基于单片机MSP430防盗防火报警系统的设计与实现【字数：6360】
1、绪论
1．1课题背景
在我国21世纪以前我国的人民防盗意识并不算强，家里采取的措施也只是门锁，在农村会养狗来防止盗窃。防火意识比防盗意识更弱，很多都是发生了火灾，肉眼看到了才会去灭火。到了21世纪初，科技迅速发展，电视电话的普及，更多的公益广告深入人心，防火防盗意识更加强烈，防火防盗这一领域得到了飞速发展，很多公共场所开始安装监控摄像头来预防一些偷盗的事件发生，国家的飞速发展，人民生活水平的提高，小康社会的全面建设，人民已经追求品质生活，而居住的房屋，应该更加安全舒服，所以越来越多的防火防盗系统在家居中应用。
1．2国内外现状
国外特别是发达国家比如瑞士挪威这些高福利国家，在防火防盗上做的非常的完善，住宅网络和仪器都与网络相连，网络化程度很高，哪里有灾情，都能第一时间通知到主人与消防。这些国家的网络配置和人民的防盗防火意识都值得我国借鉴。因为现在很多设计都讲究人性化智能化，所以防火防盗报警系统已经成为了一种智能化设计，比如有智能化住宅。现在的智能化住宅就是一种非常安全可靠的安全防范系统。
自20世纪30年代以来，烟雾传感器的研究和开发迅速发展和发展。一方面提高了人们的安全意识和对环境安全和生活舒适性的要求。另一方面，传感器市场的增长受到政府安全法规的推动。据有关资料统计，1996年至2002年美国烟雾传感器年均增长率为27％至30％。随着传感器水平的逐步提高，生产技术不断提高，传感器日益小型化，集成化，使得气体检测仪器的体积也变小，提高了气体检测仪器的便携性，更有利于生产，运输和销售1）。
在20世纪70年代初，中国开始开发可燃气体报警器，其种类和种类繁多，应用范围也从单一的炼油系统扩展到危险操作环境的几乎所有类型的报警。产品的数量也在增加。但以引进国外先进的传感器技术和先进的生产技术为基础，以研发为基础，形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性方面也取得了很大进展。（2）。
从单个传感器上就能看出我国的技术层面上比国外落后许久，我国防盗防火报警系统技术相对国外来讲，是有较大差距的。现在一般居民住宅的主要防盗措施仅限于防盗窗、防盗门，虽有一定的防盗作用，在灾害发生的情况下，使逃生更加困难。另外，小区安全措施不足；居民安全意识有待增强；安全防范系统也急需普及。
在我国，一些发达城市，比如北上广，这几年新建的小区已经智能化了。目前，公安部、建设部均要求智能住宅小区必须具有安防系统。智能化建筑已经成为21世纪信息产业的一大重要组成。特别是我国，随着人民生活水平的提高，智能手机功能越来越多，能否让住宅安全信息与手机远程相关是目前一大研究问题。
1．3系统设计功能概述
单片机和各种传感器是本次系统设计的核心。单片机作为枢纽，联系各个传感器，当传感器接受的信息超过设计者的预警信息，会向单片机传输信息，单片机接受这些设备会连接到报警电路设备。本次论文主要使用了MSP430，MQ-2半导体气体烟雾传感器，红外传感器,DS18B20温度传感器作为核心器件。
要实现的系统功能有温度超过设计值报警，有烟雾报警，有红外信号报警，同时设计出了门窗5个开关，1个门开关，一个窗开关。系统具有离开模式，在离开模式中，打开门15秒内3次输入密码机会，输对关闭预警模式，输错则报警，且窗户打开立刻报警。主人进入房间时需要输入密码，同时具有修改密码权力。
1．4本课题研究的内容与安排
本次课题设计研究的是单片机和防盗防火报警系统的原理，首先对系统进行整体的规划和结构的设计，将本次设计任务分为三个部分。
1.以单片机MSP430为中央处理器，本系统主要包括温度检测模块、烟雾检测模块、人体红外感应模块、单片机主控模块、报警模块、显示模块和按键控制等，选择合适的系统方案进行硬件设计。
2.软件设计是设计对应模块的功能。软件程序分为主程序、初始化子程序、温度显示程序、报警子程序、修改密码子程序等。
3.硬件设计主要研究传感器模块与报警模块之间的连接，将采集的环境因素信号传递给单片机进行处理。就是将收集到的信号与预设值对比，如果所测温度、浓度超出阈值范围在布防区域检测到有人闯入，则蜂鸣器启动报警。。
本次设计，使用的实验箱是德州电子仪器（TI)MSP430F6638。开发环境是CCS。
具体介绍会在第二章。
本文第二章介绍了开发平台，MSP430单片机，软件硬件原理。通过传感器在单片机中的应用，体现红外烟雾温度传感器的优势。
本文第三章介绍了设计方案，通过原理框图判别连接是否正确
本文第四章介绍硬件设计，通过流程图原理图电路图来判断本次设计是否符合规定。
本文第五章介绍软件设计，通过流程图以及电路图来说明实物如何连接。
本文第六章介绍了系统测试与结果分析
从全文结构上看，第二章介绍了系统的组成部分以及使用到的传感器，为后续研究打下了基础；第三章介绍了设计方案，在设计方案中我们可以看出设计的可行性。第四，五章为本课题的主要设计部分，体现设计的结果，通过实物将一系列功能进行验证；第六章对本课题设计的硬件电路进行开发板上的硬件测试。
2、平台软硬件介绍
近些年单片机已深入应用到工农业以及人类生活的各个方面，很多类型的单片机根据需求而开发了出来。单片机可以看作微控制器或微处理器。因为其体积小，功能广泛，成本低，所以可以应用到所有的电子系统。由此也可以应用到报警系统。比如红外传感器可以探测到人出入房间，烟雾与温度传感器可以检测到火灾情况，在温度超过设置温度时及时报警，提醒人们。
2.1、MSP430系列单片机
本次设计的单片机由导师配备。MSP430系列是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。这是一套完整的教学开发系统，功能齐全，上面配有液晶显示屏与蜂鸣器。系统核心CPU采用TI公司MSP430系列16位超低功耗MCU中最新的F6638芯片。德州仪器的MSP430系列超低功耗微控制器包含多款设备，它们特有面向多种应用的不同外设集合。采用五种低功率模式的架构经过了优化，可延长便携式测量应用中的电池使用寿命。该器件具有一个强大的16位RISCCPU、16位寄存器和有助于获得最大编码效率的常数发生器。数控振荡器(DCO)可在3µs(典型值)内从低功耗唤醒至运行模式。
德州仪器的MSP430系列超低功耗微控制器包含多款设备，它们特有面向多种应用的不同外设集合。采用为了延长便携式测量应用的电池寿命，五种低功率模式的架构都经过了优化。该器件具有一个强大的16位RISCCPU、16位寄存器和有助于获得最大编码效率的常数发生器。数控振荡器(DCO)可在3µs(典型值)内从低功耗唤醒至运行模式。根据型号的不同，MSP430时钟系统多可以使用3个振荡器（3）。这3个振荡器分别为：
（1）DCO振荡器
DCO振荡器在芯片内部。DCO的振荡频率会受周围环境温度和MSP430工作电压的影响，不用则关闭，且同一型号的芯片所产生的频率也不相同,但DCO的调节功能可以改善它的性能。
（2）LFXT1接低频振荡器
典型为直接连接在XIN与XOUT之间。当接32768HZ的时钟振荡器时，振荡器不需要接负载电容。若接450KHZ~8MHZ的标准晶体振荡器时，需要接负载电容。LXFT1产生的频率信号是ACLK.低速时钟，需要经过上百毫秒才能稳定下来。
（3）XT2接450KHZ~8MHZ的标准晶体振荡器。
2.1.1MSP430特点与MSP40F6638引脚图结构框图
MSP430单片机的特点:处理能力强：MSP430系列单片机采用精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。运算速度快。MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)
超低功耗：MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环(FLL和FLL+)时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器(32768Hz)，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制（4）。
MSP430F6638引脚图如图2.1.1所示，结构框图如2.1.2所示。
图2.1.1MSP430F6638引脚图
图2.1.2MSP430F6638结构框图
2.1.2MSP430最小系统
单片机最小系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对于MSP430系列单片机来说,最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路（5)。如
图2.1.2所示。
图2.1.2最小系统
2.2、CCS开发环境
CodeComposerStudio是一种集成开发环境(IDE)，支持TI的微控制器和嵌入式处理器产品系列。CodeComposerStudio包含一整套用于开发和调试嵌入式应用的工具。它包含了用于优化的C/C++编译器、源码编辑器、项目构建环境、调试器、描述器以及多种其他功能。CodeComposerStudio将Eclipse软件框架的优点和TI先进的嵌入式调试功能相结合，为嵌入式开发人员提供了一个功能丰富的开发环境。
2.3、传感器的选择
本课题研究的是一种基于MSP430的防火防盗报警系统设计。整个设计流程，包括从系统描述直至硬件实现，可以在一个完整的设计环境中完成。
2.3.1 MQ-2半导体烟雾传感器介绍
1.MQ-2气体传感器使用的气敏材料是在清洁空气中的低导电性二氧化锡(SnO2)。当传感器所在的环境中存在可燃气体时，随着空气中可燃气体浓度的增加，传感器的导电性增加。使用简单的电路就可以将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器（6）。
2.烟雾模块的特点：a.具有信号输出指示。b.双路信号输出（模拟量输出及TTL点评输出）。c.TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平信号灯亮，可直接连接单片机）。d.在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度e.长寿命、低成本。
3.使用说明：MQ-2的4脚输出被加到比较器U1A的两脚，Rp构成比较器的阈值电压。当烟雾浓度较高输出电压高于阈值电压时，比较器输出低电平（0v），此时LED亮报警；当浓度降低传感器的输出电压低于阈值电压时，比较器翻转输出高电平（Vcc），LED熄灭。调节Rp，通过调节比较器的阈值电压来调节灵敏度。R1串入传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。
4.原理图如图2.3.1所示。
图2.3.1烟雾模块原理图
2.3.2 红外人体感应模块HC-SR501介绍
HC-SR501是一款基于热释电效应的人体热释运动传感器，能检测到人体或者动物上发出的红外线。这个传感器模块可以通过两个旋钮调节检测3~7米的范围，5秒至5分钟的延迟时间。优点在于没有辐射，功耗小，隐蔽性好，成本低。
2.3.2.1.技术参数
a).工作电压：DC5V至20Vb).静态功耗：65mAc).电平输出：高3.3V，低0Vd).延时时间：可调(0.3秒~18秒)e).封锁时间：0.2秒f).触发方式：L不可重复，H可重复，默认值为Hg.感应范围：小于120度锥角，7米以内h).工作温度：-15~+70度
2.3.2.2.功能特点
1.全自动感应：当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。
2.光敏控制(可选）：模块预留有位置，可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。3.两种触发方式：L不可重复，H可重复。可跳线选择，默认为H。
A.不可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平。
B.可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平(感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)（7）。
4.具有感应封锁时间(默认设置：0.2秒)：感应模块在每一次感应输出后(高电平变为低电平)，可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。此功能可以实现(感应输出时间和封锁时间)两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
5.工作电压范围宽：默认工作电压DC5V至20V
6.微功耗：静态电流65微安，特别适合干电池供电的电器产品。
7.输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。2.利用置于Simulink电路模型界面的DSPBuilder的SignalCompiler，将电路模型文件即Simulink模块文件转换成RTL级的VHDL代码表述和Tcl脚本。
2.3.2.3使用说明
1. 传感器模块的初始化时间约为开机后一分钟。期间模块每隔一分钟输出0-3次，并在一分钟后进入待机状态。。
2. 应尽量避免灯光和风等干扰源对感应器造成干扰。
3. 感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A 元B 元）位于较长方向的两 端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不 到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头 双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。 为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然 比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求（8）。原理图如图2.3.2所示。
图2.3.2红外原理图
2.4、DS18B20温度传感器介绍
DS18B20是DS1820之后由DALLAS半导体公司推出的最新智能温度传感器。与传统热敏电阻相比，他可以直接读取测量温度，通过简单的编程即可实现9-12位读数。可以在93.75ms和750ms内分别完成9和12个数字量，并且从DS18B20读取或写入DS18B20信息的信息只需要通过接口线（单线接口）读写，从数据总线温度变换功率，总线本身也可以在没有额外电源的情况下为DS18B20供电。因此，DS18B20可以使系统结构更简单，更可靠。
2.4.1 工作原理
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温原理如图2.4所示。低温系数晶体振荡器的振荡频率受温度影响很小。它用于产生一个固定频率的脉冲信号到计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值（9）。
图2.4测温原理图
2.4.2、主要特性
1.适应电压范围3.0V～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
2.DS18B20与微处理器之间仅需要—条口线即可双向通讯。
3.支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯—的三线上，实现组网多点测温。
4.不需要外围元件，全部传感元件及转换电路集成在看起来像一只三极管的电路内。
5.测温范围－55℃～＋125℃，在－lO℃～＋85℃时精度为±0.5℃。
6.可编程的分辨率为9位～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
7.在9位分辨率时，最多93.75ms便可把温度转换为数字，12位分辨率时最多750ms便可把温度值转换为数字。
8.直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
9.电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20遵循单总线协议，每次测温时必须有初始化、传送ROM命令、传送RAM命令、数据交换等4个过程。
2.4.3 内部结构
主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列号在出厂前就被光刻好，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。内部结构图如2.4.2所示。
图4DS18B20温度传感器内部结构
2.4.DS18B20管脚排列
1.GND为电源地;2.DQ为数字信号输入/输出端;3.VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)
2.5、本章小结
本章首先介绍了MSP430的具体特点以及结构引脚过构造，其次介绍了开发环境CCS，在之后具体介绍了使用的三个传感器，并具体介绍了其原理，特点，使用说明。本着能耗低，成本低，使用方便的原则选取了三个型号的元器件。
3、设计方案
本章将对设计方案进行详细的介绍。硬件由MSP430F6638单片机、晶体振荡器、蜂鸣器组成。本系统的功能设计目标应该包括以下几
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