基于MSP430單片機(jī)的家用煙霧報(bào)警器的設(shè)計(jì)

0 引言

近年來，全球每年發(fā)生火災(zāi)600～700萬起，其中住宅火災(zāi)約占80%以上。根據(jù)2003-2006年期間的一份統(tǒng)計(jì)報(bào)告《美國家庭火災(zāi)煙霧報(bào)警器》發(fā)現(xiàn)：每1000場報(bào)道的火災(zāi)中，如果有煙霧報(bào)警器和濕式噴頭存在，火災(zāi)導(dǎo)致的死亡率就能降低84%。國外對家庭火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的安裝早已開始推廣并實(shí)行，并有許多國家以相應(yīng)的法律法規(guī)嚴(yán)格規(guī)定執(zhí)行。而我國現(xiàn)行的《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016-2006)未對住宅部分安裝火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)有所規(guī)定。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有煙霧探測器容易失效、連接斷開或電池?fù)p壞，缺少電池欠壓檢測，存在誤報(bào)警的情況，工作極不穩(wěn)定。因此，本文設(shè)計(jì)了一款功耗低、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的家用煙霧報(bào)警器。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由主控芯片、煙霧檢測模塊、報(bào)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(jī)MSP430F2012，每隔8s進(jìn)行一次煙霧檢測，通過F2012芯片I/O口輸出32768Hz信號驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射部分發(fā)出紅外線，同時(shí)使用片內(nèi)10位ADC對經(jīng)過放大的紅外信號進(jìn)行連續(xù)4次的數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換，取平均值作為檢測結(jié)果。同時(shí)將檢測結(jié)果與預(yù)設(shè)報(bào)警門限值進(jìn)行比較，從而發(fā)送預(yù)警信息。同時(shí)還利用了430內(nèi)部低頻時(shí)鐘VLO準(zhǔn)確定時(shí)，高頻時(shí)鐘DCO高速工作，在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

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(diǎn)如下：電源電壓采用1.8～3.6V的低電壓;超低功耗，活動(dòng)模式(1MHz，2.2V時(shí)為200 μA)，待機(jī)模式(0.7μA)，掉電模式(RAM數(shù)據(jù)保持，0.1 μA);5種省電模式;從待機(jī)到喚醒不超過1μs;16位精簡指令集，指令周期125ns;帶有兩個(gè)捕獲/比較寄存器的16位定時(shí)器(TIMERA);A/D轉(zhuǎn)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(hù);零功耗BOR復(fù)位保護(hù)功能。本文采用Spy-Bi-Wire的JTAG調(diào)試接口，只需連接四根線，即可實(shí)現(xiàn)用仿真器在線編程調(diào)試程序。同時(shí)，MSP430F2012擁有2kB+256B的FLASH存儲(chǔ)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(hù)費(fèi)用高于制造費(fèi)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(xué)迷宮作為煙霧接收裝置，內(nèi)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(qū)動(dòng)紅外發(fā)射部分發(fā)射紅外線，若有煙霧進(jìn)入光學(xué)迷宮，則產(chǎn)生光的散射，紅外接收二極管接收光信號后產(chǎn)生電流信號，經(jīng)運(yùn)算放大器LM358轉(zhuǎn)換為電壓信號，送入主控芯片ADC模塊通道A3進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，當(dāng)判斷迷宮內(nèi)出現(xiàn)煙霧后，主控芯片驅(qū)動(dòng)壓電蜂鳴器發(fā)出煙霧報(bào)警聲音。

2.3 報(bào)警電路

系統(tǒng)報(bào)警電路采用RE46C100來驅(qū)動(dòng)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(dāng)HRNEN為高電平時(shí)，壓電蜂鳴器產(chǎn)生自激振蕩而發(fā)出報(bào)警聲音。通過軟件設(shè)置Timer A不同的定時(shí)輸出，可使之發(fā)出煙霧檢測、電池欠壓兩種不同方式的報(bào)警信號。

2.4 電源電路

系統(tǒng)需要提供9v和3.3V兩個(gè)工作電壓，9V供給RE46C100，3.3V是單片機(jī)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(diǎn)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(shí)系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)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(yù)先設(shè)定的閥值電壓進(jìn)行比較，當(dāng)電源電壓過低時(shí)，通過報(bào)警電路提醒用戶及時(shí)更換電池。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了便于系統(tǒng)維護(hù)和功能擴(kuò)展，系統(tǒng)軟件采用了模塊化的設(shè)計(jì)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(shí)，將校準(zhǔn)的1MHz DCO值送入DCO控制寄存器，再根據(jù)已校準(zhǔn)的DCO時(shí)鐘源校準(zhǔn)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(diào)用煙霧信號檢測子程序。為了避免誤報(bào)警，系統(tǒng)只有連續(xù)3次探測到煙霧信號，才啟動(dòng)報(bào)警電路報(bào)警。第1次探測到煙霧信號后，VLO時(shí)鐘源經(jīng)4分頻作為定時(shí)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(shí)器A時(shí)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(bào)，煙霧探測器繼續(xù)以1s周期進(jìn)行采樣。為了降低系統(tǒng)功耗，在煙霧采樣轉(zhuǎn)換期間，MCU進(jìn)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(yùn)放，將ADC10設(shè)定成4次單通道連續(xù)轉(zhuǎn)換，通過ADC10的DTC特性將轉(zhuǎn)換結(jié)果暫存到MCU的RAM中，運(yùn)放經(jīng)延時(shí)穩(wěn)定后啟動(dòng)ADC，MCU進(jìn)入LPM3模式，在完成4次AD轉(zhuǎn)換后DTC中斷，DTC中斷服務(wù)程序返回，MCU進(jìn)入活動(dòng)模式，然后紅外發(fā)射管打開，同樣延時(shí)穩(wěn)定后再進(jìn)行一輪4次連續(xù)AD轉(zhuǎn)換，采樣結(jié)束后關(guān)閉運(yùn)放、紅外發(fā)射管、ADC及發(fā)光二極管，最后調(diào)用計(jì)算平均值子程序，計(jì)算兩次連續(xù)4次AD轉(zhuǎn)換的平均值，主程序調(diào)用計(jì)算結(jié)果確定是否探測到煙霧信號。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于MSP430單片機(jī)的家用煙霧報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(biāo)GB20517-2006《獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測報(bào)警器》認(rèn)證的要求。實(shí)踐證明，此系統(tǒng)具有體積小、功耗低、靈敏度高、應(yīng)用靈活、可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，是高性能家用煙感的最佳選擇方案。