基于MSP430的煙霧報(bào)警器優(yōu)化設(shè)計(jì)

引 言

　　傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器一般由煙霧傳感器和煙霧探測(cè)芯片構(gòu)成，探測(cè)芯片接收傳感器信號(hào)并進(jìn)行處理，從而判斷是否有火災(zāi)發(fā)生。這種煙霧探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但存在誤報(bào)率高和環(huán)境適應(yīng)能力差的缺點(diǎn)。為了解決這一問(wèn)題，單片機(jī)被嵌入到報(bào)警器中，以識(shí)別傳感器因環(huán)境影響而產(chǎn)生的干擾信號(hào)。但是這樣做又帶來(lái)了其它方面的問(wèn)題：（1）采用一般的單片機(jī)，比如51單片機(jī)，會(huì)大大增加報(bào)警器的功耗，這對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間需要電池供電的煙霧報(bào)警器而言是不能接受的；（2）傳感器產(chǎn)生的是微弱的模擬信號(hào)，這一信號(hào)要經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換之后才能被單片機(jī)處理。采用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)化電路不僅增加了系統(tǒng)的功耗，還降低了系統(tǒng)的可靠性；（3）單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)不合理，致使報(bào)警器誤報(bào)率較高，操作控制也不靈活。

　　針對(duì)上述情況，本設(shè)計(jì)以TI公司的MSP430單片機(jī)為核心器件設(shè)計(jì)了一款煙霧報(bào)警器。在軟件設(shè)計(jì)中采用模糊濾波算法，提高了單片機(jī)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力和自適應(yīng)能力。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MSP430單片機(jī)簡(jiǎn)介

　　MSP430系列單片機(jī)是TI公司推出的16位超低功耗的混合數(shù)字信號(hào)處理器，它針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上。MSP430是基于精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)的16位單片機(jī)，使用8MHz晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8MIPS。MSP430單片機(jī)的電源采用1.8V～3.6V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅為0.1μA，I/O輸入端口的漏電流最大僅50nA。MSP430有正常工作模式(AM)和5種低功耗工作模式(LPM0～LPM4)。當(dāng)電源電壓為3V時(shí)，各種模式的工作電流分別為AM:340μA；LPM0:70μA；LPM2:17μA；LPM3:2μA；LPM4:0.1μA，單片機(jī)可以方便地在各種工作模式之間切換。MSP430的超低功耗使其在報(bào)警系統(tǒng)、便攜式設(shè)備等對(duì)供電要求非常苛刻的應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)良的特性。MSP430系列單片機(jī)結(jié)合了TI公司高性能的模擬技術(shù)，各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)（視不同型號(hào)而定），這些外設(shè)包括多通道高精度的ADC和DAC、片內(nèi)模擬比較器、多個(gè)具有PWM功能的定時(shí)器、片內(nèi)USART、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、看門狗定時(shí)器（WDT）、片內(nèi)數(shù)控振蕩器(DCO)、大量的I/O端口以及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器等，單片可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用需要。MSP430的高集成度使應(yīng)用人員不必在各種外設(shè)上花太多的精力，便可以方便地設(shè)計(jì)出真正意義上的單片系統(tǒng)。

　　本設(shè)計(jì)采用MSP430F2254，其主要參數(shù)如下：16KB的Flash ROM 、512B片內(nèi)RAM 、32個(gè)I/O口 、12通道10位的ADC 、3個(gè)16位定時(shí)器A和3個(gè)16位定時(shí)器B。

硬件電路設(shè)計(jì)

煙霧探測(cè)電路

　　煙霧探測(cè)采用光電傳感器，傳感器及放大電路如圖1所示。傳感器電路主要由紅外發(fā)射管D1和紅外接收管D2構(gòu)成，探測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大之后被單片機(jī)接收。

　　D1和D2被置于光電感應(yīng)室（俗稱：迷宮）中，二者之間有障礙，D1發(fā)射的紅外線不能直接被D2接收，當(dāng)有煙霧進(jìn)入迷宮時(shí)，紅外線經(jīng)煙霧折射后被D2接收，繼而轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，以此檢測(cè)煙霧的存在。單片機(jī)每隔一段時(shí)間由I/O端口P1.6輸出高、低電平，控制D1發(fā)射紅外線和停止發(fā)射，以探測(cè)煙霧。傳感器間歇性地工作，便于降低功耗。集成運(yùn)放的電源由單片機(jī)經(jīng)P1.5提供。同樣，只有在傳感器工作時(shí)，運(yùn)放才相應(yīng)地對(duì)接收信號(hào)作放大處理，避免連續(xù)工作以降低功耗。信號(hào)經(jīng)放大后通過(guò)單片機(jī)的P1.4引腳進(jìn)入MSP430片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，避免了設(shè)計(jì)獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換電路，既降低了功耗，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性。P1.4作為ADC的輸入通道A7。

報(bào)警電路

　　報(bào)警電路如圖2所示。MSP430內(nèi)部的定時(shí)器A能產(chǎn)生周期和占空比可調(diào)的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)。PWM信號(hào)由P1.3引腳輸出，經(jīng)三極管放大之后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。PWM信號(hào)占空比設(shè)定為50% ；改變信號(hào)頻率可以調(diào)節(jié)蜂鳴器聲音的大小，本系統(tǒng)設(shè)定為1kHz（頻率為1kHz時(shí)，本報(bào)警器報(bào)警聲音分貝數(shù)最大）。

低電壓監(jiān)測(cè)電路

　　電池經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的工作后，自身的電壓會(huì)逐漸降低，以至于無(wú)法維持報(bào)警系統(tǒng)正常工作。煙霧報(bào)警器對(duì)電池供電的穩(wěn)定性具有嚴(yán)格要求。本煙霧報(bào)警器具有對(duì)電源低電壓的自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能。

　　低電壓監(jiān)測(cè)電路如圖3所示。P1.1輸出高電平使Q4、Q5導(dǎo)通，VDD在R11上的壓降通過(guò)單片機(jī)P1.2引腳進(jìn)入MSP430片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器，此時(shí)P1.2作ADC的輸入通道A2。電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后與設(shè)定的安全電壓閾值作比較，從而判斷電源電壓是否正常。圖3所示VDD表示的是系統(tǒng)供電電池的電壓，本報(bào)警器選用9V干電池供電。VDD經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換后變成3.3V的VCC。

系統(tǒng)軟件

信號(hào)數(shù)據(jù)處理

　　盡管許多煙霧報(bào)警器采用單片機(jī)來(lái)處理信號(hào)，但仍存在較高的誤報(bào)率，其中一個(gè)重要的原因在于對(duì)信號(hào)的處理不夠合理。本報(bào)警器在信號(hào)數(shù)據(jù)處理的程序設(shè)計(jì)上采用了模糊推理濾波的思想，以提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力從而降低誤報(bào)率。

　　火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜，火災(zāi)信號(hào)也具有很大的隨機(jī)性，傳感器探測(cè)到的煙霧參數(shù)是無(wú)法預(yù)知和不確定的。環(huán)境變化和探測(cè)器系統(tǒng)內(nèi)部噪聲對(duì)煙霧參數(shù)會(huì)產(chǎn)生干擾，需要將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波處理，并要求信號(hào)處理算法能夠適應(yīng)各種環(huán)境因素變化的影響，自動(dòng)調(diào)整報(bào)警參數(shù)以達(dá)到既能快速探測(cè)火災(zāi)又有降低誤報(bào)率的目的。

　　模糊數(shù)學(xué)中的模糊邏輯理論較好地解決了采用精確計(jì)算和布爾邏輯難以確定的問(wèn)題，因此在軟件設(shè)計(jì)中，信號(hào)數(shù)據(jù)處理程序采用了模糊邏輯算法以解決外界干擾的模糊性和報(bào)警閾值變化之間的關(guān)系，從而達(dá)到提高探測(cè)器可靠性的目的。首先對(duì)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的煙霧信號(hào)模糊化，具體如下：當(dāng)煙霧信號(hào)值x小于閾值 B0 時(shí)，認(rèn)為沒(méi)有出現(xiàn)火警；當(dāng)信號(hào)值x大于閾值 B1時(shí)，認(rèn)為出現(xiàn)火警；當(dāng)信號(hào)值x介于B0 和B1 兩個(gè)閾值之間時(shí)，認(rèn)為可能出現(xiàn)火警，并且x越大越接近B1 時(shí)，火警出現(xiàn)的根據(jù)越充分。模糊化隸屬度函數(shù)如下：
 

　　式中，A為反應(yīng)火災(zāi)出現(xiàn)可能性的模糊量，f(x)為相應(yīng)的隸屬度。

　　外界環(huán)境的干擾信號(hào)帶來(lái)的影響是瞬態(tài)的，可采用窗口移動(dòng)濾波法來(lái)提高抗干擾能力。濾波函數(shù)如下：

　　窗口大小取值為5，當(dāng)連續(xù)有5次f(x)值不為零時(shí)，計(jì)算K值，判斷K值是否超過(guò)閾值K0 ，如果K大于或等于K0時(shí)立即報(bào)警，否則不報(bào)警。

　　在上述信號(hào)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，模糊量A是一個(gè)與溫度相關(guān)的值。報(bào)警器在探測(cè)煙霧的同時(shí)，還通過(guò)溫度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。A與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系表預(yù)先存入單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的環(huán)境溫度來(lái)查找該關(guān)系表，以確定A的值。閾值B0 、B1 和K0 是3個(gè)關(guān)系報(bào)警器精度的量，需合理設(shè)置，以確保報(bào)警器在精度符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的前提下大幅降低誤報(bào)率。

應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　IAR公司的IAR Embedded Workbench是一套支持TI MSP430處理器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言的編譯、仿真與調(diào)試。為了加強(qiáng)軟件的可讀性和可移植性，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。

　　應(yīng)用程序設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。整個(gè)程序包括：主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部分。主程序由初始化模塊、煙霧信號(hào)處理模塊兩大部分組成。中斷服務(wù)子程序由煙霧信號(hào)探測(cè)及采樣模塊、低電壓檢測(cè)模塊和系統(tǒng)自檢模塊構(gòu)成。煙霧信號(hào)探測(cè)及采樣流程如圖4所示。

　　軟件設(shè)計(jì)中的一些要點(diǎn)：(1)初始化程序時(shí)，單片機(jī)中未使用的引腳應(yīng)設(shè)置為輸出狀態(tài)，以減小功耗。(2)在采樣程序中，由于光電傳感器及信號(hào)放大電路的上電和穩(wěn)定需要一定時(shí)間，因此在開(kāi)啟A/D轉(zhuǎn)換器之前要延遲一段時(shí)間，以等待傳感器和放大電路穩(wěn)定，如圖4所示。(3)單片機(jī)中，CPU與外圍模塊之間是獨(dú)立運(yùn)行的，要靈活利用MSP430單片機(jī)的低功耗模式，以降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗。例如在信號(hào)的采樣過(guò)程中，ADC作為外設(shè)負(fù)責(zé)信號(hào)的采樣和轉(zhuǎn)換，而此時(shí)CPU可以進(jìn)入低功耗模式，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束。(4)MSP430單片機(jī)的P1和P2端口除了具有輸入輸出功能和外部模塊功能外，端口中的每一位都具有開(kāi)關(guān)中斷的功能，利用這些開(kāi)關(guān)中斷的中斷服務(wù)程序可以實(shí)現(xiàn)一些額外的功能。

結(jié)束語(yǔ)

　　MSP430內(nèi)嵌到煙霧報(bào)警器中，一方面增強(qiáng)了報(bào)警器的性能，使之更加智能化；另一方面降低了開(kāi)發(fā)難度。MSP430系列單片機(jī)型號(hào)眾多，開(kāi)發(fā)者可根據(jù)產(chǎn)品的功能和成本作合理的選擇。