一種帶應(yīng)急照明功能的煙霧感知報(bào)警電路設(shè)計(jì)

摘要：具有應(yīng)急照明功能的煙霧感知報(bào)警電路在現(xiàn)代化高樓大廈中有廣泛的應(yīng)用前景。本系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)作為主控核心，應(yīng)用成熟的光電檢測(cè)電路來監(jiān)測(cè)煙霧，應(yīng)急照明采用市電檢測(cè)和光電檢測(cè)并用的方法。與以前的分立系統(tǒng)相比這套系統(tǒng)布線簡(jiǎn)化，可靠性高，并且降低了成本，產(chǎn)品也更加智能化。
關(guān)鍵詞：MSP430；煙霧監(jiān)測(cè)；光控檢測(cè)

    在現(xiàn)代的高樓大廈或者公共場(chǎng)所，各種安全設(shè)備的設(shè)立是必不可少的。煙霧報(bào)警器、應(yīng)急照明燈是其中兩種人們常見的安全設(shè)備。煙霧報(bào)警器一般由煙霧傳感器和煙霧探測(cè)芯片組成。應(yīng)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(dú)布線，這樣既浪費(fèi)資源又影響美觀。如果有種產(chǎn)品既能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急照明功能，又可兼顧煙霧感知報(bào)警，那么問題就迎刃而解了，如圖1所示。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    由于系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的是應(yīng)急照明和煙霧報(bào)警這兩方面的功能，所以可以把系統(tǒng)分成幾個(gè)主要的部分分別設(shè)計(jì)，以下是系統(tǒng)組成框圖。以MSP430單片機(jī)作為整個(gè)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(yùn)行。系統(tǒng)許多模塊都很容易比較成熟的應(yīng)用實(shí)例，這里不再復(fù)述，下面重點(diǎn)介紹幾個(gè)重要模塊的設(shè)計(jì)。

2 中央處理單元
    本文選擇MSP430單片機(jī)為核心器件。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1．8～3．6V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(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)。
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3 煙霧探測(cè)電路
    本系統(tǒng)主要是通過煙霧監(jiān)測(cè)電路和光控電路采集外部環(huán)境信號(hào)，再通過中央處理單元進(jìn)行分析并判斷系統(tǒng)工作模式。所以煙霧監(jiān)測(cè)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(bào)警電路的電路圖。

    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。

4 應(yīng)急燈檢測(cè)電路
    該電路由兩部分組成，一個(gè)是市電檢測(cè)電路，另一個(gè)是光控檢測(cè)電路。只有同時(shí)滿足這兩個(gè)條件時(shí)，中央處理單元才會(huì)給外圍控制電路發(fā)出信號(hào)點(diǎn)亮應(yīng)急燈(見圖3)。這部分電路不僅要有硬件電路，同時(shí)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(dāng)市電正常工作時(shí)，LED正常發(fā)光(可做電源指示燈判斷市電是否正常)。此時(shí)無論其工作場(chǎng)所的光線強(qiáng)弱與否，光敏電阻Rg均呈低阻狀態(tài)，三極管截止，給單片機(jī)的P1．3口送高電平，通過內(nèi)部程序控制使應(yīng)急燈燈不亮。
當(dāng)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(chǎng)所光線較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻Rg仍舊呈低阻狀態(tài)，控制電路使應(yīng)急燈不亮。但是當(dāng)市電斷開且工作場(chǎng)所光線較弱時(shí)，光敏電阻Rg將呈高阻態(tài)。此時(shí)三極管導(dǎo)通，給單片機(jī)的P1．3口送低電平，通過內(nèi)部控制程序點(diǎn)亮應(yīng)急燈。
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5 信號(hào)數(shù)據(jù)處理
    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。

6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    IAR公司的IAR Embedded Workbench是一套支持TI MSP430處理器的集成開發(fā)環(huán)境，支持匯編語言和C語言的編譯、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語言開發(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、應(yīng)急燈信號(hào)處理模塊三大部分組成。中斷服務(wù)子程序由煙霧信號(hào)探測(cè)及采樣模塊、應(yīng)急燈信號(hào)探測(cè)及處理模塊、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。

    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。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關(guān)中斷的功能，利用這些開關(guān)中斷的中斷服務(wù)程序可以實(shí)現(xiàn)一些額外的功能。

7 結(jié)束語
    本文所設(shè)計(jì)的電路是對(duì)煙霧報(bào)警電路和應(yīng)急照明電路結(jié)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(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，另一方面降低了開發(fā)難度。MSP430系列單片機(jī)型號(hào)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。