基于MSP430的烟雾报警器优化设计.pdf

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1、D e s ig n A p p lic a t io n s设计 月 基于M S P 4 3 0 的烟雾报警器优化设计 Op t i mi z at i on De s i gn o f S mok e Al ar m B as e d on MS P 4 3 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

2、 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 5 1 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

3、司 的MS P 4 3 0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 华 中师 范 大学李 朋汪 亭亭吴彦 文 MS P 4 3 0单片机简介 MS P 4 3 0系 列 单 片 机 是 T l公 司 推 出的 1 6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 。 MS P 4 3 0是 基 于精简指令集 ( R I S C ) 结构的 1 6位单 片机 ，

4、使用 8 MH z晶振工作 时， 指令 速度可达 8 MIP S。MS P 4 3 0单片机的 电源采用 1 8 V 3 6 V低电压 ， R A M数 据保持方式下耗 电仅为 0 1 p A， I 0输 入端口的漏电流最大仅 5 0 n A。 MS P 4 3 0 有 正常工 作模式 ( A M) 和 5种低功耗 工作模式 M0 L P M4 ) 。当 电源电 压 为 3 V时， 各种模式 的工作 电流分 别 为 A M： 3 4 0 p A； L P MO ： 7 0 p A； L P M2 ： 1 7 p A： L P M3 ： 2 p A L P M4 ： 0 ， l p A， 单 片

5、机 可 以方便地在各种工作模式之间切 换 。 MS P 4 3 0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。 MS P 4 3 O系列单片机结合 了 T I 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A D C和D A C、 片 内模拟 比较器、 多 = 圈 1 光电传感器及信号放大电路 世界电子元器件 2 0 0 8 1 0 g e c e c c n c o r n 维普资讯 一一一 一 一一- 一 一一一 。 个具 有 P WM功 能 的定 时器

6、 、 片 内 US AR T 、 硬件乘法器 、 液 晶驱动器 、 看 门狗定 时器 ( WD T )、片 内数控 振 荡 器 ( D CO) 、 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 。 MS P 4 3 0 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MS P 4 3 O F 2 2 5 4 ， 其主 要参数如下：1 6 K B的 F l a s h R OM 、 5 1 2 B片 内 R A M 、 3

7、 2个 I O口 、 1 2通 道 1 O位的 A D C 、 3个 1 6位定 时器 A 和 3个 1 6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D 2构成 ， 探测信 号经过放 大之后被单 片机 接收。 D 1 和 D 2被置于光 电感应室( 俗 称 ： 迷 宫)中， 二者之 间有 障碍 ， D 1 发射 的红外线不能直接被D 2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

8、 隔 一 段 时 间 由 I O 端 口 P 1 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 P 1 l 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P 1 4引脚 进 入MS P 4 3 0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 。 P 1 4作 为 A DC的输 入通 道 A7 。

9、报 警 电 路 报警 电路如 图2所示 。MS P 4 3 0 L 一 一 彻 。m 内部 的 定 时 器 A 能 产 生 周 期 和 占 空 比可调 的脉 宽调制 ( P WM) 信 号。 P WM信 号 由 P 1 3引脚 输 出，经三 极管 放 大之 后驱 动 蜂 鸣器 。P WM 信 号 占空 比设定为 5 0 ； 改变信号 频率可 以调节 蜂鸣器 声音 的大 小， 本系统 设 定为 l k H z( 频 率 为 l k Hz 时， 本报警器报警声音分贝数最大) 。 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

10、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 。 P 1 1 输 出高电平使Q4 、 Q5导通 ， V D D 在 R l l 上 的压 降通过单片机 P 1 l2引 脚进 入MS P 4 3 0片 内A D转换器 ， 此 时 P 1 2作 A D C的输入通道 A 2 。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 V D D表 示的 是系统供电 电池的 电压 ， 本报警

11、器 选用 9 V干 电池供 电。V DD经过 电 压转 换后变 成 3 3 V的 V CC 。 系统软件 信 号数据处理 尽管许多烟 雾报警 器采用单片 机来处理信号 ，但仍存在较高的误 报 率 ， 其 中 一 个 重 要 的 原 因 在 于 对 信 号 的处 理 不够 合 理 。本 报 警器 在 信 号数 据 处理 的程 序 设计 上 采 VDD P 1 州 圈 2 蜂 鸣器驱动 电路 幽 3低电压监测 电路 维普资讯 D e s i g n A p p l i c a t i o n s 砹 计 胜 用 用 了模 糊 推 理 滤 波 的 思 想 ， 以提 高 系 统 的 自适应 能力从 而

12、 降低误 报率 。 火 灾现场 的环 境复 杂 ， 火灾信 号 也具有很大 的随机性 ， 传感器探 测 到 的 烟 雾 参 数 是 无 法 预 知 和 不 确 定 的 。环 境 变化 和探 测 器 系统 内部噪声对 烟雾参数 会产生干扰 ， 需要 将 A D转 换 后 的数据 经过 滤 波处理 ， 并要求 信号处理算 法能够 适应各种 环境 因素变 化的影 响，自 动调 整报 警 参数 以达到 既 能快 速 探 测火灾又有 降低误报 率的 目的。 模 糊数学中的模 糊逻辑理论较 好地解决 了采用精确计算和布尔逻 辑难 以确定 的问题 ，因此在 软件设 计 中，信 号数据 处理程序采 用了模 糊

13、逻辑算法 以解决外界干扰 的模糊 性和报警阈值变化之间的关系 ， 从而 达到提 高探测器可靠性的 目的。首 先对经过 A D转换后 的烟雾信号模 糊化 ， 具 体 如下 ： 当 烟 雾信 号 值 X 小 于阈值 B 。 时， 认为没有 出现火警； 当 信号值X 大于阈值 B ， 时， 认为 出现火 警 ； 当信 号值 X介于 B 。和 B 两个阈 值之间时， 认为可能出现火警， 并且 x 越大越接近B ， 时， 火警 出现 的根据 | 图 4采样流 程图 越充分 。模糊化隶属度 函数如下 ： f 0 ， 岛 ， ( z ) = A ( x 一 ) ， x B i 【 A ， 旦 式 中， A为

14、反应火灾 出现可能性 的模糊量 ， f ( x ) 为相应 的隶属度 。 外界环境 的干扰信号带来 的影 响是瞬态的， 可采用窗 口移动滤波法 来提高抗干扰能力。 滤波函数如下 ： 5 K= i = 1 窗 口大小取值 为 5 ， 当连续有 5 次 f ( x ) 值不 为零时 ， 计算 K值 ， 判断 K值 是 否 超 过 闽值 K 。，如 果 K大 于 或等于K 。 时立 即报警 ， 否则不报警。 在 上述 信号 数据 处理 过程 中， 模糊量 A是一个 与温度 相关 的值 。 报警器在探测烟 雾的 同时， 还通过 温度传感器对现场环境温度进行监 测。A与温度 的对 应关系表预先存 入单片

15、机 中， 单片 机根据监测到 的 环境温 度来查找该关 系表 ，以确定 A的值 。阈值 B 0 、 B 和 K 。 是 3个关 系报警器精度 的量 ， 需合理设置， 以 确保报警器在精度符合 国家标准的 前提 下大幅降低误报率 。 应 用程序设计 I A R公 司的 I A R E mb e d d e d Wo r k b e n c h是一 套支持 T I MS P 4 3 0处理 器 的集成开发环境 ，支持汇编语言 和 C语 言的编译 、 仿 真与调试 。为 了加强软件 的可读 性和可移植 性， 采用 C语 言开发应用程序 。 应 用程序设计采用模块化 的设 计 思想 。整个程 序包括

16、：主程序和 中断服务 子程序 两大部分 。主程序 由初始化模块 、烟雾信号处理模块 两大部分 组成。中断服务子程序 由 烟雾信号探测及 采样模 块、低 电压 检测模块和 系统 自检模 块构成 。烟 雾信号探测及采样流程如图 4 所示。 软件设计 中的一些 要点： ( 1 ) 初 始化 程序时 ， 单 片机 中未使 用的引 脚应设置为输 出状态 ， 以减小功耗。 ( 2 ) 在采样程序 中， 由于光 电传感器 及信号放大电路的上电和稳定需要 一 定时间 ，因此在开启 A D转换器 之前 要延迟一段 时间 ， 以等 待传 感 器和放大 电路稳 定 ， 如 图 4所 示。 ( 3 ) 单片机 中，

17、C P U与 外围模块之 间 是独立运行 的， 要灵活利用 MS P 4 3 0 单片机 的低功耗模 式 ， 以降低整 个 系统 的功 耗 。 例如在 信号 的采样 过 程 中， AD C作为外设 负责信号 的采 样 和转换 ， 而此 时CP U可 以进入低 功耗模式， 等待转换结束 。 ( 4 ) MS P 4 3 0 单 片机 的P 1 和 P 2端 口除了具有输 入 输 出功 能和外部模块 功能外 ， 端 口中的每一位都具有开关中断的功 能 ， 利 用这些 开关 中断 的中断服务 程序 可以实现一 些额外 的功能 。 结束语 MS P 4 3 0 内嵌 到 烟 雾报 警器 中 ， 一 方面增强了报警器 的性 能，使之 更 加 智 能 化 ；另 一 方 面 降 低 了开 发 难 度。MS P 4 3 0系列单 片机 型号众 多，开发者可根据产品的功能和 成 本作合理 的选择 。 圃圈 世界 电子元器件 2 0 0 8 1 0 g ecec cnco m 维普资讯