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(多图) 基于MSP430的烟雾报警器优化设计

华中师范大学 李朋 汪亭亭 吴彦文?? 2008年10月27日 ?? 收藏0

  引 言

  传统的烟雾报警器一般由烟雾传感器和烟雾探测芯片构成,探测芯片接收传感器信号并进行处理,从而判断是否有火灾发生。这种烟雾探测器结构简单、成本低,但存在误报率高和环境适应能力差的缺点。为了解决这一问题,单片机被嵌入到报警器中,以识别传感器因环境影响而产生的干扰信号。但是这样做又带来了其它方面的问题:(1)采用一般的单片机,比如51单片机,会大大增加报警器的功耗,这对于长时间需要电池供电的烟雾报警器而言是不能接受的;(2)传感器产生的是微弱的模拟信号,这一信号要经过放大、模数转换之后才能被单片机处理。采用独立的A/D转化电路不仅增加了系统的功耗,还降低了系统的可靠性;(3)单片机软件设计不合理,致使报警器误报率较高,操作控制也不灵活。

  针对上述情况,本设计以TI公司的MSP430单片机为核心器件设计了一款烟雾报警器。在软件设计中采用模糊滤波算法,提高了单片机对环境的监测能力和自适应能力。

  系统硬件设计

  MSP430单片机简介

  MSP430系列单片机是TI公司推出的16位超低功耗的混合数字信号处理器,它针对实际应用需求,把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上。MSP430是基于精简指令集(RISC)结构的16位单片机,使用8MHz晶振工作时,指令速度可达8MIPS。MSP430单片机的电源采用1.8V~3.6V低电压,RAM数据保持方式下耗电仅为0.1μA,I/O输入端口的漏电流最大仅50nA。MSP430有正常工作模式(AM)和5种低功耗工作模式(LPM0~LPM4)。当电源电压为3V时,各种模式的工作电流分别为AM:340μA;LPM0:70μA;LPM2:17μA;LPM3:2μA;LPM4:0.1μA,单片机可以方便地在各种工作模式之间切换。MSP430的超低功耗使其在报警系统、便携式设备等对供电要求非常苛刻的应用中表现出优良的特性。MSP430系列单片机结合了TI公司高性能的模拟技术,各成员都集成了较丰富的片内外设(视不同型号而定),这些外设包括多通道高精度的ADC和DAC、片内模拟比较器、多个具有PWM功能的定时器、片内USART、硬件乘法器、液晶驱动器、看门狗定时器(WDT)、片内数控振荡器(DCO)、大量的I/O端口以及大容量的片内存储器等,单片可以满足绝大多数的应用需要。MSP430的高集成度使应用人员不必在各种外设上花太多的精力,便可以方便地设计出真正意义上的单片系统。

  本设计采用MSP430F2254,其主要参数如下:16KB的Flash ROM 、512B片内RAM 、32个I/O口 、12通道10位的ADC 、3个16位定时器A和3个16位定时器B。

  硬件电路设计

  烟雾探测电路

  烟雾探测采用光电传感器,传感器及放大电路如图1所示。传感器电路主要由红外发射管D1和红外接收管D2构成,探测信号经过放大之后被单片机接收。

烟雾探测采用光电传感器

  D1和D2被置于光电感应室(俗称:迷宫)中,二者之间有障碍,D1发射的红外线不能直接被D2接收,当有烟雾进入迷宫时,红外线经烟雾折射后被D2接收,继而转化成电信号,以此检测烟雾的存在。单片机每隔一段时间由I/O端口P1.6输出高、低电平,控制D1发射红外线和停止发射,以探测烟雾。传感器间歇性地工作,便于降低功耗。集成运放的电源由单片机经P1.5提供。同样,只有在传感器工作时,运放才相应地对接收信号作放大处理,避免连续工作以降低功耗。信号经放大后通过单片机的P1.4引脚进入MSP430片内A/D转换器,避免了设计独立的A/D转换电路,既降低了功耗,同时也提高了系统的可靠性。P1.4作为ADC的输入通道A7。

  报警电路

  报警电路如图2所示。MSP430内部的定时器A能产生周期和占空比可调的脉宽调制(PWM)信号。PWM信号由P1.3引脚输出,经三极管放大之后驱动蜂鸣器。PWM信号占空比设定为50% ;改变信号频率可以调节蜂鸣器声音的大小,本系统设定为1kHz(频率为1kHz时,本报警器报警声音分贝数最大)。

报警电路

  低电压监测电路

  电池经过长时间的工作后,自身的电压会逐渐降低,以至于无法维持报警系统正常工作。烟雾报警器对电池供电的稳定性具有严格要求。本烟雾报警器具有对电源低电压的自动监测功能。

  低电压监测电路如图3所示。P1.1输出高电平使Q4、Q5导通,VDD在R11上的压降通过单片机P1.2引脚进入MSP430片内A/D转换器,此时P1.2作ADC的输入通道A2。电压信号经A/D转换后与设定的安全电压阈值作比较,从而判断电源电压是否正常。图3所示VDD表示的是系统供电电池的电压,本报警器选用9V干电池供电。VDD经过电压转换后变成3.3V的VCC。

低电压监测电路


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MSP430? 烟雾报警器? 模糊滤波? 单片机?

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