|
烟雾探测器与防窃电单相电表及高亮发光二极管是当今智能化建筑领域中不可少的安全控制项目。如何运用微控制器技术的嵌入式解决方案迸行设计是工程技术人员所关心的问题。为此，本文就烟雾探测器与防窃电电表等安控技术中单片机的应用作研讨。
1、烟雾探测器中设计方案
在消防安全报警系统中，烟雾传感器设计的主要要求为：低功耗，低成本，高可靠性。而MSP430F2002与MC9S08QG4微控制器具有高集成度、高性能，低功耗，高性价比和优异的可靠性，非常适合用于烟雾传感器的设计。
1.1MSP430系列单片机在烟雾探测器中的应用
1.11选择MSP430F2012芯片主要依据
MSP430 F2012单片机是一款超低功耗类型的单片机，特别适合于电池应用的场合或手持设备中。同时，该系列将大量的外围模块整合到片内，也适合于设计片上系统：有丰富的不同型号的器件可供选择，给设计者带来很大的灵活性。它是一个16位的精简指令构架，有大量的工作寄存器和数据存储器，其RAM单元也可以实现运算。
在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合，能实现数字信号处理的某些算法。其主要特点为：超低功耗架构大幅延长电池寿命：0.1μA RAM保持模式； 0.8μA实时时钟模式；250μA/MlPS工作模式；宽泛的集成智能外设缓解了CPU的工作量；现代的16位RISC CPU以更精简的代码支持新的应用。
1.12技术应用方案
烟感探头DEMO采用MSP430F2012芯片，通过24VM-BUS主机供电并实现与上位机控制系统通信。由四个模块组成：烟雾检测模块、通信模块、其他功能模块、功耗控制模块。
DEMO表每隔6秒进行一次烟雾检测，通过F2012芯片P2.O口输出32768Hz信号驱动红外发射部分发出红外线，同时使片内10A/D对经过LM358放大后的红外接收信号进行连续8次的采集转换，取其平均值作为检测结果，在此之前100ms打开片内AD和参考电压，并对LM358进行供电同时通过LED闪烁作为状态指示。一次检测完成后关闭该模块所有供电以降低系统功耗，同时将检测结果与预设报警门限值进行比较，超过门限DEMO则向主机发送报警信息和检测结果，报警门限值可以在系统运行过程中由主机控制进行修改。
每个DEMO具有一个2个字节长度的ID作为设备地址，存储在F2012片内信息FLASH的0x1000处，初始值为FFFF，当DEMO接收到上位机发送的修改地址指令和新的ID之后进行相应修改。DEMO中的初始烟感门限值为0xB0，在接收到上位机发送的门限修改指令和新的门限值后进行相应的修改。
*主要指标
工作电压为24VDC；功耗，静态小于25μA，监测时小于600μA；检测间隔：1次／6秒；报警反应时间为4秒；探头灵敏度可根据实际需要修改。
1.2基于MC9S08QG4的烟雾传感器应用设计
图1表示了烟雾传感器的一般结构。环路中的每一只烟雾传感器都具有唯一的地址编码。
1.21选择MC9S08QG4芯片主要依据
主要考虑MC9S08QG4微控制器具有以下特征：20MHzHCS08CPU支持高效C语言编程；4KBFLASH，256字节RAM；内部时钟源可以以0.2％的分辨率调整；12个功能丰富的双向通用I/O，1个输入和1个输出端口；8通道10位ADC具有转换结果自动比较功能，可在CPU休眠时独立工作；带有内部参考电压的轨到轨模拟比较器；1个8位定时器，一个16位两通道定时器；通用异步串行通讯接口，SPI和I2C；1.8-3.6V工作，4种低功耗模式，工作频率可在应用中切换；看门狗，低电压检测非法操作码和非法操作数检测功能提高可靠性。
1.22设计方案与特点
图1表示了烟雾传感器的一般结构。环路中的每一只烟雾传感器都具有唯一的地址编码。MC9S08QG4用于烟雾传感器设计方案的技术特点。
*时钟选择以及低功耗设计
MC9S08QG4具有4种低功耗模式，且其内部时钟源可以方便地切换不同的系统工作频率。在烟雾传感器的设计实践中，一般有两种设计模型，即使用休眠模式。与不使用休眠模式。
当不使用休眠模式时，MC9S08QG4常见的工作频率为250kHz到16kHz之间，此时，可以选用1MHz、455kHz或32kHz的晶体或陶瓷谐振器与引脚组成振荡电路，并且关闭微控制器内部的锁频环倍频电路，MC9S08QG4一直保持工作而不进入休眠状态。在3V供电、外接455kHzt6振器和内部2分频工作时其工作电流约为200μA。工作在此模式下的一个设计实例其总工作电流小于400μA。
当使用休眠模式时，MC9S08QG4的工作状态根据不同的处理需要被实时调节。大部分时司它处于STOP3模式，工作电流为750nA。实时中断定时器产生一个周期性的中断唤醒微控制器，然后打开ADC启动转换后继续进入STOP3，由ADC转换完成或者自动比较功能唤醒。总线接口的引脚也可以通过其键盘中断功能唤醒微控制器进行通讯。工作在此模式下的一个设计实例其总平均工作电流略高于300μA。
*使用FLASH存储器模拟EEPROM
MC9S08QG4的内部FLASH存储器具有10万次擦写周期，在整个工作电压范围内都可以编程和写入。在应用FLASH模拟FEPROM时，需要考虑的问题有4点：第一、FLASH擦写代码的执行。FLASH在进行擦写时，FLASH阵列被加上编程电压，此时从FLASH中取指是不安全的，因此需要把擦写FLASH的代码复制到RAM中执行。第二、FlASH擦写时序的参考时钟。MC9S08QG4内部建立了FLASH擦写的硬件的序，由它控制编程电压的发生和延时。为了使内部时序正常工作，要提供正确的参考时钟fFCLK(150kHz-200kHz之间，超出这个范围可能造成FLASH擦写不完全或者影响FLASH单元的寿命)。第三、FLASH擦写周期。FLASH只能按页(对于MC9S08QG4，一个页面的大小为512字节)擦除，按字节编程(MC9S08QG4还支持突发编程)。一个完整的擦写周期的定义为：FLASH擦除操作之司的所有操作，包含一次按页擦除和多次按字节编程。因此可以使用一些数学的方法来交臂使用一个页面内的512字节存储空间，从而减少FLA5H的擦写次数，延长寿命。 第四、FLASH写保护和中断向量表重新定位。当用户程式中包含对FLASH操作的代码时，就会存在FLASH被无意改写的潜在危险，所以需要打开FLASH的写保护功能。MC9S08QG4的FLASH写保护机制被使能后，如果中断向量表也被重新定位，则用户程式—定要重新映射中断服务程序的入口地址，否则任伺中断的发生将导致程式崩溃。
*关于ADC数据采集和转换
ADC工作的基础时钟fADCK可以是总线频率或其分频结果，或者独立的异步本地时钟当ADC工作于低功耗模式时，fADCK应该在400kHz到4MHz之间。假如MC9S08QG4工作于227.5kHz总线频率，则必须使用ADC的异步本地时钟提供其工作基础时钟以保证其精度。
ADC模块提供的自动比较功能可以方便应用设计，比如可以设置一个阈值，只有当转换结果大于或者等于该阈值时，才通过中断去处理辖换结果，否则抛弃转换结果以节省CPU和工作电流。
2、单相防窃电电表设计方案
2.1MSP430FE42X单相防窃电电表方案
MSP430FE42X系列单片机将电能计量模块直接嵌入在MSP430十六位单片机内部，相当干把一个电计量芯片与一个MCU的结合，他使得单相电表的设计进一步简化，成本也得到进一步的降低。
MSP430FE42X不是将电能计量模块与MSP4301~CPU的简单结合，他还提供了对内部模块的控制。如果我们用在单相电表的设计，我们可以直接启动内部电能计量模块ESP430，如果我们用于一些其他的需要16位A/D的产品中时，可以禁止ESP430模块，直接对前置可变增益放大器和A/D转换器控制，因而这款单片机在产品设计中有很大的灵活性。图2为由MSP430FE42X单片机为核心的单相防窃电电表系统设计方案图。
MSP430FE42X多功能电能表电子模块有多种板型结构，可直接安装在单相电度表内。该产品可通过掌上电脑，以无线红外或有线方式进行参数设置和数据抄收；也可通过表上的四个按键进行设置和查询。此外，还配有RS485接口，可通过RS485进行参数设置和数据抄收。
*主要功能
包括电量计量，需量、负荷计量(可选)，费率管理，时间管理，事件记录，输出接口，显示，通讯接口，按键操作及掌上电脑(HandyComputer)操作等。
*主要技术指标
电量计量精度<1%；计时精度，时钟记时误差为<±0.5 s/d，时段切换误差为<0．1 S；电气性能包括电子模块功耗为<3VA和工作电压范围为0.8~1.2额定电压及电池寿命>10年；环境条件包括工作温度-20℃--+55℃和运输存储温度为-25℃-+70℃及相对湿度为<95%；电磁兼容性包括静电放电抗扰性≥8KV、射频辐射电磁场抗扰性10V/M、电快速瞬变脉冲群抗扰性≥4KV及浪涌抗扰性≥4KV；红外通讯距离为≥4m。
2.2基于ADE7169的防窃电单相表的设计
2.21设计要求
为单相1级，其电压为~220V，IB=5A，IMAX=40A，CF=3200；有LCD显示；具备RS485及红外通讯接口；具备防窃电功能，即零/火线调换窃电及掉零窃电；具备事件记录功能，能够准确记录每次窃电事件发生的具体时间；具备停电显示功能。
2.22实现技术与方案比较
实现技术分别为：LCD驱动+MCU；UART+红外调制；需要同时计量零线和火线电流；需要掉零防窃电功能；电池供电管理；有实时时钟。其设计方案分常用方案(见图3(a)所示)与ADI单芯片方案(见图3(b)所示)二种。值此，对二种方案可作如下对比：常用方案是，多芯片方案集成度低；高故障率/低可靠性；硬件校表；多芯片采购难度大；计量功能单—；整体成本高。而ADI单芯片方案是，单芯片方案集成度高；高可靠性故障率/低故障率/；软件校表；单芯片采购容易；计量功能丰富，性能高；整体成本低。从中看出ADI单芯片防窃电单相表的设计方案比常用方案优越得多。而图3(c)为ADI单芯片方案中的核心部分—硬件设计方框示意图。
2.23关于防窃电技术
具有两路电流输入采样和内部窃电判断；通过数字增益调节，两路电流增益可以保持一致；当检测到掉零线故障时，可以按照电流有效值计量；具有自动窃电检测，不需要额外的程序设计。
3、智化建筑领域需要高亮发光二级管
当今智建筑领域中的安控技术与项目中需要高亮发光二级管。而近年来已面世的新技术能使LED能够达到更高的功率水平。这设备称为高亮LED(HB-LED)，亦迅速用于多种照明应用。
要让HB-LED实现最高亮度，通过HB-LED的正向电流必须保持恒定水平。实际上，恒定电流通常通过闭合回路电流控制DC-DC转换器来实现。基于微控制器(MCU)的解决方案可为系统设计带来更大的灵活性，因此具有较大的吸引力。值此就微控制器MC9RS08KA2在高亮发光二级管中的应用作说明。
*基本结构
HB-LED驱动需要恒定电源。它通常需要闭环控制。人们一般采用转换模式调节方法而不是直线调节方法来驱动HB-LED。开关调节器有著更高的功能转换效率及较适合用于数字设计上。假设电源电压是高于所需的HB-LED正向电压，开关调节器会通过电源电压斩波来进行整流，控制斩波时的占空比可以控制输出的平均电流。斩波机制的执行很简单，只需使用一个功率场效应晶体管(MOSFET)充当开关来断开电源和用电设备之司的电流，MOSFET由脉宽调制(PWM)输出控制，其中的斩波频率亦相等于PWM输出的频率。
如不要让设备上的电流被切断，则必须使用电感来确保当电源被切断时，电流亦不会被立刻切断。在开关的循环过程中，能量保存在电感中。电源被切断时，保存的能源释放出来，继续为设备供电。这种拓扑称为buck变换器(buck converter)。
要系统能够保持恒定的输出电流。做法是采用低欧姆电阻(通常1Ω-5Ω)来监控HB-LED的正向电流。该电阻将正向电流转换成电压，并与恒定参考电压VREF进行比较。图4是基于MC9RS08KA2的简单buck变换器系统示意图。
KA2收集电压测量VSENSE值，并与简易电位计创建的固定参考电压VREF进行比较。如果VSENSE高于VREF，表示HB-LED正向电流高于目标值。这时KA2会逐渐降低驱动SWl的占空比，直到VSENSE降低到参考值以下。相反，当VSENSE低于VREF时占空比会逐渐增加，直到VSENSE增加VREF以上。
*说明
目前，即使最低端的8位MCU都具有足够的CPU带宽，不仅能执行DC-DC操作，还可以在应用中增加更多功能而几乎不需要增加成本。如飞思卡尔提供的MCU亦支援各种通信标准，如ZigBee，LIN，CAN等，这为LED照明提供了巨大的应用空间。 |
