摘要：具有應急照明功能的煙霧感知報警電路在現(xiàn)代化高樓大廈中有廣泛的應用前景。本系統(tǒng)采用MSP430單片機作為主控核心，應用成熟的光電檢測電路來監(jiān)測煙霧，應急照明采用市電檢測和光電檢測并用的方法。與以前的分立系統(tǒng)相比這套系統(tǒng)布線簡化，可靠性高，并且降低了成本，產(chǎn)品也更加智能化。
關鍵詞：MSP430；煙霧監(jiān)測；光控檢測
在現(xiàn)代的高樓大廈或者公共場所，各種安全設備的設立是必不可少的。煙霧報警器、應急照明燈是其中兩種人們常見的安全設備。煙霧報警器一般由煙霧傳感器和煙霧探測芯片組成。應急照明燈一般都由一套充放電電路，連接在室內(nèi)電源上。在建筑物內(nèi)，它們都需要單獨布線，這樣既浪費資源又影響美觀。如果有種產(chǎn)品既能實現(xiàn)應急照明功能，又可兼顧煙霧感知報警，那么問題就迎刃而解了，如圖1所示。
1 系統(tǒng)設計
由于系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是應急照明和煙霧報警這兩方面的功能，所以可以把系統(tǒng)分成幾個主要的部分分別設計，以下是系統(tǒng)組成框圖。以MSP430單片機作為整個電路的核心控制單元，通過它控制其他模塊來完成各種操作。電源電路采用集成三端穩(wěn)壓器，不僅要完成給蓄電池充電，還有滿足系統(tǒng)正常運行。系統(tǒng)許多模塊都很容易比較成熟的應用實例，這里不再復述，下面重點介紹幾個重要模塊的設計。
2 中央處理單元
本文選擇MSP430單片機為核心器件。MSP430系列單片機是TI公司推出的16位超低功耗的混合數(shù)字信號處理器，它針對實際應用需求，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1．8～3．6V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(tǒng)、便攜式設備等對供電要求非?？量痰膽弥斜憩F(xiàn)出優(yōu)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(nèi)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(nèi)模擬比較器、多個具有PWM功能的定時器、片內(nèi)USART、硬件乘法器、液晶驅動器、看門狗定時器(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)存儲器等，單片可以滿足絕大多數(shù)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(tǒng)。
3 煙霧探測電路
本系統(tǒng)主要是通過煙霧監(jiān)測電路和光控電路采集外部環(huán)境信號，再通過中央處理單元進行分析并判斷系統(tǒng)工作模式。所以煙霧監(jiān)測電路和光控電路作為系統(tǒng)前端是非常重要的。圖2是煙霧報警電路的電路圖。
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(fā)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(jīng)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(fā)射紅外線和停止發(fā)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(jīng)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(xù)工作以降低功耗。信號經(jīng)放大后通過單片機的P1．4引腳進入MSP430片內(nèi)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(tǒng)的可靠性。P1．4作為ADC的輸入通道A7。
4 應急燈檢測電路
該電路由兩部分組成，一個是市電檢測電路，另一個是光控檢測電路。只有同時滿足這兩個條件時，中央處理單元才會給外圍控制電路發(fā)出信號點亮應急燈(見圖3)。這部分電路不僅要有硬件電路，同時還需要軟件輔助。
電阻R9和LED燈接在整流濾波電路之后，其主要作用是：當市電正常工作時，LED正常發(fā)光(可做電源指示燈判斷市電是否正常)。此時無論其工作場所的光線強弱與否，光敏電阻Rg均呈低阻狀態(tài)，三極管截止，給單片機的P1．3口送高電平，通過內(nèi)部程序控制使應急燈燈不亮。
當市電斷開，我們可以通過LED指示燈熄滅來判斷。但是如果工作場所光線較強時，光敏電阻Rg仍舊呈低阻狀態(tài)，控制電路使應急燈不亮。但是當市電斷開且工作場所光線較弱時，光敏電阻Rg將呈高阻態(tài)。此時三極管導通，給單片機的P1．3口送低電平，通過內(nèi)部控制程序點亮應急燈。
5 信號數(shù)據(jù)處理
火災現(xiàn)場的環(huán)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(shù)是無法預知和不確定的。環(huán)境變化和探測器系統(tǒng)內(nèi)部噪聲對煙霧參數(shù)會產(chǎn)生干擾，需要將A／D轉換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理，并要求信號處理算法能夠適應各種環(huán)境因素變化的影響，自動調整報警參數(shù)以達到既能快速探測火災又有降低誤報率的目的。
模糊數(shù)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(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(jīng)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(xiàn)火警，當信號值x大于閾值B1時，認為出現(xiàn)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(xiàn)火警，并且x越大越接近B1時，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為反應火災出現(xiàn)可能性的模糊量，f(x)為相應的隸屬度。
6 軟件系統(tǒng)設計
IAR公司的IAR Embedded Workbench是一套支持TI MSP430處理器的集成開發(fā)環(huán)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(fā)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、應急燈信號處理模塊三大部分組成。中斷服務子程序由煙霧信號探測及采樣模塊、應急燈信號探測及處理模塊、低電壓檢測模塊和系統(tǒng)自檢模塊構成。煙霧信號探測及采樣流程如圖4所示。
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(wěn)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(wěn)定。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(xiàn)一些額外的功能。
7 結束語
本文所設計的電路是對煙霧報警電路和應急照明電路結合，很好的解決了引言中所提出的問題，提高了建筑的空間和電力的利用率。并且將MSP430內(nèi)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(fā)難度。MSP430系列單片機型號眾多，開發(fā)者可根據(jù)產(chǎn)品的功能和成本作合理的選擇。
下載文檔
