write_data(0x02)
        self.write_data(0x07)
        self.write_data(0x09)
        self.write_data(0x0F)
        self.write_data(0x25)
        self.write_data(0x35)
        self.write_data(0x00)
        self.write_data(0x09)
        self.write_data(0x04)
        self.write_data(0x10)
        
        self.write_cmd(0xFC)
        self.write_data(0x80)
        
        self.write_cmd(0x3A)
        self.write_data(0x05)
        self.write_cmd(0x36)
        self.write_data(0x78)
#         self.write_cmd(0x21)   #反色控制
        self.write_cmd(0x29)
        
        self.write_cmd(0x2A)
        self.write_data(0x00)
        self.write_data(0x00)
        self.write_data(0x00)
        self.write_data(0x50)
        
        self.write_cmd(0x2B)
        self.write_data(0x00)
        self.write_data(0x00)
        self.write_data(0x00)
        self.write_data(0x9f)
        self.write_cmd(0x2C)

2.ENS210驱动：

温湿度传感器的器件地址是0X43,按照数据手册介绍，只需要王0x22寄存器写入0x03，即可读取温湿度数据；温湿度数据存储在0X30中。温度摄氏度计算公式为：code/64-273.15; 湿度计算公式为：code/512; 关键代码如下：

def temp_hum(temp_hum_arr):
        i2c1.writeto_mem(67, 34, b'3')
        temp_hum_arr=i2c1.readfrom_mem(67, 48, 6)
        ens210_val[0]=(temp_hum_arr[1]*256+temp_hum_arr[0])/64-273.15
        ens210_val[0]=round(ens210_val[0],1)
        
        ens210_val[1]=(temp_hum_arr[4]*256+temp_hum_arr[3])/512
        ens210_val[1]=round(ens210_val[1],1)
        time.sleep(0.2)

3.ADPD188BI烟雾传感器：

ADI这款烟雾传感器设计的模式较多，此处借鉴了https://blog.csdn.net/m0_51294753/article/details/120872468相关代码，博主注释很详细，不做赘述；调整后寄存器初始化数据如下：

adpd_ini1=bytes((0x0F,0x00,0x01))          #  软件复位 寄存器清零
adpd_ini2=bytes((0x01,0xC0,0xFF))          #  FIFO中断配置 数据长度超出0x06位[13:8))时产生中断
adpd_ini3=bytes((0x02,0x00,0x05))          #  使能GPIO0引脚
adpd_ini4=bytes((0x06,0x00,0x01))          #  设置FIFO长度阈值
adpd_ini5=bytes((0x10,0x00,0x01))              #  进入编程模式
adpd_ini6=bytes((0x11,0x31,0xb9))          #  设置时隙A,B的FIFO数据格式      32  位和
adpd_ini7=bytes((0x4F,0x20,0x90))          #  样本同步选择和GPIO管脚设置
adpd_ini8=bytes((0x5F,0x00,0x00))          #  时钟设置
adpd_ini9=bytes((0x12,0x0a,0x50))          #  设置采样频率为50Hz fSAMPLE=bytes((2KHz/((0x12[15:0))*4))
adpd_ini10=bytes((0x15,0x01,0x20))          #  时隙A,B样本和/均值系数为4,抽取
adpd_ini11=bytes((0x14,0x01,0x1d))          #  时隙A,B双脉冲配置
adpd_ini12=bytes((0x18,0x00,0x00))          #  时隙A通道1 ADC失调
adpd_ini13=bytes((0x19,0x3F,0xFF))          #  时隙A通道2 ADC失调
adpd_ini14=bytes((0x1A,0x3F,0xFF))          #  时隙A通道3 ADC失调
adpd_ini15=bytes((0x1B,0x3F,0xFF))          #  时隙A通道4 ADC失调
adpd_ini16=bytes((0x30,0x03,0x20))          #  时隙A 3us LED pulse
adpd_ini17=bytes((0x31,0x04,0x0E))          #  时隙A 4 pulses
adpd_ini18=bytes((0x39,0x22,0xF0))          #  时隙A 4us AFE
adpd_ini19=bytes((0x42,0x1C,0x34))          #  AFE配置 配置为1的缓冲器，正常积分器配置 1.27V 200KΩ
adpd_ini20=bytes((0x43,0xAD,0xA5))          #  模拟全路径模式
adpd_ini21=bytes((0x5E,0x08,0x08))          #  时隙A禁用悬空
adpd_ini22=bytes((0x16,0x30,0x00))          #  No Dark Bits
adpd_ini23=bytes((0x17,0x00,0x09))          #  Chop -++-
adpd_ini24=bytes((0x1E,0x00,0x00))          #  时隙B通道1 ADC失调
adpd_ini25=bytes((0x1F,0x3F,0xFF))          #  时隙B通道2 ADC失调
adpd_ini26=bytes((0x20,0x3F,0xFF))          #  时隙B通道3 ADC失调
adpd_ini27=bytes((0x21,0x3F,0xFF))          #  时隙B通道3 ADC失调
adpd_ini28=bytes((0x35,0x03,0x20))          #  时隙B 3us LED pulse
adpd_ini29=bytes((0x36,0x04,0x0E))          #  时隙B 4 pulses
adpd_ini30=bytes((0x3B,0x22,0xF0))          #  时隙B 4us AFE
adpd_ini31=bytes((0x44,0x1C,0x34))          #  AFE配置 配置为1的缓冲器，正常积分器配置 1.27V 200KΩ
adpd_ini32=bytes((0x45,0xAD,0xA5))          #  模拟全路径模式
adpd_ini33=bytes((0x59,0x08,0x08))          #  时隙B禁用悬空
adpd_ini34=bytes((0x1C,0x30,0x00))          #  No Dark Bits
adpd_ini35=bytes((0x1D,0x00,0x09))          #  Chop -++-
adpd_ini36=bytes((0x58,0x05,0x44))          #  时隙A,B控制
adpd_ini37=bytes((0x22,0x35,0x36))          #  配置LEDx3驱动器  电流粗调 
adpd_ini38=bytes((0x23,0x35,0x36))          #  配置LEDx1驱动器  电流粗调
adpd_ini39=bytes((0x24,0x15,0x30))          #  配置LEDx2驱动器  电流粗调
adpd_ini40=bytes((0x25,0x63,0x0C))          #  配置LEDx驱动器   电流精调
adpd_ini41=bytes((0x34,0x00,0x00))          #  时隙A,B LED禁用
adpd_ini42=bytes((0x3C,0x31,0xC6))          #  通道开关
adpd_ini43=bytes((0x3D,0x00,0x00))           
adpd_ini44=bytes((0x54,0x0A,0xA0))          #  配置PD电压
adpd_ini45=bytes((0x55,0x00,0x00))          #  配置TIA增益
adpd_ini46=bytes((0x5A,0x00,0x10))          #  
adpd_ini47=bytes((0x4B,0x26,0xA2))          #  时钟时序设置
adpd_ini48=bytes((0x4C,0x00,0x04))          #
adpd_ini49=bytes((0x4D,0x00,0x90))          # 
adpd_ini50=bytes((0x10,0x00,0x02))          #   进入采样模式

烟雾传感器的接收到的亮度数值会存储在FIFO寄存器中，将读取的数值与初始化时LED的配置参数进行比较计算，分别计算出红光和蓝光的PTR值。在有烟雾的时候这个值会上升。

4.蜂鸣器报警

借鉴示例代码呼吸灯部分：

 if ens210_sensor.ens210_val[1]>300:        #蜂鸣器报警
        duty = 0
        direction = 1
        for _ in range(8 * 256):
            duty += direction
            if duty > 255:
                duty = 255
                direction = -1
            elif duty < 0:
                duty = 0
                direction = 1
            beep_pwm.duty_u16(duty * duty)
            time.sleep(0.001)

四、实现过程

该烟雾传感器为光电式，为了排除环境光的干扰，需要给它配一个烟室（一个四处漏风的罩子，但光照不进去）。在这里我用涂黑的酒精瓶的盖子代替，并在上面戳几个洞保证烟雾能够进入，测试室内开关灯时传感器数值基本不变，满足需求。

FvAXwo-Of3Lg3isD3lSFuBfF6FXa

传感器数据调出来后就可以进行测试了。将板子丢进一个箱子，在里面点个火制造些烟雾。传感器接收到的光强度会随烟雾浓度的上升而上升，为系统设置一个阈值此处是300，一旦传感器数值超过该阈值即驱动蜂鸣器报警。

FvrnxUtlx4gGyk2Ztf2vtBA-LWfZ

进一步测试发现：

(1).纸火较木柴火更容易产生烟雾，烟雾浓度上升速度也就越快;

(2).不同种类燃烧物产生的烟雾，红蓝光照强度数据上升过程有细微差别；

(3).我为什么要搞烟雾传感器，房间里乌烟瘴气的.....

最后实现了烟雾报警功能，种类识别未调试成功。

五、多余的考虑

做项目前了解到，RP2040使用U盘模式下载程序。需要先按着按键再上电才能进入U盘模式，觉得很不方便。所以增加了一个模拟开关CH440E，EN引脚高电平的时候内部开关断开变为高阻状态，EN引脚低电平内部开关有效，开关回路由IN脚电平决定。这样我们可以在EN引脚接一路轻触开关拉高，开关按下抬起就相当于拔插一次USB。实际调试时才发现，只用在一开始时进入一次U盘模式烧录固件，之后不用进U盘模式。

六、芯片优势和局限

就本项目而言，这块单片机性能完全满足需求，外围接口也丰富，够用。有麻烦的是QFN封装比较难焊接，需要配一块外部flash。

优势：

1.RP2040主频高133M，还是双核ARM Cortex-m0+内核，处理能力强；

2.RP2040外围接口丰富，多路串口通讯满足大部分应用场景，另外PIO还可以模拟出多种硬件接口，非常方便；

- 8080/6080 并行接口
- I2C
- I2S
- SDIO
- SPI/DSPI/QSPI
- UART
- DPI/VGA

3. 具有低动态功耗以及多种低功耗模式。低额定功率为电池供电应用提供了灵活性，因此在移动应用中非常有用。

局限性：

1.RP2040芯片封装单一，没有其他选择；

2.系统需要一块外部flash芯片，增加了项目成本；

七、附录

参考资料如下：

1.烟雾检测模块ADPD188BI介绍与应用：https://blog.csdn.net/m0_51294753/article/details/120872468

2.校准ADPD188BI光学烟雾和气溶胶检测模块：https://www.elecfans.com/d/2016865.html

3.ADPD188BI - PTR 比率：https://ez.analog.com/optical_sensing/f/q-a/566776/adpd188bi---ptr-ratio