高見芳

（湖南科技職業(yè)學(xué)院電子信息工程與技術(shù)系，湖南長沙 410118）

智能家居安全防范系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

高見芳

（湖南科技職業(yè)學(xué)院電子信息工程與技術(shù)系，湖南長沙 410118）

通過TI公司的MSP430F149實(shí)現(xiàn)智能家居安全防范系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)、紅外監(jiān)測(cè)及自動(dòng)報(bào)警等幾個(gè)功能.該系統(tǒng)從硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件部分包括：溫度、紅外、煙霧檢測(cè)電路和報(bào)警電路；而軟件部分則是通過初始化程序、反饋型號(hào)處理的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、鏈接命令文件的編寫來實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能.該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、集成度高、可靠性高、功能易擴(kuò)展、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn).

智能家居；自動(dòng)報(bào)警；MSP430F149；DS18B20；MQ－2

智能家居，又稱智能建筑，它是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)，結(jié)合人的個(gè)性需求，對(duì)家居進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理，實(shí)現(xiàn)更安全、更方便、更舒適的居家生活環(huán)境［1］.智能家居主要包括安全防范系統(tǒng)、家用電器自動(dòng)控制系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)和家居燈光控制系統(tǒng).本文基于MSP430F149［2－8］單片機(jī)設(shè)計(jì)一款智能家居安全防范系統(tǒng).

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文采用MSP430F149為核心安全防范系統(tǒng)（見圖1），它包括溫度采集電路、紅外采集電路、煙霧檢測(cè)電路等家居信息采集電路，LCD液晶顯示電路和報(bào)警電路.該系統(tǒng)通過串口通信線與PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信.

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方框圖

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1.1 MSP430F149的CPU結(jié)構(gòu)及功能

MSP430F149的CPU結(jié)構(gòu)如圖2所示.主要包含下列模塊：時(shí)鐘電路、看門狗定時(shí)器、定時(shí)器＿A、定時(shí)器＿B、6個(gè)8位并行端口（其中P1、P2具有中斷功能）、模擬比較器COMPARATOR＿A、12位A／D轉(zhuǎn)換器、2通道串行通信接口（通過軟件選擇UART／SPI模式）、1個(gè)硬件乘法器、1個(gè)Flash以及2KB的RAM.

圖2 MSP430F149的CPU結(jié)構(gòu)

1.1.2 MSP430F149最小系統(tǒng)

該單片機(jī)芯片組成的最小系統(tǒng)包括電源電路、晶振電路和復(fù)位電路.其中電源電路采用雙電源供電方式，見圖3.一路是＋5V，另一路是＋3.3V.＋5V是通過開關(guān)電源獲得，它是給外圍模塊電路供電；＋3.3V通過LM1117－3.3V［3］芯片穩(wěn)壓得到3.3V電壓，它給CPU內(nèi)核和芯片3.3V的外設(shè)供電.

圖3 雙電源供電電路

該電路具有電源輸出的紋波系數(shù)小，能降低對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的干擾等特點(diǎn).

1.1.3 串口通信電路

該系統(tǒng)采用RS－232通信協(xié)議的串口通信電路，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)的通信處理.由于單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信時(shí)接口電平不同，采用MAX3232［9］來完成接口電平的轉(zhuǎn)換.具體的RS－232電路圖如圖4所示.從圖中可以看出，在管腳C1－、C2＋、C2－、V＋和V－分別放置0.1μF的電容實(shí)現(xiàn)充電作用，滿足相應(yīng)的充電泵的要求.管腳T1OUT、TIN、R1OUT和RIN分別是232轉(zhuǎn)換的輸入／輸出腳，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的TTL電平與上位機(jī)的接口電平的轉(zhuǎn)換.考慮到減小電源的干擾，還需要在芯片的電源輸入管腳加一個(gè)0.1μF（C15）的電容來實(shí)現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾.實(shí)際調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，連接到單片機(jī)的兩個(gè)端口應(yīng)該加接4.7k左右的上拉電阻，以防止單片機(jī)I／O口在Floating狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生大量的不確定電平，造成串口接收到大量的亂碼.

圖4 RS－232接口電路連接圖

1.1.4 信號(hào)采集電路

（1）紅外傳感器電路

紅外傳感器主要實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的防盜報(bào)警功能，采用HS0038B紅外熱釋電模塊，采集侵入人員的紅外信息，經(jīng)IR腳送到單片機(jī)處理，通過蜂鳴器發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)警.圖5為紅外傳感器采集電路.

圖5 紅外采集電路圖

（2）溫度傳感器電路

本電路采用DS18B20［10］，它是美國DALLAS公司生產(chǎn)的“一線總線”接口的數(shù)字化傳感器，具有微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、易與微處理器接口等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供微處理器接收處理.該電路通過對(duì)溫度信息的采集轉(zhuǎn)換，經(jīng)2腳送到單片機(jī)處理，再由LCD顯示.若溫度信號(hào)超過一個(gè)設(shè)定值則會(huì)由蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，并進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié).溫度傳感器電路如圖6所示.

圖6 溫度傳感器電路

（3）煙霧傳感器電路和液晶顯示模塊

采用MQ－2煙霧傳感器，它具有較寬的濃度范圍，對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，特別對(duì)家庭有毒氣體如液化氣、丙烷、氫氣等的泄漏靈敏度較高，并且氣體檢測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單.該電路圖如圖7所示.

圖7 煙霧傳感器電路

LCD顯示模塊采用市面上現(xiàn)有的1602液晶顯示模塊，它具有功耗低、價(jià)格便宜等特點(diǎn).

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 MSP430集成開發(fā)環(huán)境

該單片機(jī)采用IAR公司的MSP430集成開發(fā)環(huán)境Embedded Workbench，它能夠提供20余類不同架構(gòu)的MCU，提供風(fēng)格統(tǒng)一、編譯高效、使用方便的軟件開發(fā)工具.只要通過相應(yīng)的環(huán)境設(shè)置，用戶可以高效地對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行建立、編輯、編譯、連接和調(diào)試.

該集成開發(fā)環(huán)境還包括一個(gè)仿真環(huán)境（C－SPY），便于仿真驗(yàn)證.硬件仿真方式是在目標(biāo)硬件系統(tǒng)的真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試，除了驗(yàn)證程序，還可以檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)性能.主機(jī)將代碼通過JTAG仿真器下載到目標(biāo)系統(tǒng)的flash中運(yùn)行.從Project下拉列表中選擇Download and Debug項(xiàng)，或者點(diǎn)擊工具欄上的按鍵，在窗口中央出現(xiàn)消息框提示信息：Initializing→Erasingmain and infomemory→Downloading ap-plication.將代碼下載到目標(biāo)系統(tǒng)，啟動(dòng)C－SPY調(diào)試器顯示.

在工作區(qū)中已經(jīng)打開的窗口保留在調(diào)試器，另外還有一系列調(diào)試器專用窗口.在調(diào)試過程中暫時(shí)不用的窗口可以關(guān)閉（工程窗口不能關(guān)閉，否則將會(huì)關(guān)閉所有窗口），需要打開其他窗口則點(diǎn)擊View菜單選擇.常用窗口有：源程序窗口、監(jiān)視窗口（Watch）、局部變量窗口（Local）、堆棧調(diào)用窗口（Call Stack）、匯編窗口（Disassembly）、寄存器窗口（Register）及存儲(chǔ)器窗口（Memory）.

2.2 程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、紅外及煙霧信息采集、處理、報(bào)警，其程序流程圖如圖8所示.該系統(tǒng)通過3種傳感器對(duì)溫度、紅外和煙霧信號(hào)進(jìn)行采集，處理后與設(shè)定值進(jìn)行比較，判斷是否為異常，若正常則繼續(xù)采集相關(guān)信息，若異常則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警.

圖8 自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)流程圖

主程序部分還包括：顯示程序、DS18B20讀取的11bit溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成液晶顯示的溫度數(shù)字程序、延時(shí)程序和蜂鳴報(bào)警程序.

通過將程序進(jìn)行編輯、編譯、連接、調(diào)試和仿真等過程能夠?qū)崿F(xiàn)溫度檢測(cè)、紅外檢測(cè)、煙霧檢測(cè)及報(bào)警功能.

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)證明，利用單片機(jī)MSP430F149設(shè)計(jì)的智能家居安全防范系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)安全防范功能，達(dá)到預(yù)期的效果.

［1］崔迪.嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.大連：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

［2］秦龍.MSP430單片機(jī)實(shí)例精講［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［3］LM1117－3.3電壓轉(zhuǎn)換芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)說明書［EB／OL］.http：／／wenku.baidu.com／view／7d43bd8fcc22bcd126ff0cac.html，2005.

［4］呂敏，陳仁文，董菁.基于MSP430單片機(jī)的低功耗實(shí)時(shí)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2012，（4）：804－808.

［5］曹磊.MSP430單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［6］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)實(shí)踐與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［7］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機(jī)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［8］魏小龍.MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［9］MAX3232中文資料［EB／OL］.http：／／wenku.baidu.com／view／897ab57ca26925c52cc5bfc2.html，2007.

［10］DS18B20中文資料［EB／OL］.http：／／wenku.baidu.com／view／bfff6c3683c4bb4cf7ecd152.html，2008.

（責(zé)任編校：晴川）

Design of Intelligent Household Security System

GAO Jianfang
（Department of Electronic information＆Technology，Hunan Science＆Technology Vocational College，Changsha Hunan 410118，China）

Based on MSP430F149 from TI company，the study realizes an intelligenthousehold security system，with functions of temperaturemonitoring，smokemonitoring，infrared monitoring and automatic alarm.The design of the system is consist of hardware part and software part.The hardware part includes temperature，infrared，smoke detection circuitand alarm circuit.The software part realizes related functions through designing application programs and writing links command files of the initialization program and feedback type processing.The system is of small volume，low power consumption，high integration，high reliability，easy extension function and strong processing capacity，etc.

smart home；autoalarm；MSP430F149；DS18B20；MQ－2

TN98

A

1008－4681（2014）05－0053－03

2014－06－09

湖南科技職業(yè)學(xué)院院級(jí)應(yīng)用技術(shù)一般課題（批準(zhǔn)號(hào)：KJ13212）.

高見芳（1975－），男，湖南郴州人，湖南科技職業(yè)學(xué)院電子信息工程與技術(shù)系講師，碩士.研究方向：數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)檢測(cè).