基于msp430f32的光電煙霧探測報警系統(tǒng)

1感煙探測器的設(shè)計獨立的煙霧探測器適用于民用建筑的火災(zāi)預(yù)防和報警。根據(jù)工作原理，可分為水電原理和電源發(fā)射原理。光電煙霧探測器是利用煙霧對光束的散射原理制作的感煙探測器。傳統(tǒng)的單點煙霧探測器由于缺少電池監(jiān)測、低電壓感煙報警等功能,難以符合新國標GB20517-2006《獨立式感煙火災(zāi)探測報警器》強制認證的要求,逐漸被市場所淘汰。本文提出的單點式煙霧探測報警器,采用TI公司的MSP430F2012單片機作主控芯片,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)計目標力求可靠性、穩(wěn)定性、實用性和超低功耗,符合新國標的基本要求。2傳感及工作可靠性本文介紹的煙霧探測器是“主動”式探測器。采用特制的光學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經(jīng)運算放大器放大后,送入主控芯片的ADC模塊進行采樣轉(zhuǎn)換,當判斷迷宮內(nèi)出現(xiàn)煙霧后,主控芯片驅(qū)動高聲強壓電蜂鳴器發(fā)出報警聲音。在工作可靠性方面,本文采用了補償測量的方法,主控芯片MCU定期通過ADC模塊循環(huán)采樣檢測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量偏差,保證探測器工作穩(wěn)定可靠。當檢測到煙霧和電池電壓異常時,MCU驅(qū)動高聲強壓電蜂鳴器發(fā)出不同的報警信號。3控制系統(tǒng)及主導設(shè)備本煙霧探測器的主控芯片使用美國TI公司14引腳的超低功耗MSP430F2012單片機;煙霧檢測的電流信號放大使用低成本的運算放大器LM358,為降低功耗,采用由PNP和NPN三極管組成的開關(guān)電路,為其提供9V工作電源;驅(qū)動蜂鳴器采用具有使能控制端的壓電蜂鳴器驅(qū)動專用芯片RE46C100;電池電壓檢測部分利用電阻將電源分壓后,直接引入單片機的ADC模塊進行采樣轉(zhuǎn)換;主控系統(tǒng)采用9V電池降為3.3V后供電,整個系統(tǒng)功耗低,結(jié)構(gòu)簡單。系統(tǒng)電路框圖如圖1所示。3.1u2009已開新型電設(shè)計TI公司于2005年推出的MSP430F2012混合信號微控制器,特點是超低功耗和功能集成,特別適用開發(fā)自動信號采集、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:活動模式1MHz在3V時260?A掉電模式(RAM數(shù)據(jù)保持)0.1?A實時時鐘模式0.8?A(3)從待機到喚醒不到1?S(4)五種省電模式(此設(shè)計使用LPM3模式:在3V時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個捕捉/比較功能的16位定時器Timer_A(7)集成內(nèi)部參考電壓、采樣及保持和自動掃描電路的8通道、10位、200-KspsA/D(8)16位精簡指令集,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)部頻率補償、直流電壓增益較高的低功耗運算放大器。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)定時間常數(shù)均滿足探測器的設(shè)計要求。主控芯片MSP430F2012的P1.4引腳控制運放的電源開關(guān)電路,P1.6引腳控制紅外發(fā)射二極管的關(guān)斷,LM358運放將紅外接收二極管的接收電流放大轉(zhuǎn)換為電壓信號,其輸出被調(diào)節(jié)至能夠由MSP430F2012的10位ADC模塊測量的范圍。R4//C2反饋網(wǎng)絡(luò)用于建立電路的增益,C2為消除運放自激振蕩的反饋電容,實現(xiàn)光-電流-電壓的線性變換。煙霧檢測信號經(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)置用兩個電阻對電池進行分壓后,將中點電位直接引入MSP430F2012ADC模塊的輸入通道A2,在程序中預(yù)先給定一個閥值電壓,與中點電位進行比較,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)動采用性價比較高的專業(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,當芯片被使能時,芯片和周邊壓電蜂鳴器等元器件產(chǎn)生自激振蕩而發(fā)出報警聲音,否則停止工作不報警。所選壓電蜂鳴器可發(fā)出105dB的報警聲音,滿足煙霧報警聲強的要求。通過軟件設(shè)置Timer_A的定時輸出,可使之發(fā)出煙霧、欠電壓兩種不同的報警信號。4主程序控制模塊本探測器軟件采用C語言進行程序設(shè)計,MSP430系列單片機的C430語言與C語言兼容程度高,容易理解,硬件控制能力好,表達和運算能力強,能夠充分發(fā)揮MSP430的功能,明顯提高了軟件開發(fā)效率與執(zhí)行效率。系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法,各模塊之間相互獨立,使得程序結(jié)構(gòu)清晰。整個軟件設(shè)計包括主程序、為降低功耗而設(shè)計的定時器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時鐘,DCO用于CPU激活后的突發(fā)短暫運行。MCU從LPM3模式中斷喚醒后,開始執(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可進入LPM3模式以進一步降低功耗。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)換煙霧信號的變化;ADC在打開和關(guān)閉紅外發(fā)射二極管的狀態(tài)下分別打開運算放大器電源的開關(guān)電路,采樣紅外接收二極管的電流進行比較,從而判斷是否出現(xiàn)煙霧,為避免誤報警,必須連續(xù)兩次判斷煙霧信號出現(xiàn)時才啟動聲光報警。煙霧報警的閾值偏移量可通過軟件設(shè)置進行靈活調(diào)整,確保探測器在煙參數(shù)達到預(yù)定值時開始報警。每一小時進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行比較判斷,考慮到探測器的工作可靠性,在電池欠壓聲光報警的間歇期間,仍調(diào)用煙霧采樣處理子程序檢測是否有煙霧出現(xiàn)。探測器的自檢功能是利用具有中斷使能的P1.0I/O口,手動喚醒中斷子程序控制蜂鳴器,進而完善了探測器的基本功能。5超運行控制和性能本文介紹的單點式光電煙霧探測報警器,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、快速處理時間、超低待機功耗的特點。本文作者創(chuàng)新點在于使用了具有自動采集信號和ADC模塊的自動序列多次轉(zhuǎn)換的超低功耗單片機MSP430F2012,實現(xiàn)了對煙霧信號和電池電壓的精確檢測,完善了單點式煙霧