MSP430的距离烟雾报警器的设计

贵州应用技术职业学院 向登菊

随着经济技术的快速发展，人们的生活水平不断提高，但是也由于这些，火灾和有毒气体中毒的安全问题也在我们身边孕育而生，火灾和有毒气体中毒使许多人在这美好的生活中悄然逝去，让多少幸福美满的家庭最后弄得凄零凋落，对于突发性火灾不及时控制就会造巨大的损失，随着传感器技术的不断演练和发展，烟雾传感器让这个问题得到解决，它可以及时的发现事故并提醒我们及时采取有效控制措施，所以烟雾传感器的选择必须满足对可燃性气体和有毒气体的灵敏度要高的条件，因此设计一款能实现浓度显示及报警限设置的烟雾报警器非常重要，本设计使用MSP430F149单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器可以实现这一目标。另外还使用了HC-SR04超声波检测距离报警，可实现智能安装烟雾报警系统。

根据有关的数据显示，近年来全球每年发生的火灾600—700万起，这个数据可以让全世界为之动容，所以我们如何提前发现火灾并及时采用有效控制措施是一个维护社会安定的重大问题。这里采用先进的电子科学技术——传感器，它的主要功能是：烟雾检测器对环境中的烟雾浓度进行检测分析，烟雾检测器将信号传送单片机，单片机再将信号进行整理分析，最后浓度信息会在显示屏上显示，当检测浓度超过设置值时，最终蜂鸣报警器响起并伴随红灯闪烁。这一系列的设计就可以让我们能及时发现事故隐患和提前采取有效控制措施避免事故发生，确保社会安全稳定。

1 检测距离烟雾报警的方案设计

1.1 检测烟雾距离报警器的设计思路

烟雾传感器和LM393双电压比较器组成烟雾信号采集电路，然后将比较后的电压传入单片机，然后再进行A/D转换，对数据进行分析，当数据大于或等于某个预设值，报警电路将发出报警声音，未出现报警声为正常状态。根据报警器所具有的功能，提出的该设计思路。

1.2 系统方案的选择

单片机选择新型的MSP430系列，MSP430单片机是16位单片机，运行的速度更快；超低的功耗；其电源电压在1.5-6V之间，待机模式时电流小于0．1μA，适合电池供电。它具有两种不同的时钟系统，五种低功耗模式，可嵌套中断，内部模块可以关闭。该单片机具有使用方便，价格适中等优点。

报警器烟雾信息采集部分的核心采用半导体烟雾传感器MQ-2。半导体烟雾传感器工作稳定性好；使用寿命长；制造成本低；并且检测速度快，重复性好；不管使用还是维护都比较方便。

超声波测距模块选择HC-SR04，探测距离2cm-450cm，精度达0.2cm。液晶显示选择LCD1602，其功耗低，显示内容丰富，外围电路简单，还可以显示自定义字符。报警模块声音采用蜂鸣器，三极管和电阻组成一个简单的电路，成本低，电路比较简单。光报警采用发光二极管起到提示作用，实惠方便。

1.3 系统设计

本设计方案根据报警器的功能进行设计，设计包括硬件和软件两个部分。包括热释电红外传感器探头电路、按键电路、控制电路、报警电路、距离检测电路等管理软件组成。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块单片机

距离烟雾检测报警器的主要部件是单片机，它一方面接收烟雾浓度的信号，另一方面要对信号进行处理分析及对其它电路的工作情况进行控制；同时，可接收有键按下的命令。在单片机的功能中，将模拟信号经过单片机A/D转换，最后在LCD显示，同时将超声波检测到的距离送入液晶显示。

2.2 电源模块电路

由于单片机的电压为3.3V，液晶模块、超声波距测模块、烟雾传感器模块的电压为5V，因此本系统需要提供3.3V和5V电压。3.3V电源部分采用TI公司的AMS1117芯片来实现。在输出输入部分都用了100NF的电容，就是为了使3.3V输出电源的波纹小，减少输入端受干扰。

2.3 MQ-2烟雾检测电路

这个模块主要通过MQ-2烟雾传感器与LM393双电压比较器连接，然后与单片机连接。MQ-2采集到烟雾信号后，经过LM39比较烟雾浓度对应的电压信号，将电压信号送入MSP430单片机内进行A/D转换和浓度比较。

2.4 HC-SRO4超声波测距电路

HC-SRO04的工作电压为5V，静态工作电流小于5mA，有VCC、Trig（控制端）、Echo（接收端）、GND 4个接口，Trig与Echo在与单片机连接时先接4.7K的电阻，防止电流过大，烧坏单片机。控制口发一个10US以上的高电平，便可以在接收口等待高电平输出。若有高电平输出时，超声波检测距离电路的计时器就开始计时，测距的时间就是从电路中的计时器开始计时到变为低电平时的这段时间，这样就可以测算出距离，就这样重复多次就可掌握其变化周期，从而得出测距公式：测试距离=(高电平时间×声速(340m/s))/2。随后经过单片机将测量到的距离输出和设置的报警距离比较，超出设置值报警，同时液晶显示屏上显示距离。

2.5 液晶模块显示电路

LCD1602液晶显示器是用5x7点阵图形来显示字符，它显示的容量为2行16个字共32个字符。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志位是不是为低电平，是低电平则表示不忙，否则这个指令失效。

LCD1602的连接图如图1所示。

图1 LCD1602连接原理图

LCD1602的引脚介绍，第1脚：GND是地电源。第2脚：VCC接+5V电源。第3脚：VEE为显示器对比度调整端，接地电源时对比度最高，接+5V电源时对比度最弱，当对比度过高时会产生“鬼影”，可通过一个1K的紧密电位器调整对比度，一般对比电压为0.7V左右。第4脚：RS为寄存器选择。若为高电平时，则选择数据寄存器，否则选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线。需要在高电平时进行度操作，当RS和RW共同为低电平时写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可用读出忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可用写入数据。第6脚：E端为使能端。当由高电平跳变成低电平时，液晶模块则会执行

图2 声光报警电路原理图

命令。第7～14脚：D0～D7为数据I/O口。第15脚：背光灯VCC，一般直接和+5V电源相连接。第16脚：背光灯GND。

2.6 报警器以及执行电路

这个部分电路包括声、光报警器的执行电路以及报警提示与指示，声音报警的功能用一个蜂鸣器、三极管和电阻接到单片机的引脚上则可以实现，因为单片机的I/O电流输送功能有限，所以使用了一个PNP型三极管来驱动蜂鸣器，P1.2端口输出低电平，PNP三极管导通，蜂鸣器发声；P1.2端口输出高电平，PNP三极管截止，则蜂鸣器被关闭。当端口输出一定频率的信号时，可以发出预想报警声。

由发光二极管接上电阻连上单片机的引脚，外接VCC，当单片机的引脚被置低电平后，发光二极管被点亮，当引脚被置高电平后，发光二极管被熄灭，即可起到报警的作用。

2.7 按键模块电路

三个I/O端口P4.1、P4.3、P4.5作为输入接口，分别与3个按键连接。当按键断开时，I/O端口的输入为高电平；当按键闭合时，I/O端口的输入为低电平。三个引脚上接了电阻，是为了保证按键断开时逻辑电平为高。

按键S3当报警时按下就会停止报警，同时灯也熄灭，便于演示2个不同的功能。S3按下一次可设置报警距离，按S2缩短报警距离，按S4增加报警距离；S3按下二次设置烟雾报警浓度，按S2增加减小报警浓度，按S4增大报警浓度；这样方便使用。

图3 按键电路原理图

3 程序的设计

3.1 程序设计思路与功能描述

在对所设计的课题有了整体的了解之后，首先建立程序框架的流程，再分模块进行设计，逐个模块实现其功能，完成总的程序流程。主程序首先要对整个系统进行初始化，然后进行按键扫描，设置浓度值，检测距离，按下按键，看其对应的按键，完成预期的功能。本设计用C语言进行编程，先分模块进行撰写，单独验证成功之后，再撰写总程序的main函数，调用所有子程序来实现整体设计功能。

3.2 主程序功能

本程序接通5v直流电之后系统进入初始化状态，然后进行键盘扫描，当一切正常后进入报警预值设计模式，超过设置值就会伴随蜂鸣报警器尖叫声和红灯闪烁，如果没有超过就会一切保持正常没有任何的反响。还可以通过按键模块的电路设计调节检测距离的远近，通过按键调节好检测距离值之后可以用手感应这个待测距离，当手的距离在所设置的距离值范围内就会伴随蜂鸣报警器尖叫声和红灯闪烁，超过所设置的检测距离值之后就没有任何的反应。不管是烟雾浓度超过设置值还是检测距离超过设置，都会声光报警，还可以通过键盘模块的按键进行关闭和确认。

3.3 A/D转换流程、烟雾报警流程、超声波测距报警流程

A/D转换先设置通道和采样时间，当有采样输入时进行A/D转换，转换后自动复位。烟雾报警程序在读取处理后的烟雾值之后，判断是否大于设置的报警限，大于蜂鸣器响起，同时发光二极管亮，工作人员则可以快速采取应对措施，杜绝安全事故的发生。超声波测距报警程序先发射超声波，看发射是否完成，停止发射后，读取时间值，然后计算距离，液晶显示距离和声光报警。

4 系统实物与调试

4.1 系统硬件调试

按照事先画好的电路图，将元件以及模块在万能版上焊接完成，检查无误后，开始调试系统的运行情况。在调试过程中最主要的问题就是供电电压不够，特别是超声波测试模块，因为这个模块工作电压为5V，而通过电脑输出的电压刚好5V，但是设计中用到的电阻比较多，最终到达这个模块电压不足5V，无法正常工作，最终经过几次从新布局焊接，实现功能。然后用手在超声波距测处档一下，会报警提示，按下中间按键停止报警，用打火机气体作为烟雾演示，MQ-2烟雾传感器在检测到烟雾后，会声光报警，液晶显示屏上会显示距离和烟雾浓度。

4.2 系统软件调试

本设计C语言的编程及调试是在IAR C软件进行的，运用方便。程序运行多次的时间才满足本次系统设计的基本要求，单片机内部寄存器的变化正常，不存在变量溢出的情况，各个变量的变化也在预料的范围中，有参函数的返回值正确，主机程序和从机程序编译成功，出现的0个错误和0个警告，生成了可执行的HEX文件。

先进行显示模块的调试，但是本设计对显示模块的实时性较高，参照单片机入门与提高这本书上把程序生成的二进制代码烧录到MSP430F149单片机中，允许通过串行连接和MSP430通信，给单片机的特定引脚加上一段特定的时序脉冲，就可以进入程序，先让显示模块显示初始化信息，看看显示内容是否准确无误且清晰，如果不够清晰可以通过调节电位器调节屏幕灰度，一直到显示清晰美观为止。

设计经过硬件的焊接及软件编程，最终基本上实现了预期的各项要求。在单片机及独立按键的控制下，系统能够通过液晶显示屏清晰准确地显示烟雾浓度和距离信息，设计取得的创造性成果就是在传统烟雾报警器的基础上加以改善，我在此次的研究中保留了一些传统报警器的设计思路也摒弃了传统报警器单单只会报警的功能，从而研究出一种新型、智能、使用方便和有利于社会科学发展的烟雾报警器，对于此次研究中的距离检测是这次设计的亮点。我利用了超声波的定位原理可以检测出火灾等事故的地点，所以超声波距离检测理论结合在单片机的开发利用中是一个不错的创造性理论，从而也体现出设计的亮点所在。