基于低功耗單片機(jī)MSP430的新型一氧化碳報(bào)警器設(shè)計(jì)

我國(guó)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(zhǎng)期如此，就會(huì)造成積蓄性的中毒，出現(xiàn)頭暈、乏力、惡心等癥狀。因此，針對(duì)目前的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)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(bào)警器。該報(bào)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(jì)

1．1 電化學(xué)傳感器NT-Co一6D

報(bào)警器選擇了電化學(xué)氣體傳感器NT-C0-6D，他采用了3個(gè)多孔性電極進(jìn)行一氧化碳濃度的測(cè)量，有效地防止了電解液的泄漏。該傳感器具有反應(yīng)時(shí)間短(<30 s)、探測(cè)范圍寬(O～1 000 ppm)以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，完全滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)等優(yōu)良特性的報(bào)警器。

1．2 MSP430F147微控制器

報(bào)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(gè)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(jìn)行工作。其中對(duì)MSP430F147的功耗控制是通過(guò)系統(tǒng)交替工作于高、低速2種時(shí)鐘和通過(guò)軟件設(shè)置其不同工作模式來(lái)完成，在電源電壓為3．O V時(shí)，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(shí)間低于6 μs。利用MSP430F147的高集成度，可與電源管理電路、時(shí)鐘電路、外部存儲(chǔ)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(bào)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(bào)警器的要求。硬件電路如圖1所示。

1．4 時(shí)鐘電路簡(jiǎn)介

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

1．5 X25045外部存儲(chǔ)器和復(fù)位電路簡(jiǎn)介

參照?qǐng)?bào)警器的功能要求，選用X25045作為報(bào)警器的外部存儲(chǔ)器和復(fù)位電路。X25045將E2PROM、看門狗定時(shí)器、電壓監(jiān)控3種功能組合在單個(gè)芯片內(nèi)，集成度高，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，縮小了報(bào)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(shí)器的功能--可根據(jù)不同的要求，對(duì)其進(jìn)行不同的定時(shí)沒(méi)置，而當(dāng)報(bào)警器系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，利用其中的復(fù)位功能，可慢報(bào)警器恢復(fù)正常工作，提高了報(bào)警器的穩(wěn)定性。

1．6 D-AB反饋電路簡(jiǎn)介

為了盡可能地完善報(bào)警器的功能，保障其工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)D-AB電路作為報(bào)警器的反饋控制電路部分，其可以分為信號(hào)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(gè)雙二一四譯碼器74LS139，以便進(jìn)行相應(yīng)反饋調(diào)節(jié)。該反饋電路原理簡(jiǎn)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(gè)硬件系統(tǒng)的原理如圖2所示。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一氧化碳傳感器將所測(cè)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(dāng)ω<β1時(shí)，輸出數(shù)據(jù)"00"，表示一切正常；當(dāng)β1<ω<β2時(shí)，輸出數(shù)據(jù)"01"，表示有少量氣體，打開通風(fēng)設(shè)備；當(dāng)β2<ω<β3時(shí)，輸出數(shù)據(jù)"10"，進(jìn)行通風(fēng)的卜司時(shí)報(bào)警；當(dāng)ω>β3時(shí)，輸出數(shù)據(jù)"1l"，通風(fēng)同時(shí)進(jìn)行緊急報(bào)警處理。程序流程圖如圖3所示。

3工作原理簡(jiǎn)介

報(bào)警器采用自報(bào)模式，當(dāng)空氣中的一氧化碳濃度數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯變化時(shí)處于低功耗模式，此時(shí)主時(shí)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(shí)鐘(ACLK)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)功耗很低。

當(dāng)一氧化碳濃度發(fā)生改變時(shí)，由一氧化碳傳感器輸出一個(gè)具有一定寬度的濃度脈沖信號(hào)。此信號(hào)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(cè)到的濃度信號(hào)進(jìn)行處理，并將相應(yīng)反饋控制信號(hào)傳送到反饋系統(tǒng)。進(jìn)入反饋系統(tǒng)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)選擇分配系統(tǒng)D，將微處理器處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制脈沖傳送到對(duì)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(jìn)入不同的低功耗模式，并使微處理器自動(dòng)調(diào)整到與之相對(duì)應(yīng)的濃度標(biāo)值；B系統(tǒng)在相應(yīng)脈沖的的控制下，進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，如開通其通風(fēng)設(shè)備，進(jìn)行報(bào)警以及報(bào)警的等級(jí)，之后進(jìn)入低功耗摸式，等待下次數(shù)據(jù)輸入。

當(dāng)微控制器由內(nèi)部定時(shí)中斷喚醒后，控制報(bào)警器對(duì)一氧化碳濃度進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)有改變量時(shí)，將對(duì)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(diǎn)簡(jiǎn)介

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

(1)低功耗性。報(bào)警器內(nèi)的各組成部分均由低功耗元器件構(gòu)成，在報(bào)警器未工作時(shí)，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(shí)現(xiàn)了最大可能的低功耗。

(2)高可靠性。報(bào)警器內(nèi)的器件均盡可能地采用集成器件，且對(duì)個(gè)部分的電路進(jìn)行了優(yōu)化，并采用無(wú)線電源，降低了傳輸過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)；報(bào)警器的復(fù)位電路和維修功能、定時(shí)檢測(cè)功能，使報(bào)警器的可靠性大為提高。

(3)高靈敏性。報(bào)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(shí)間低于6μs的MSP430F147微控制器，高速高效的時(shí)鐘電路，設(shè)計(jì)周全的反饋系統(tǒng)，均使得報(bào)警器的靈敏性更好。

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

5 結(jié) 語(yǔ)

本報(bào)警器采用超低功耗的單片機(jī)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(bào)警器的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，能有效地完成報(bào)警任務(wù)。