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2020年12月06日 | 以MSP430低功耗单片机为CPU的太阳能警报器系统设计
2020-12-06 来源：elecfans
引言
我国是世界上受自然灾害影响最为严重的国家之一，近年来由于滥砍滥伐严重，自然资源过度开采，造成地质灾害和自然灾害发生的频率增多，破坏程度也越来越严重，2008年的四川汶川大地震、2010年的贵州玉树地震都造成了严重的人员死亡和经济损失，还有各地频发的各种泥石流、山体滑坡和水灾等都造成了不同程度的破坏，随时威胁着人民的生命财产安全。每年国家在防灾、抗灾和救灾方面都要花费大量的人力物力。如果能在灾害监测和预警方面下大力气，做到准确预测灾害的来临，灾前做好充分的准备工作，可以将灾害所造成的人员伤亡和经济损失减到最低，也为国家节省大量的救灾资金。
太阳能防空防灾电声警报器为各自独立的功能部件用积木形式集成安装在可移动的防水机箱内外，形成独立完整的整机结构。采用直流供电，无线信号传输，对安装条件无特殊要求，既可以分拆运输、快速组装，也可以整体搬运或直接推行，体现出安装简单、使用方便、机动灵活的优点，具有多点分布，覆盖范围广泛，军地结合、平战两用的特点。
1 系统组成
太阳能防空防灾电声警报系统，包括太阳能发电电池的直流供电部分、警报器主机、警报控制器、扬声器组件和机箱体，其中，警报器主机由警报信号处理电路和数字音频功放电路组成，警报控制器由MSP430单片机及其外围电路组成的警报控制模块、无线通讯模块、手动控制面板、保护电路、太阳能充电控制模块等电路组成。由自供电直流电源系统为警报器提供工作电源，在警报信号语音模块中储存警报信号，警报信号有多种，如消防和救护等防灾警报，可一种或多种。安装在机箱上的天线接收到控制信号后，经过无线通信模块进行解调，传送至控制模块进行控制指令分析，警报控制模块由MSP430低功耗单片机组成，控制警报信号语音模块输出相应的警报信号至大功率数字功放模块，经过功率放大后，驱动扬声器组发声单元。另外为了提高设备运行的可靠性，还增加保护电路对设备运行状况和核心功能部件等进行自检反馈和保护控制。
2 太阳能供电系统
近年来，光伏发电成为发展最为迅速的产业之一，各国纷纷出台相关的政策和规划，积极发展光伏产业。我国政府也出台了《可再生能源法》，该政策的颁布和实施，为光伏发电的发展提供了政策保障；京都议定书的签订，环保政策的出台和中国对国际的承诺，给光伏发电带来机遇，我国能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度。
太阳能电池板阵是将光能直接转换成电能的设备，在光照的条件下，可以产生一定的电压和电流。通过对多块太阳能板进行串并联，即可得到满足负载要求的电压、电流。太阳能电池板是太阳能供电系统中重要的发电部分，直接将太阳光能转换为电能，即使在环境极端恶劣条件下，依然可以稳定、可靠地发电。这种从光到电的转换过程是无噪声、无化学能源损耗、不存在自身损耗的发电，也不产生有害物质，对环境没有任何污染和改变。太阳能供电系统控制器是供电系统的核心部分，用来控制太阳能板的发电、蓄电池的充放电、负载的管理和保护。此外，还应该具备本地显示和远传监控的功能。蓄电池是系统的储能设备。用于存储太阳能板所产生的多余电能，并能在太阳能板发电量无法满足负载需要时，向负载供电。其系统结构如图2所示。
太阳能电池板安装和固定在支架上，调节倾角以使太阳能板能获得最大的太阳辐射。由于太阳能电池板安装于室外，因此要求其支架应具有较高的抗风能力，一般要求达到抗12级风以上。此外，支架还应达到相应的防腐、防锈要求，特别是在一些沿海或岛屿地区，还有相应的防盐雾要求。
3 系统硬件
3．1 太阳能充放电控制电路
本系统中太阳能板的输出的电压能达到140V，各电路模块的工作电压为96V，所以所用的蓄电池组参数为96V，5AH。该电路的防过充部分将蓄电池浮充的最高电压限制在112 V，保证了电池和各模块的安全，警报器在使用过程中蓄电池能量消耗较快，电压下降明显，当电压下降到阈值如72 V时，过放电路切断控制板电源使系统停止功率输出，有效地保护了电池的工作安全和延长了电池的使用寿命。比较器LM2901与单稳态触发器CD4013组成窗口比较器防止继电器在临界点反复通断，保护电路能实现预置电压阈值的准确跟踪和控制。
3．2 测控电路
（1）采用MSP430单片机与MSM7512B芯片组合的远程通信与控制模块，作为控制芯片的MSP430单片机，具有低功耗，丰富的片内外设。这些特点使其非常适合本系统所处的工作环境下的信号采集、信号处理、现场控制和数据通信。
（2）MSM7512B是低功耗调制解调芯片，符合ITU-TV．23协议标准，半双工通信模式，采用FSK调制解调方式，本模块中MSM7512B输入的语音模拟信号来自于车载电台或对讲机电路模块，对该信号进行解调，处理后的TTL电平数字信号交给CPU处理，形成一个信号通道。
（3）如图4中所示的基本电路中，使用带有中断功能的P1、P2端口进行TIL电平的数据采集输入，P4、P5端口作为TTL电平控制的输出，具有A／D和D／A转换功能的P6口作为模拟量数据的采集输入和模拟量控制的输出，从P3端口中使用一个UART串口连接MSM7512B的TXD、RXD进行串行通信，丰富的扩展接口可以方便实现系统软硬件的升级和改造。
4 结束语
本文系统地介绍了太阳能警报器的系统架构，各个子模块的功能和原理，如MSP430单片机与MSM7512B芯片配合组成的远程测控单元的实现方式，太阳能电池和蓄电池之间的充放电控制电路，D类大功率模块电路和原理，正是基于以上技术的成功应用，使得太阳能警报器能够在艰苦的条件和恶劣的环境中显示出完美的性能，具有移动方便，免外围组装接线，电池免维护等特点，可广泛应用于机场驱鸟，森林防火，城市防空，水利防汛等特殊场合。
史海拾趣
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