基于低功耗單片機MSP430的新型一氧化碳報警器設(shè)計

我國每年都發(fā)生多起室內(nèi)一氧化碳中毒死亡事故，其他各種室內(nèi)一氧化碳中毒事故也頻繁發(fā)生，一氧化碳已成為危害人們身體健康的一大殺手。

少量一氧化碳中毒的癥狀并不明顯，很多人開始以為自己得了感冒，但長期如此，就會造成積蓄性的中毒，出現(xiàn)頭暈、乏力、惡心等癥狀。因此，針對目前的實際需要，設(shè)計了超低功耗、高可靠性、高適應(yīng)性、高靈敏性、低成本性的一氧化碳報警器。該報警器的核心部分由性能優(yōu)越的MSP430F147和高靈敏性的電化學(xué)傳感器NT-C0-6D構(gòu)成。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計

1．1 電化學(xué)傳感器NT-Co一6D

報警器選擇了電化學(xué)氣體傳感器NT-C0-6D，他采用了3個多孔性電極進行一氧化碳濃度的測量，有效地防止了電解液的泄漏。該傳感器具有反應(yīng)時間短(<30 s)、探測范圍寬(O～1 000 ppm)以及使用壽命長等特點，完全滿足工業(yè)現(xiàn)場以及家庭生活的需要。利用該傳感器，可做出靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用范圍廣、工作壽命較長等優(yōu)良特性的報警器。

1．2 MSP430F147微控制器

報警器選擇MSP430F147作為控制器，其共有5種低功耗工作模式(LPM0～LPM4)和1個激活模式(AM)，本系統(tǒng)選用其中的4種低功耗模式LPM0，LPM2，LPM3和LPM4進行工作。其中對MSP430F147的功耗控制是通過系統(tǒng)交替工作于高、低速2種時鐘和通過軟件設(shè)置其不同工作模式來完成，在電源電壓為3．O V時，各種模式和其工作電流分別為AM：340 μA；LPM0：70μA；LPM2：17 μA；LPM3：2μA；LPM4：O．1 μA。任何低功耗的模式都可以由任何的中斷喚醒，從而回到激活模式，且轉(zhuǎn)換時間低于6 μs。利用MSP430F147的高集成度，可與電源管理電路、時鐘電路、外部存儲器、復(fù)位電路和反饋電路等聯(lián)合使用。

1．3 ICL7663管理電路

報警器選擇了ICL7663管理電路作為電源管理控制系統(tǒng)，其靜態(tài)工作電流只有10μA，輸入電壓范圍為1．5～16 V，輸出電壓范圍為1．3～16 V，由于他的功耗極低，非常適合該報警器的要求。硬件電路如圖1所示。

1．4 時鐘電路簡介

本系統(tǒng)配置2個外部時鐘源，一個為低速的輔助時鐘(ACLK)，一個為高速的主時鐘(MCLK)，其中ACLK時鐘源搭配的是32．768 Hz的手表晶振，他可以為報警器提供穩(wěn)定的時間基準，還可以降低微控制器的功耗，而為MCLK時鐘源配置4 MHz的晶振，采用此電路作為微控制器的外部時鐘源部分。

1．5 X25045外部存儲器和復(fù)位電路簡介

參照報警器的功能要求，選用X25045作為報警器的外部存儲器和復(fù)位電路。X25045將E2PROM、看門狗定時器、電壓監(jiān)控3種功能組合在單個芯片內(nèi)，集成度高，大大簡化了電路設(shè)計，縮小了報警器的整體體積，降低了功耗和成本；而且還可以拓展看門狗定時器的功能--可根據(jù)不同的要求，對其進行不同的定時沒置，而當報警器系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，利用其中的復(fù)位功能，可慢報警器恢復(fù)正常工作，提高了報警器的穩(wěn)定性。

1．6 D-AB反饋電路簡介

為了盡可能地完善報警器的功能，保障其工作狀態(tài)，設(shè)計D-AB電路作為報警器的反饋控制電路部分，其可以分為信號選擇分配系統(tǒng)D和濃度反饋控制系統(tǒng)B 3部分，其中D系統(tǒng)主要由脈沖發(fā)生器構(gòu)成，A，B系統(tǒng)共用一個雙二一四譯碼器74LS139，以便進行相應(yīng)反饋調(diào)節(jié)。該反饋電路原理簡單、元件數(shù)目很少、且都是集成器件、體積小、功耗極低、穩(wěn)定性高、成本低。

整個硬件系統(tǒng)的原理如圖2所示。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計

一氧化碳傳感器將所測得的濃度數(shù)據(jù)ω傳送到微處理器，并將其和設(shè)定值β1，β2，β3相比較：當ω<β1時，輸出數(shù)據(jù)"00"，表示一切正常；當β1<ω<β2時，輸出數(shù)據(jù)"01"，表示有少量氣體，打開通風(fēng)設(shè)備；當β2<ω<β3時，輸出數(shù)據(jù)"10"，進行通風(fēng)的卜司時報警；當ω>β3時，輸出數(shù)據(jù)"1l"，通風(fēng)同時進行緊急報警處理。程序流程圖如圖3所示。

3工作原理簡介

報警器采用自報模式，當空氣中的一氧化碳濃度數(shù)據(jù)沒有明顯變化時處于低功耗模式，此時主時鐘(MCLK)以及內(nèi)部的數(shù)字整蕩器(DC)均不工作，微控制器儀由低速輔助時鐘(ACLK)驅(qū)動，系統(tǒng)功耗很低。

當一氧化碳濃度發(fā)生改變時，由一氧化碳傳感器輸出一個具有一定寬度的濃度脈沖信號。此信號作為外部中斷，喚醒處于低功牦模式的微控制器，在6μs內(nèi)微控制器恢復(fù)到激活工作狀態(tài)，給處于斷電狀態(tài)的電路和反饋系統(tǒng)供電。然后，微控制器將檢測到的濃度信號進行處理，并將相應(yīng)反饋控制信號傳送到反饋系統(tǒng)。進入反饋系統(tǒng)后，經(jīng)過信號選擇分配系統(tǒng)D，將微處理器處理后的數(shù)據(jù)通過信號脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的控制脈沖傳送到對應(yīng)的反饋系統(tǒng)A或B中，A系統(tǒng)在相應(yīng)脈沖的控制下，調(diào)整微處理器進入不同的低功耗模式，并使微處理器自動調(diào)整到與之相對應(yīng)的濃度標值；B系統(tǒng)在相應(yīng)脈沖的的控制下，進行反饋調(diào)節(jié)，如開通其通風(fēng)設(shè)備，進行報警以及報警的等級，之后進入低功耗摸式，等待下次數(shù)據(jù)輸入。

當微控制器由內(nèi)部定時中斷喚醒后，控制報警器對一氧化碳濃度進行檢測，若發(fā)現(xiàn)有改變量時，將對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送到反饋系統(tǒng)，而后轉(zhuǎn)入低功耗模式工作。

4 特點簡介

本報警器不僅繼承了以往的各種報警器的功能和優(yōu)點，還對一些方面的功能進行了提高和改進。

(1)低功耗性。報警器內(nèi)的各組成部分均由低功耗元器件構(gòu)成，在報警器未工作時，MSP430F147微控制器處于低功耗模式，而其他耗電器件均處于斷路狀態(tài)，實現(xiàn)了最大可能的低功耗。

(2)高可靠性。報警器內(nèi)的器件均盡可能地采用集成器件，且對個部分的電路進行了優(yōu)化，并采用無線電源，降低了傳輸過程中的風(fēng)險；報警器的復(fù)位電路和維修功能、定時檢測功能，使報警器的可靠性大為提高。

(3)高靈敏性。報警器選用高靈敏性、高精度的電化學(xué)傳感器NT-CO一6D，工作模式轉(zhuǎn)換時間低于6μs的MSP430F147微控制器，高速高效的時鐘電路，設(shè)計周全的反饋系統(tǒng)，均使得報警器的靈敏性更好。

(4)低成本性。報警器在保證性能的前提下，盡可能地選用價格低廉的元器件，并盡可能的優(yōu)化精簡電路，使其性價比盡可能的降低，以最大限度地拓寬使用者范圍。

5 結(jié) 語

本報警器采用超低功耗的單片機和性能穩(wěn)定、選擇性好的電化學(xué)傳感器，結(jié)合了以往報警器的優(yōu)點。經(jīng)驗證，能有效地完成報警任務(wù)。