2021年04月15日 | 基于MSP430单片机的家用烟雾报警器的设计

0 引言

近年来，全球每年发生火灾600～700万起，其中住宅火灾约占80%以上。根据2003-2006年期间的一份统计报告《美国家庭火灾烟雾报警器》发现：每1000场报道的火灾中，如果有烟雾报警器和湿式喷头存在，火灾导致的死亡率就能降低84%。国外对家庭火灾报警系统的安装早已开始推广并实行，并有许多国家以相应的法律法规严格规定执行。而我国现行的《建筑设计防火规范》(GB 50016-2006)未对住宅部分安装火灾自动报警系统有所规定。通过调研发现，现有烟雾探测器容易失效、连接断开或电池损坏，缺少电池欠压检测，存在误报警的情况，工作极不稳定。因此，本文设计了一款功耗低、可靠性高、实时性强的家用烟雾报警器。

1 系统总体设计方案

系统由主控芯片、烟雾检测模块、报警模块和电源模块四部分组成。主控芯片采用16位超低功耗单片机MSP430F2012，每隔8s进行一次烟雾检测，通过F2012芯片I/O口输出32768Hz信号驱动红外发射部分发出红外线，同时使用片内10位ADC对经过放大的红外信号进行连续4次的数据采集转换，取平均值作为检测结果。同时将检测结果与预设报警门限值进行比较，从而发送预警信息。同时还利用了430内部低频时钟VLO准确定时，高频时钟DCO高速工作，在降低系统成本的同时提高了系统的可靠性。

2 系统硬件电路的设计

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。其特点如下：电源电压采用1.8～3.6V的低电压;超低功耗，活动模式(1MHz，2.2V时为200 μA)，待机模式(0.7μA)，掉电模式(RAM数据保持，0.1 μA);5种省电模式;从待机到唤醒不超过1μs;16位精简指令集，指令周期125ns;带有两个捕获/比较寄存器的16位定时器(TIMERA);A/D转换器;10位200-ksps，通用串行接口USI;支持SPI和I2C;程序代码熔丝保护;零功耗BOR复位保护功能。本文采用Spy-Bi-Wire的JTAG调试接口，只需连接四根线，即可实现用仿真器在线编程调试程序。同时，MSP430F2012拥有2kB+256B的FLASH存储器，128B的RAM，足够系统代码量的需求。

2.2 烟雾检测模块电路

烟雾检测方式主要有离子感烟探测和光电感烟探测。离子感烟探测对电路和工艺要求高，探测器受湿度和气流等影响大，维护费用高于制造费用。本文采用光电感烟探测方式，电路如图2所示。采用特制的光学迷宫作为烟雾接收装置，内装有红外发射二极管(IRdiode)和红外接收二极管(IR receiver)，主控芯片MSP430F2012的P2.7口定期驱动红外发射部分发射红外线，若有烟雾进入光学迷宫，则产生光的散射，红外接收二极管接收光信号后产生电流信号，经运算放大器LM358转换为电压信号，送入主控芯片ADC模块通道A3进行采样转换，当判断迷宫内出现烟雾后，主控芯片驱动压电蜂鸣器发出烟雾报警声音。

2.3 报警电路

系统报警电路采用RE46C100来驱动压电蜂鸣器，该芯片电压工作范围宽(6～16V)，低功耗(空闲电流小于100nA)，采用9V电池供电。该芯片使能端HRNEN与MSP430的P2.6口连接，当HRNEN为高电平时，压电蜂鸣器产生自激振荡而发出报警声音。通过软件设置Timer A不同的定时输出，可使之发出烟雾检测、电池欠压两种不同方式的报警信号。

2.4 电源电路

系统需要提供9v和3.3V两个工作电压，9V供给RE46C100，3.3V是单片机MSP430F2012的工作电压，本电路选用稳压器TPS71533。

TPS71533是一款采用SC-70封装的高输入电压LDO(低压降)稳压器，其与微处理芯片MSP430F1232同属于美国的TI公司。该稳压器的特点是：高输入、低压降、低功耗和小型封装。芯片的输入电压范围为2.5～24V，低压降和低静态电流(最大静态电流为3.2 μA)使该芯片的功耗处于极低的水平，适用于电池供电的场合。

同时系统还实现了电池欠压检测，将电源电压直接引入MSP430F2012 ADC模块的输入P1.2口，与程序中预先设定的阀值电压进行比较，当电源电压过低时，通过报警电路提醒用户及时更换电池。

3 系统软件的设计与实现

为了便于系统维护和功能扩展，系统软件采用了模块化的设计方法，采用了C语言编程。系统软件包括主程序、中断唤醒子程序、烟雾信号检测子程序和电池电压检测子程序。主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

初始化时，将校准的1MHz DCO值送入DCO控制寄存器，再根据已校准的DCO时钟源校准VLO，MCU工作在低功耗模式LPM3。TA0每8s中断一次，MCU退出LPM3模式，调用烟雾信号检测子程序。为了避免误报警，系统只有连续3次探测到烟雾信号，才启动报警电路报警。第1次探测到烟雾信号后，VLO时钟源经4分频作为定时器A信号源，即第2次采样间隔4s;如果第2次仍探测到烟雾信号，定时器A时钟源直接由VLO输入1s采样;如果第3次仍探测到烟雾信号，系统开始警报，烟雾探测器继续以1s周期进行采样。为了降低系统功耗，在烟雾采样转换期间，MCU进入LPM3模式。

在烟雾信号检测子程序中，首先通过P2.7和P1.4口分别打开LED和运放，将ADC10设定成4次单通道连续转换，通过ADC10的DTC特性将转换结果暂存到MCU的RAM中，运放经延时稳定后启动ADC，MCU进入LPM3模式，在完成4次AD转换后DTC中断，DTC中断服务程序返回，MCU进入活动模式，然后红外发射管打开，同样延时稳定后再进行一轮4次连续AD转换，采样结束后关闭运放、红外发射管、ADC及发光二极管，最后调用计算平均值子程序，计算两次连续4次AD转换的平均值，主程序调用计算结果确定是否探测到烟雾信号。

4 结束语

本文设计了一款基于MSP430单片机的家用烟雾报警器，实现了对烟雾信号和电池欠压的精确检测。在硬件选型和软件设计中，充分考虑家用系统低成本、低功耗的要求。此系统符合国标GB20517-2006《独立式感烟火灾探测报警器》认证的要求。实践证明，此系统具有体积小、功耗低、灵敏度高、应用灵活、可靠性高、实时性强等特点，是高性能家用烟感的最佳选择方案。