基于msp430f32的光電煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

基于msp430f32的光電煙霧探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

1感煙探測(cè)器的設(shè)計(jì)獨(dú)立的煙霧探測(cè)器適用于民用建筑的火災(zāi)預(yù)防和報(bào)警。根據(jù)工作原理，可分為水電原理和電源發(fā)射原理。光電煙霧探測(cè)器是利用煙霧對(duì)光束的散射原理制作的感煙探測(cè)器。傳統(tǒng)的單點(diǎn)煙霧探測(cè)器由于缺少電池監(jiān)測(cè)、低電壓感煙報(bào)警等功能,難以符合新國(guó)標(biāo)GB20517-2006《獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器》強(qiáng)制認(rèn)證的要求,逐漸被市場(chǎng)所淘汰。本文提出的單點(diǎn)式煙霧探測(cè)報(bào)警器,采用TI公司的MSP430F2012單片機(jī)作主控芯片,利用其ADC模塊采集煙霧和電池電壓變化,具有自檢功能,設(shè)計(jì)目標(biāo)力求可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)用性和超低功耗,符合新國(guó)標(biāo)的基本要求。2傳感及工作可靠性本文介紹的煙霧探測(cè)器是“主動(dòng)”式探測(cè)器。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(IRreceiver),主控芯片MSP430F2012定期驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射部分發(fā)射紅外線,紅外接收二極管接收的電流信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后,送入主控芯片的ADC模塊進(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)高聲強(qiáng)壓電蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音。在工作可靠性方面,本文采用了補(bǔ)償測(cè)量的方法,主控芯片MCU定期通過(guò)ADC模塊循環(huán)采樣檢測(cè)煙霧和電池電壓的變化,消除了器件老化、電壓變化等因素引起的測(cè)量偏差,保證探測(cè)器工作穩(wěn)定可靠。當(dāng)檢測(cè)到煙霧和電池電壓異常時(shí),MCU驅(qū)動(dòng)高聲強(qiáng)壓電蜂鳴器發(fā)出不同的報(bào)警信號(hào)。3控制系統(tǒng)及主導(dǎo)設(shè)備本煙霧探測(cè)器的主控芯片使用美國(guó)TI公司14引腳的超低功耗MSP430F2012單片機(jī);煙霧檢測(cè)的電流信號(hào)放大使用低成本的運(yùn)算放大器LM358,為降低功耗,采用由PNP和NPN三極管組成的開(kāi)關(guān)電路,為其提供9V工作電源;驅(qū)動(dòng)蜂鳴器采用具有使能控制端的壓電蜂鳴器驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片RE46C100;電池電壓檢測(cè)部分利用電阻將電源分壓后,直接引入單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換;主控系統(tǒng)采用9V電池降為3.3V后供電,整個(gè)系統(tǒng)功耗低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。3.1u2009已開(kāi)新型電設(shè)計(jì)TI公司于2005年推出的MSP430F2012混合信號(hào)微控制器,特點(diǎn)是超低功耗和功能集成,特別適用開(kāi)發(fā)自動(dòng)信號(hào)采集、手持式和電池供電設(shè)備,其特性如下:(1)低電壓范圍:1.8~3.6V(2)超低功耗:活動(dòng)模式1MHz在3V時(shí)260?A掉電模式(RAM數(shù)據(jù)保持)0.1?A實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式0.8?A(3)從待機(jī)到喚醒不到1?S(4)五種省電模式(此設(shè)計(jì)使用LPM3模式:在3V時(shí)0.6~0.9μA)(5)內(nèi)部的超低功耗、低頻率振蕩器(VLO),不需要晶振就能提供12KHz頻率(6)帶有2個(gè)捕捉/比較功能的16位定時(shí)器Timer_A(7)集成內(nèi)部參考電壓、采樣及保持和自動(dòng)掃描電路的8通道、10位、200-KspsA/D(8)16位精簡(jiǎn)指令集,指令周期62.5ns3.2控制系統(tǒng)電路光電感煙放大電路如圖2所示。LM358是具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償、直流電壓增益較高的低功耗運(yùn)算放大器。寬電壓范圍3~30V(單電源),非常低的電源電流500?A,輸入失調(diào)電流為2nA,偏置電流為20nA,單位增益帶寬為1.1MHz,其上電、穩(wěn)定時(shí)間常數(shù)均滿(mǎn)足探測(cè)器的設(shè)計(jì)要求。主控芯片MSP430F2012的P1.4引腳控制運(yùn)放的電源開(kāi)關(guān)電路,P1.6引腳控制紅外發(fā)射二極管的關(guān)斷,LM358運(yùn)放將紅外接收二極管的接收電流放大轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),其輸出被調(diào)節(jié)至能夠由MSP430F2012的10位ADC模塊測(cè)量的范圍。R4//C2反饋網(wǎng)絡(luò)用于建立電路的增益,C2為消除運(yùn)放自激振蕩的反饋電容,實(shí)現(xiàn)光-電流-電壓的線性變換。煙霧檢測(cè)信號(hào)經(jīng)放大后被引入主控芯片ADC模塊通道A3。3.3輸入通道設(shè)置用兩個(gè)電阻對(duì)電池進(jìn)行分壓后,將中點(diǎn)電位直接引入MSP430F2012ADC模塊的輸入通道A2,在程序中預(yù)先給定一個(gè)閥值電壓,與中點(diǎn)電位進(jìn)行比較,后者大于前者電池正常,后者小于前者電池欠壓。3.4u2009壓電蜂鳴器壓電蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)采用性?xún)r(jià)比較高的專(zhuān)業(yè)芯片RE46C100,寬電壓工作范圍6~16V,低功耗(空閑電流小于100nA)。該芯片采用電池供電9V,使能端與MSP430的P2.6I/O口連接,當(dāng)芯片被使能時(shí),芯片和周邊壓電蜂鳴器等元器件產(chǎn)生自激振蕩而發(fā)出報(bào)警聲音,否則停止工作不報(bào)警。所選壓電蜂鳴器可發(fā)出105dB的報(bào)警聲音,滿(mǎn)足煙霧報(bào)警聲強(qiáng)的要求。通過(guò)軟件設(shè)置Timer_A的定時(shí)輸出,可使之發(fā)出煙霧、欠電壓兩種不同的報(bào)警信號(hào)。4主程序控制模塊本探測(cè)器軟件采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì),MSP430系列單片機(jī)的C430語(yǔ)言與C語(yǔ)言兼容程度高,容易理解,硬件控制能力好,表達(dá)和運(yùn)算能力強(qiáng),能夠充分發(fā)揮MSP430的功能,明顯提高了軟件開(kāi)發(fā)效率與執(zhí)行效率。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法,各模塊之間相互獨(dú)立,使得程序結(jié)構(gòu)清晰。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、為降低功耗而設(shè)計(jì)的定時(shí)器Timer_A的MCU中斷喚醒程序、煙霧采樣與處理子程序、電池電壓采樣與處理子程序等。主程序流程圖如圖3所示。為降低系統(tǒng)功耗,除采樣煙霧和電池電量外,MCU均工作在低功耗模式LPM3。在主程序和初始化中最大化CPU的低功耗模式LPM3時(shí)間為6S,用不需要外部晶振的內(nèi)部低頻振蕩器VLO作為ACLK時(shí)鐘,DCO用于CPU激活后的突發(fā)短暫運(yùn)行。MCU從LPM3模式中斷喚醒后,開(kāi)始執(zhí)行煙霧采樣子程序。ADC模塊的數(shù)據(jù)傳遞控制器DTC允許ADC采樣和存儲(chǔ)在其他任何的寄存器而不受MCU的干預(yù),故在采樣轉(zhuǎn)換期間,MCU可進(jìn)入LPM3模式以進(jìn)一步降低功耗。在煙霧采樣與處理子程序中,將ADC10設(shè)置為4次序列通道轉(zhuǎn)換模式,采樣轉(zhuǎn)換煙霧信號(hào)的變化;ADC在打開(kāi)和關(guān)閉紅外發(fā)射二極管的狀態(tài)下分別打開(kāi)運(yùn)算放大器電源的開(kāi)關(guān)電路,采樣紅外接收二極管的電流進(jìn)行比較,從而判斷是否出現(xiàn)煙霧,為避免誤報(bào)警,必須連續(xù)兩次判斷煙霧信號(hào)出現(xiàn)時(shí)才啟動(dòng)聲光報(bào)警。煙霧報(bào)警的閾值偏移量可通過(guò)軟件設(shè)置進(jìn)行靈活調(diào)整,確保探測(cè)器在煙參數(shù)達(dá)到預(yù)定值時(shí)開(kāi)始報(bào)警。每一小時(shí)進(jìn)行一次電池電壓采樣轉(zhuǎn)換,將采樣值與預(yù)先設(shè)置的最低閾值電壓進(jìn)行比較判斷,考慮到探測(cè)器的工作可靠性,在電池欠壓聲光報(bào)警的間歇期間,仍調(diào)用煙霧采樣處理子程序檢測(cè)是否有煙霧出現(xiàn)。探測(cè)器的自檢功能是利用具有中斷使能的P1.0I/O口,手動(dòng)喚醒中斷子程序控制蜂鳴器,進(jìn)而完善了探測(cè)器的基本功能。5超運(yùn)行控制和性能本文介紹的單點(diǎn)式光電煙霧探測(cè)報(bào)警器,主控芯片及外圍器件多選用低功耗、低成本的芯片,具有快速喚醒、快速處理時(shí)間、超低待機(jī)功耗的特點(diǎn)。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于使用了具有自動(dòng)采集信號(hào)和ADC模塊的自動(dòng)序列多次轉(zhuǎn)換的超低功耗單片機(jī)MSP430F2012,實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙霧信號(hào)和電池電壓的精確檢測(cè),完善了單點(diǎn)式煙霧