MSP430的距離煙霧報警器的設(shè)計

貴州應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 向登菊

隨著經(jīng)濟技術(shù)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，但是也由于這些，火災(zāi)和有毒氣體中毒的安全問題也在我們身邊孕育而生，火災(zāi)和有毒氣體中毒使許多人在這美好的生活中悄然逝去，讓多少幸福美滿的家庭最后弄得凄零凋落，對于突發(fā)性火災(zāi)不及時控制就會造巨大的損失，隨著傳感器技術(shù)的不斷演練和發(fā)展，煙霧傳感器讓這個問題得到解決，它可以及時的發(fā)現(xiàn)事故并提醒我們及時采取有效控制措施，所以煙霧傳感器的選擇必須滿足對可燃性氣體和有毒氣體的靈敏度要高的條件，因此設(shè)計一款能實現(xiàn)濃度顯示及報警限設(shè)置的煙霧報警器非常重要，本設(shè)計使用MSP430F149單片機和MQ-2型半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。另外還使用了HC-SR04超聲波檢測距離報警，可實現(xiàn)智能安裝煙霧報警系統(tǒng)。

根據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)顯示，近年來全球每年發(fā)生的火災(zāi)600—700萬起，這個數(shù)據(jù)可以讓全世界為之動容，所以我們?nèi)绾翁崆鞍l(fā)現(xiàn)火災(zāi)并及時采用有效控制措施是一個維護社會安定的重大問題。這里采用先進的電子科學(xué)技術(shù)——傳感器，它的主要功能是：煙霧檢測器對環(huán)境中的煙霧濃度進行檢測分析，煙霧檢測器將信號傳送單片機，單片機再將信號進行整理分析，最后濃度信息會在顯示屏上顯示，當(dāng)檢測濃度超過設(shè)置值時，最終蜂鳴報警器響起并伴隨紅燈閃爍。這一系列的設(shè)計就可以讓我們能及時發(fā)現(xiàn)事故隱患和提前采取有效控制措施避免事故發(fā)生，確保社會安全穩(wěn)定。

1 檢測距離煙霧報警的方案設(shè)計

1.1 檢測煙霧距離報警器的設(shè)計思路

煙霧傳感器和LM393雙電壓比較器組成煙霧信號采集電路，然后將比較后的電壓傳入單片機，然后再進行A/D轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)進行分析，當(dāng)數(shù)據(jù)大于或等于某個預(yù)設(shè)值，報警電路將發(fā)出報警聲音，未出現(xiàn)報警聲為正常狀態(tài)。根據(jù)報警器所具有的功能，提出的該設(shè)計思路。

1.2 系統(tǒng)方案的選擇

單片機選擇新型的MSP430系列，MSP430單片機是16位單片機，運行的速度更快；超低的功耗；其電源電壓在1.5-6V之間，待機模式時電流小于0．1μA，適合電池供電。它具有兩種不同的時鐘系統(tǒng)，五種低功耗模式，可嵌套中斷，內(nèi)部模塊可以關(guān)閉。該單片機具有使用方便，價格適中等優(yōu)點。

報警器煙霧信息采集部分的核心采用半導(dǎo)體煙霧傳感器MQ-2。半導(dǎo)體煙霧傳感器工作穩(wěn)定性好；使用壽命長；制造成本低；并且檢測速度快，重復(fù)性好；不管使用還是維護都比較方便。

超聲波測距模塊選擇HC-SR04，探測距離2cm-450cm，精度達0.2cm。液晶顯示選擇LCD1602，其功耗低，顯示內(nèi)容豐富，外圍電路簡單，還可以顯示自定義字符。報警模塊聲音采用蜂鳴器，三極管和電阻組成一個簡單的電路，成本低，電路比較簡單。光報警采用發(fā)光二極管起到提示作用，實惠方便。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計方案根據(jù)報警器的功能進行設(shè)計，設(shè)計包括硬件和軟件兩個部分。包括熱釋電紅外傳感器探頭電路、按鍵電路、控制電路、報警電路、距離檢測電路等管理軟件組成。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊單片機

距離煙霧檢測報警器的主要部件是單片機，它一方面接收煙霧濃度的信號，另一方面要對信號進行處理分析及對其它電路的工作情況進行控制；同時，可接收有鍵按下的命令。在單片機的功能中，將模擬信號經(jīng)過單片機A/D轉(zhuǎn)換，最后在LCD顯示，同時將超聲波檢測到的距離送入液晶顯示。

2.2 電源模塊電路

由于單片機的電壓為3.3V，液晶模塊、超聲波距測模塊、煙霧傳感器模塊的電壓為5V，因此本系統(tǒng)需要提供3.3V和5V電壓。3.3V電源部分采用TI公司的AMS1117芯片來實現(xiàn)。在輸出輸入部分都用了100NF的電容，就是為了使3.3V輸出電源的波紋小，減少輸入端受干擾。

2.3 MQ-2煙霧檢測電路

這個模塊主要通過MQ-2煙霧傳感器與LM393雙電壓比較器連接，然后與單片機連接。MQ-2采集到煙霧信號后，經(jīng)過LM39比較煙霧濃度對應(yīng)的電壓信號，將電壓信號送入MSP430單片機內(nèi)進行A/D轉(zhuǎn)換和濃度比較。

2.4 HC-SRO4超聲波測距電路

HC-SRO04的工作電壓為5V，靜態(tài)工作電流小于5mA，有VCC、Trig（控制端）、Echo（接收端）、GND 4個接口，Trig與Echo在與單片機連接時先接4.7K的電阻，防止電流過大，燒壞單片機?？刂瓶诎l(fā)一個10US以上的高電平，便可以在接收口等待高電平輸出。若有高電平輸出時，超聲波檢測距離電路的計時器就開始計時，測距的時間就是從電路中的計時器開始計時到變?yōu)榈碗娖綍r的這段時間，這樣就可以測算出距離，就這樣重復(fù)多次就可掌握其變化周期，從而得出測距公式：測試距離=(高電平時間×聲速(340m/s))/2。隨后經(jīng)過單片機將測量到的距離輸出和設(shè)置的報警距離比較，超出設(shè)置值報警，同時液晶顯示屏上顯示距離。

2.5 液晶模塊顯示電路

LCD1602液晶顯示器是用5x7點陣圖形來顯示字符，它顯示的容量為2行16個字共32個字符。液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志位是不是為低電平，是低電平則表示不忙，否則這個指令失效。

LCD1602的連接圖如圖1所示。

圖1 LCD1602連接原理圖

LCD1602的引腳介紹，第1腳：GND是地電源。第2腳：VCC接+5V電源。第3腳：VEE為顯示器對比度調(diào)整端，接地電源時對比度最高，接+5V電源時對比度最弱，當(dāng)對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，可通過一個1K的緊密電位器調(diào)整對比度，一般對比電壓為0.7V左右。第4腳：RS為寄存器選擇。若為高電平時，則選擇數(shù)據(jù)寄存器，否則選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線。需要在高電平時進行度操作，當(dāng)RS和RW共同為低電平時寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時可用讀出忙信號，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時可用寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端。當(dāng)由高電平跳變成低電平時，液晶模塊則會執(zhí)行

圖2 聲光報警電路原理圖

命令。第7～14腳：D0～D7為數(shù)據(jù)I/O口。第15腳：背光燈VCC，一般直接和+5V電源相連接。第16腳：背光燈GND。

2.6 報警器以及執(zhí)行電路

這個部分電路包括聲、光報警器的執(zhí)行電路以及報警提示與指示，聲音報警的功能用一個蜂鳴器、三極管和電阻接到單片機的引腳上則可以實現(xiàn)，因為單片機的I/O電流輸送功能有限，所以使用了一個PNP型三極管來驅(qū)動蜂鳴器，P1.2端口輸出低電平，PNP三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲；P1.2端口輸出高電平，PNP三極管截止，則蜂鳴器被關(guān)閉。當(dāng)端口輸出一定頻率的信號時，可以發(fā)出預(yù)想報警聲。

由發(fā)光二極管接上電阻連上單片機的引腳，外接VCC，當(dāng)單片機的引腳被置低電平后，發(fā)光二極管被點亮，當(dāng)引腳被置高電平后，發(fā)光二極管被熄滅，即可起到報警的作用。

2.7 按鍵模塊電路

三個I/O端口P4.1、P4.3、P4.5作為輸入接口，分別與3個按鍵連接。當(dāng)按鍵斷開時，I/O端口的輸入為高電平；當(dāng)按鍵閉合時，I/O端口的輸入為低電平。三個引腳上接了電阻，是為了保證按鍵斷開時邏輯電平為高。

按鍵S3當(dāng)報警時按下就會停止報警，同時燈也熄滅，便于演示2個不同的功能。S3按下一次可設(shè)置報警距離，按S2縮短報警距離，按S4增加報警距離；S3按下二次設(shè)置煙霧報警濃度，按S2增加減小報警濃度，按S4增大報警濃度；這樣方便使用。

圖3 按鍵電路原理圖

3 程序的設(shè)計

3.1 程序設(shè)計思路與功能描述

在對所設(shè)計的課題有了整體的了解之后，首先建立程序框架的流程，再分模塊進行設(shè)計，逐個模塊實現(xiàn)其功能，完成總的程序流程。主程序首先要對整個系統(tǒng)進行初始化，然后進行按鍵掃描，設(shè)置濃度值，檢測距離，按下按鍵，看其對應(yīng)的按鍵，完成預(yù)期的功能。本設(shè)計用C語言進行編程，先分模塊進行撰寫，單獨驗證成功之后，再撰寫總程序的main函數(shù)，調(diào)用所有子程序來實現(xiàn)整體設(shè)計功能。

3.2 主程序功能

本程序接通5v直流電之后系統(tǒng)進入初始化狀態(tài)，然后進行鍵盤掃描，當(dāng)一切正常后進入報警預(yù)值設(shè)計模式，超過設(shè)置值就會伴隨蜂鳴報警器尖叫聲和紅燈閃爍，如果沒有超過就會一切保持正常沒有任何的反響。還可以通過按鍵模塊的電路設(shè)計調(diào)節(jié)檢測距離的遠近，通過按鍵調(diào)節(jié)好檢測距離值之后可以用手感應(yīng)這個待測距離，當(dāng)手的距離在所設(shè)置的距離值范圍內(nèi)就會伴隨蜂鳴報警器尖叫聲和紅燈閃爍，超過所設(shè)置的檢測距離值之后就沒有任何的反應(yīng)。不管是煙霧濃度超過設(shè)置值還是檢測距離超過設(shè)置，都會聲光報警，還可以通過鍵盤模塊的按鍵進行關(guān)閉和確認(rèn)。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換流程、煙霧報警流程、超聲波測距報警流程

A/D轉(zhuǎn)換先設(shè)置通道和采樣時間，當(dāng)有采樣輸入時進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后自動復(fù)位。煙霧報警程序在讀取處理后的煙霧值之后，判斷是否大于設(shè)置的報警限，大于蜂鳴器響起，同時發(fā)光二極管亮，工作人員則可以快速采取應(yīng)對措施，杜絕安全事故的發(fā)生。超聲波測距報警程序先發(fā)射超聲波，看發(fā)射是否完成，停止發(fā)射后，讀取時間值，然后計算距離，液晶顯示距離和聲光報警。

4 系統(tǒng)實物與調(diào)試

4.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試

按照事先畫好的電路圖，將元件以及模塊在萬能版上焊接完成，檢查無誤后，開始調(diào)試系統(tǒng)的運行情況。在調(diào)試過程中最主要的問題就是供電電壓不夠，特別是超聲波測試模塊，因為這個模塊工作電壓為5V，而通過電腦輸出的電壓剛好5V，但是設(shè)計中用到的電阻比較多，最終到達這個模塊電壓不足5V，無法正常工作，最終經(jīng)過幾次從新布局焊接，實現(xiàn)功能。然后用手在超聲波距測處檔一下，會報警提示，按下中間按鍵停止報警，用打火機氣體作為煙霧演示，MQ-2煙霧傳感器在檢測到煙霧后，會聲光報警，液晶顯示屏上會顯示距離和煙霧濃度。

4.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試

本設(shè)計C語言的編程及調(diào)試是在IAR C軟件進行的，運用方便。程序運行多次的時間才滿足本次系統(tǒng)設(shè)計的基本要求，單片機內(nèi)部寄存器的變化正常，不存在變量溢出的情況，各個變量的變化也在預(yù)料的范圍中，有參函數(shù)的返回值正確，主機程序和從機程序編譯成功，出現(xiàn)的0個錯誤和0個警告，生成了可執(zhí)行的HEX文件。

先進行顯示模塊的調(diào)試，但是本設(shè)計對顯示模塊的實時性較高，參照單片機入門與提高這本書上把程序生成的二進制代碼燒錄到MSP430F149單片機中，允許通過串行連接和MSP430通信，給單片機的特定引腳加上一段特定的時序脈沖，就可以進入程序，先讓顯示模塊顯示初始化信息，看看顯示內(nèi)容是否準(zhǔn)確無誤且清晰，如果不夠清晰可以通過調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)屏幕灰度，一直到顯示清晰美觀為止。

設(shè)計經(jīng)過硬件的焊接及軟件編程，最終基本上實現(xiàn)了預(yù)期的各項要求。在單片機及獨立按鍵的控制下，系統(tǒng)能夠通過液晶顯示屏清晰準(zhǔn)確地顯示煙霧濃度和距離信息，設(shè)計取得的創(chuàng)造性成果就是在傳統(tǒng)煙霧報警器的基礎(chǔ)上加以改善，我在此次的研究中保留了一些傳統(tǒng)報警器的設(shè)計思路也摒棄了傳統(tǒng)報警器單單只會報警的功能，從而研究出一種新型、智能、使用方便和有利于社會科學(xué)發(fā)展的煙霧報警器，對于此次研究中的距離檢測是這次設(shè)計的亮點。我利用了超聲波的定位原理可以檢測出火災(zāi)等事故的地點，所以超聲波距離檢測理論結(jié)合在單片機的開發(fā)利用中是一個不錯的創(chuàng)造性理論，從而也體現(xiàn)出設(shè)計的亮點所在。