采用MSP430的煙霧報警器優化設計

引 言

　　傳統的煙霧報警器一般由煙霧傳感器和煙霧探測芯片構成，探測芯片接收傳感器信號并進行處理，從而判斷是否有火災發生。這種煙霧探測器結構簡單、成本低，但存在誤報率高和環境適應能力差的缺點。為了解決這一問題，單片機被嵌入到報警器中，以識別傳感器因環境影響而產生的干擾信號。但是這樣做又帶來了其它方面的問題：（1）采用一般的單片機，比如51單片機，會大大增加報警器的功耗，這對于長時間需要電池供電的煙霧報警器而言是不能接受的；（2）傳感器產生的是微弱的模擬信號，這一信號要經過放大、模數轉換之后才能被單片機處理。采用獨立的A/D轉化電路不僅增加了系統的功耗，還降低了系統的可靠性；（3）單片機軟件設計不合理，致使報警器誤報率較高，操作控制也不靈活。

　　針對上述情況，本設計以TI公司的MSP430單片機為核心器件設計了一款煙霧報警器。在軟件設計中采用模糊濾波算法，提高了單片機對環境的監測能力和自適應能力。

　　系統硬件設計

　　MSP430單片機簡介

　　MSP430系列單片機是TI公司推出的16位超低功耗的混合數字信號處理器，它針對實際應用需求，把許多模擬電路、數字電路和微處理器集成在一個芯片上。MSP430是基于精簡指令集（RISC）結構的16位單片機，使用8MHz晶振工作時，指令速度可達8MIPS。MSP430單片機的電源采用1.8V～3.6V低電壓，RAM數據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)。當電源電壓為3V時，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警系統、便攜式設備等對供電要求非常苛刻的應用中表現出優良的特性。MSP430系列單片機結合了TI公司高性能的模擬技術，各成員都集成了較豐富的片內外設（視不同型號而定），這些外設包括多通道高精度的ADC和DAC、片內模擬比較器、多個具有PWM功能的定時器、片內USART、硬件乘法器、液晶驅動器、看門狗定時器（WDT）、片內數控振蕩器(DCO)、大量的I/O端口以及大容量的片內存儲器等，單片可以滿足絕大多數的應用需要。MSP430的高集成度使應用人員不必在各種外設上花太多的精力，便可以方便地設計出真正意義上的單片系統。

　　本設計采用MSP430F2254，其主要參數如下：16KB的Flash ROM 、512B片內RAM 、32個I/O口 、12通道10位的ADC 、3個16位定時器A和3個16位定時器B。

　　硬件電路設計

　　煙霧探測電路

　　煙霧探測采用光電傳感器，傳感器及放大電路如圖1所示。傳感器電路主要由紅外發射管D1和紅外接收管D2構成，探測信號經過放大之后被單片機接收。

　　D1和D2被置于光電感應室（俗稱：迷宮）中，二者之間有障礙，D1發射的紅外線不能直接被D2接收，當有煙霧進入迷宮時，紅外線經煙霧折射后被D2接收，繼而轉化成電信號，以此檢測煙霧的存在。單片機每隔一段時間由I/O端口P1.6輸出高、低電平，控制D1發射紅外線和停止發射，以探測煙霧。傳感器間歇性地工作，便于降低功耗。集成運放的電源由單片機經P1.5提供。同樣，只有在傳感器工作時，運放才相應地對接收信號作放大處理，避免連續工作以降低功耗。信號經放大后通過單片機的P1.4引腳進入MSP430片內A/D轉換器，避免了設計獨立的A/D轉換電路，既降低了功耗，同時也提高了系統的可靠性。P1.4作為ADC的輸入通道A7。

　　報警電路

　　報警電路如圖2所示。MSP430內部的定時器A能產生周期和占空比可調的脈寬調制（PWM）信號。PWM信號由P1.3引腳輸出，經三極管放大之后驅動蜂鳴器。PWM信號占空比設定為50% ；改變信號頻率可以調節蜂鳴器聲音的大小，本系統設定為1kHz（頻率為1kHz時，本報警器報警聲音分貝數最大）。

　　低電壓監測電路

　　電池經過長時間的工作后，自身的電壓會逐漸降低，以至于無法維持報警系統正常工作。煙霧報警器對電池供電的穩定性具有嚴格要求。本煙霧報警器具有對電源低電壓的自動監測功能。

　　低電壓監測電路如圖3所示。P1.1輸出高電平使Q4、Q5導通，VDD在R11上的壓降通過單片機P1.2引腳進入MSP430片內A/D轉換器，此時P1.2作ADC的輸入通道A2。電壓信號經A/D轉換后與設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表示的是系統供電電池的電壓，本報警器選用9V干電池供電。VDD經過電壓轉換后變成3.3V的VCC。

系統軟件

　　信號數據處理

　　盡管許多煙霧報警器采用單片機來處理信號，但仍存在較高的誤報率，其中一個重要的原因在于對信號的處理不夠合理。本報警器在信號數據處理的程序設計上采用了模糊推理濾波的思想，以提高系統的自適應能力從而降低誤報率。

　　火災現場的環境復雜，火災信號也具有很大的隨機性，傳感器探測到的煙霧參數是無法預知和不確定的。環境變化和探測器系統內部噪聲對煙霧參數會產生干擾，需要將A/D轉換后的數據經過濾波處理，并要求信號處理算法能夠適應各種環境因素變化的影響，自動調整報警參數以達到既能快速探測火災又有降低誤報率的目的。

　　模糊數學中的模糊邏輯理論較好地解決了采用精確計算和布爾邏輯難以確定的問題，因此在軟件設計中，信號數據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警閾值變化之間的關系，從而達到提高探測器可靠性的目的。首先對經過A/D轉換后的煙霧信號模糊化，具體如下：當煙霧信號值x小于閾值 B0 時，認為沒有出現火警；當信號值x大于閾值 B1時，認為出現火警；當信號值x介于B0 和B1 兩個閾值之間時，認為可能出現火警，并且x越大越接近B1 時，火警出現的根據越充分。模糊化隸屬度函數如下：

　　式中，A為反應火災出現可能性的模糊量，f(x)為相應的隸屬度。

　　外界環境的干擾信號帶來的影響是瞬態的，可采用窗口移動濾波法來提高抗干擾能力。濾波函數如下：

　　窗口大小取值為5，當連續有5次f(x)值不為零時，計算K值，判斷K值是否超過閾值K0 ，如果K大于或等于K0時立即報警，否則不報警。

　　在上述信號數據處理過程中，模糊量A是一個與溫度相關的值。報警器在探測煙霧的同時，還通過溫度傳感器對現場環境溫度進行監測。A與溫度的對應關系表預先存入單片機中，單片機根據監測到的環境溫度來查找該關系表，以確定A的值。閾值B0 、B1 和K0 是3個關系報警器精度的量，需合理設置，以確保報警器在精度符合國家標準的前提下大幅降低誤報率。

　　應用程序設計

　　IAR公司的IAR Embedded Workbench是一套支持TI MSP430處理器的集成開發環境，支持匯編語言和C語言的編譯、仿真與調試。為了加強軟件的可讀性和可移植性，采用C語言開發應用程序。

　　應用程序設計采用模塊化的設計思想。整個程序包括：主程序和中斷服務子程序兩大部分。主程序由初始化模塊、煙霧信號處理模塊兩大部分組成。中斷服務子程序由煙霧信號探測及采樣模塊、低電壓檢測模塊和系統自檢模塊構成。煙霧信號探測及采樣流程如圖4所示。

　　軟件設計中的一些要點：(1)初始化程序時，單片機中未使用的引腳應設置為輸出狀態，以減小功耗。(2)在采樣程序中，由于光電傳感器及信號放大電路的上電和穩定需要一定時間，因此在開啟A/D轉換器之前要延遲一段時間，以等待傳感器和放大電路穩定，如圖4所示。(3)單片機中，CPU與外圍模塊之間是獨立運行的，要靈活利用MSP430單片機的低功耗模式，以降低整個系統的功耗。例如在信號的采樣過程中，ADC作為外設負責信號的采樣和轉換，而此時CPU可以進入低功耗模式，等待轉換結束。(4)MSP430單片機的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關中斷的功能，利用這些開關中斷的中斷服務程序可以實現一些額外的功能。

　　結束語

　　MSP430內嵌到煙霧報警器中，一方面增強了報警器的性能，使之更加智能化；另一方面降低了開發難度。MSP430系列單片機型號眾多，開發者可根據產品的功能和成本作合理的選擇。