基于MSP430單片機的家用煙霧報警器的設計

0 引言

近年來，全球每年發(fā)生火災600～700萬起，其中住宅火災約占80%以上。根據2003-2006年期間的一份統(tǒng)計報告《美國家庭火災煙霧報警器》發(fā)現：每1000場報道的火災中，如果有煙霧報警器和濕式噴頭存在，火災導致的死亡率就能降低84%。國外對家庭火災報警系統(tǒng)的安裝早已開始推廣并實行，并有許多國家以相應的法律法規(guī)嚴格規(guī)定執(zhí)行。而我國現行的《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016-2006)未對住宅部分安裝火災自動報警系統(tǒng)有所規(guī)定。通過調研發(fā)現，現有煙霧探測器容易失效、連接斷開或電池損壞，缺少電池欠壓檢測，存在誤報警的情況，工作極不穩(wěn)定。因此，本文設計了一款功耗低、可靠性高、實時性強的家用煙霧報警器。

1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)由主控芯片、煙霧檢測模塊、報警模塊和電源模塊四部分組成。主控芯片采用16位超低功耗單片機MSP430F2012，每隔8s進行一次煙霧檢測，通過F2012芯片I/O口輸出32768Hz信號驅動紅外發(fā)射部分發(fā)出紅外線，同時使用片內10位ADC對經過放大的紅外信號進行連續(xù)4次的數據采集轉換，取平均值作為檢測結果。同時將檢測結果與預設報警門限值進行比較，從而發(fā)送預警信息。同時還利用了430內部低頻時鐘VLO準確定時，高頻時鐘DCO高速工作，在降低系統(tǒng)成本的同時提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件電路的設計

2.1 主控芯片MSP430F2012

MSP430F2012是TI公司新推出的一款高性能16位微控制器。其特點如下：電源電壓采用1.8～3.6V的低電壓;超低功耗，活動模式(1MHz，2.2V時為200 μA)，待機模式(0.7μA)，掉電模式(RAM數據保持，0.1 μA);5種省電模式;從待機到喚醒不超過1μs;16位精簡指令集，指令周期125ns;帶有兩個捕獲/比較寄存器的16位定時器(TIMERA);A/D轉換器;10位200-ksps，通用串行接口USI;支持SPI和I2C;程序代碼熔絲保護;零功耗BOR復位保護功能。本文采用Spy-Bi-Wire的JTAG調試接口，只需連接四根線，即可實現用仿真器在線編程調試程序。同時，MSP430F2012擁有2kB+256B的FLASH存儲器，128B的RAM，足夠系統(tǒng)代碼量的需求。

2.2 煙霧檢測模塊電路

煙霧檢測方式主要有離子感煙探測和光電感煙探測。離子感煙探測對電路和工藝要求高，探測器受濕度和氣流等影響大，維護費用高于制造費用。本文采用光電感煙探測方式，電路如圖2所示。采用特制的光學迷宮作為煙霧接收裝置，內裝有紅外發(fā)射二極管(IRdiode)和紅外接收二極管(IR receiver)，主控芯片MSP430F2012的P2.7口定期驅動紅外發(fā)射部分發(fā)射紅外線，若有煙霧進入光學迷宮，則產生光的散射，紅外接收二極管接收光信號后產生電流信號，經運算放大器LM358轉換為電壓信號，送入主控芯片ADC模塊通道A3進行采樣轉換，當判斷迷宮內出現煙霧后，主控芯片驅動壓電蜂鳴器發(fā)出煙霧報警聲音。

2.3 報警電路

系統(tǒng)報警電路采用RE46C100來驅動壓電蜂鳴器，該芯片電壓工作范圍寬(6～16V)，低功耗(空閑電流小于100nA)，采用9V電池供電。該芯片使能端HRNEN與MSP430的P2.6口連接，當HRNEN為高電平時，壓電蜂鳴器產生自激振蕩而發(fā)出報警聲音。通過軟件設置Timer A不同的定時輸出，可使之發(fā)出煙霧檢測、電池欠壓兩種不同方式的報警信號。

2.4 電源電路

系統(tǒng)需要提供9v和3.3V兩個工作電壓，9V供給RE46C100，3.3V是單片機MSP430F2012的工作電壓，本電路選用穩(wěn)壓器TPS715333。

TPS71533是一款采用SC-70封裝的高輸入電壓LDO(低壓降)穩(wěn)壓器，其與微處理芯片MSP430F1232同屬于美國的TI公司。該穩(wěn)壓器的特點是：高輸入、低壓降、低功耗和小型封裝。芯片的輸入電壓范圍為2.5～24V，低壓降和低靜態(tài)電流(最大靜態(tài)電流為3.2 μA)使該芯片的功耗處于極低的水平，適用于電池供電的場合。

同時系統(tǒng)還實現了電池欠壓檢測，將電源電壓直接引入MSP430F2012 ADC模塊的輸入P1.2口，與程序中預先設定的閥值電壓進行比較，當電源電壓過低時，通過報警電路提醒用戶及時更換電池。

3 系統(tǒng)軟件的設計與實現

為了便于系統(tǒng)維護和功能擴展，系統(tǒng)軟件采用了模塊化的設計方法，采用了C語言編程。系統(tǒng)軟件包括主程序、中斷喚醒子程序、煙霧信號檢測子程序和電池電壓檢測子程序。主程序流程圖如圖3所示。

初始化時，將校準的1MHz DCO值送入DCO控制寄存器，再根據已校準的DCO時鐘源校準VLO，MCU工作在低功耗模式LPM3。TA0每8s中斷一次，MCU退出LPM3模式，調用煙霧信號檢測子程序。為了避免誤報警，系統(tǒng)只有連續(xù)3次探測到煙霧信號，才啟動報警電路報警。第1次探測到煙霧信號后，VLO時鐘源經4分頻作為定時器A信號源，即第2次采樣間隔4s;如果第2次仍探測到煙霧信號，定時器A時鐘源直接由VLO輸入1s采樣;如果第3次仍探測到煙霧信號，系統(tǒng)開始警報，煙霧探測器繼續(xù)以1s周期進行采樣。為了降低系統(tǒng)功耗，在煙霧采樣轉換期間，MCU進入LPM3模式。

在煙霧信號檢測子程序中，首先通過P2.7和P1.4口分別打開LED和運放，將ADC10設定成4次單通道連續(xù)轉換，通過ADC10的DTC特性將轉換結果暫存到MCU的RAM中，運放經延時穩(wěn)定后啟動ADC，MCU進入LPM3模式，在完成4次AD轉換后DTC中斷，DTC中斷服務程序返回，MCU進入活動模式，然后紅外發(fā)射管打開，同樣延時穩(wěn)定后再進行一輪4次連續(xù)AD轉換，采樣結束后關閉運放、紅外發(fā)射管、ADC及發(fā)光二極管，最后調用計算平均值子程序，計算兩次連續(xù)4次AD轉換的平均值，主程序調用計算結果確定是否探測到煙霧信號。

4 結束語

本文設計了一款基于MSP430單片機的家用煙霧報警器，實現了對煙霧信號和電池欠壓的精確檢測。在硬件選型和軟件設計中，充分考慮家用系統(tǒng)低成本、低功耗的要求。此系統(tǒng)符合國標GB20517-2006《獨立式感煙火災探測報警器》認證的要求。實踐證明，此系統(tǒng)具有體積小、功耗低、靈敏度高、應用靈活、可靠性高、實時性強等特點，是高性能家用煙感的最佳選擇方案。