以MSP430低功耗單片機為CPU的太陽能警報器系統(tǒng)設(shè)計

引言

我國是世界上受自然災(zāi)害影響最為嚴重的國家之一，近年來由于濫砍濫伐嚴重，自然資源過度開采，造成地質(zhì)災(zāi)害和自然災(zāi)害發(fā)生的頻率增多，破壞程度也越來越嚴重，2008年的四川汶川大地震、2010年的貴州玉樹地震都造成了嚴重的人員死亡和經(jīng)濟損失，還有各地頻發(fā)的各種泥石流、山體滑坡和水災(zāi)等都造成了不同程度的破壞，隨時威脅著人民的生命財產(chǎn)安全。每年國家在防災(zāi)、抗災(zāi)和救災(zāi)方面都要花費大量的人力物力。如果能在災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警方面下大力氣，做到準確預(yù)測災(zāi)害的來臨，災(zāi)前做好充分的準備工作，可以將災(zāi)害所造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失減到最低，也為國家節(jié)省大量的救災(zāi)資金。

太陽能防空防災(zāi)電聲警報器為各自獨立的功能部件用積木形式集成安裝在可移動的防水機箱內(nèi)外，形成獨立完整的整機結(jié)構(gòu)。采用直流供電，無線信號傳輸，對安裝條件無特殊要求，既可以分拆運輸、快速組裝，也可以整體搬運或直接推行，體現(xiàn)出安裝簡單、使用方便、機動靈活的優(yōu)點，具有多點分布，覆蓋范圍廣泛，軍地結(jié)合、平戰(zhàn)兩用的特點。

1 系統(tǒng)組成

太陽能防空防災(zāi)電聲警報系統(tǒng)，包括太陽能發(fā)電電池的直流供電部分、警報器主機、警報控制器、揚聲器組件和機箱體，其中，警報器主機由警報信號處理電路和數(shù)字音頻功放電路組成，警報控制器由MSP430單片機及其外圍電路組成的警報控制模塊、無線通訊模塊、手動控制面板、保護電路、太陽能充電控制模塊等電路組成。由自供電直流電源系統(tǒng)為警報器提供工作電源，在警報信號語音模塊中儲存警報信號，警報信號有多種，如消防和救護等防災(zāi)警報，可一種或多種。安裝在機箱上的天線接收到控制信號后，經(jīng)過無線通信模塊進行解調(diào)，傳送至控制模塊進行控制指令分析，警報控制模塊由MSP430低功耗單片機組成，控制警報信號語音模塊輸出相應(yīng)的警報信號至大功率數(shù)字功放模塊，經(jīng)過功率放大后，驅(qū)動揚聲器組發(fā)聲單元。另外為了提高設(shè)備運行的可靠性，還增加保護電路對設(shè)備運行狀況和核心功能部件等進行自檢反饋和保護控制。

2 太陽能供電系統(tǒng)

近年來，光伏發(fā)電成為發(fā)展最為迅速的產(chǎn)業(yè)之一，各國紛紛出臺相關(guān)的政策和規(guī)劃，積極發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)。我國政府也出臺了《可再生能源法》，該政策的頒布和實施，為光伏發(fā)電的發(fā)展提供了政策保障；京都議定書的簽訂，環(huán)保政策的出臺和中國對國際的承諾，給光伏發(fā)電帶來機遇，我國能源戰(zhàn)略的調(diào)整，使得政府加大對可再生能源發(fā)展的支持力度。

太陽能電池板陣是將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備，在光照的條件下，可以產(chǎn)生一定的電壓和電流。通過對多塊太陽能板進行串并聯(lián)，即可得到滿足負載要求的電壓、電流。太陽能電池板是太陽能供電系統(tǒng)中重要的發(fā)電部分，直接將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，即使在環(huán)境極端惡劣條件下，依然可以穩(wěn)定、可靠地發(fā)電。這種從光到電的轉(zhuǎn)換過程是無噪聲、無化學(xué)能源損耗、不存在自身損耗的發(fā)電，也不產(chǎn)生有害物質(zhì)，對環(huán)境沒有任何污染和改變。太陽能供電系統(tǒng)控制器是供電系統(tǒng)的核心部分，用來控制太陽能板的發(fā)電、蓄電池的充放電、負載的管理和保護。此外，還應(yīng)該具備本地顯示和遠傳監(jiān)控的功能。蓄電池是系統(tǒng)的儲能設(shè)備。用于存儲太陽能板所產(chǎn)生的多余電能，并能在太陽能板發(fā)電量無法滿足負載需要時，向負載供電。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

太陽能電池板安裝和固定在支架上，調(diào)節(jié)傾角以使太陽能板能獲得最大的太陽輻射。由于太陽能電池板安裝于室外，因此要求其支架應(yīng)具有較高的抗風能力，一般要求達到抗12級風以上。此外，支架還應(yīng)達到相應(yīng)的防腐、防銹要求，特別是在一些沿?；驆u嶼地區(qū)，還有相應(yīng)的防鹽霧要求。

3 系統(tǒng)硬件

3．1 太陽能充放電控制電路

本系統(tǒng)中太陽能板的輸出的電壓能達到140V，各電路模塊的工作電壓為96V，所以所用的蓄電池組參數(shù)為96V，5AH。該電路的防過充部分將蓄電池浮充的最高電壓限制在112 V，保證了電池和各模塊的安全，警報器在使用過程中蓄電池能量消耗較快，電壓下降明顯，當電壓下降到閾值如72 V時，過放電路切斷控制板電源使系統(tǒng)停止功率輸出，有效地保護了電池的工作安全和延長了電池的使用壽命。比較器LM2901與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4013組成窗口比較器防止繼電器在臨界點反復(fù)通斷，保護電路能實現(xiàn)預(yù)置電壓閾值的準確跟蹤和控制。

3．2 測控電路

（1）采用MSP430單片機與MSM7512B芯片組合的遠程通信與控制模塊，作為控制芯片的MSP430單片機，具有低功耗，豐富的片內(nèi)外設(shè)。這些特點使其非常適合本系統(tǒng)所處的工作環(huán)境下的信號采集、信號處理、現(xiàn)場控制和數(shù)據(jù)通信。

（2）MSM7512B是低功耗調(diào)制解調(diào)芯片，符合ITU-TV．23協(xié)議標準，半雙工通信模式，采用FSK調(diào)制解調(diào)方式，本模塊中MSM7512B輸入的語音模擬信號來自于車載電臺或?qū)χv機電路模塊，對該信號進行解調(diào)，處理后的TTL電平數(shù)字信號交給CPU處理，形成一個信號通道。

（3）如圖4中所示的基本電路中，使用帶有中斷功能的P1、P2端口進行TIL電平的數(shù)據(jù)采集輸入，P4、P5端口作為TTL電平控制的輸出，具有A／D和D／A轉(zhuǎn)換功能的P6口作為模擬量數(shù)據(jù)的采集輸入和模擬量控制的輸出，從P3端口中使用一個UART串口連接MSM7512B的TXD、RXD進行串行通信，豐富的擴展接口可以方便實現(xiàn)系統(tǒng)軟硬件的升級和改造。

4 結(jié)束語

本文系統(tǒng)地介紹了太陽能警報器的系統(tǒng)架構(gòu)，各個子模塊的功能和原理，如MSP430單片機與MSM7512B芯片配合組成的遠程測控單元的實現(xiàn)方式，太陽能電池和蓄電池之間的充放電控制電路，D類大功率模塊電路和原理，正是基于以上技術(shù)的成功應(yīng)用，使得太陽能警報器能夠在艱苦的條件和惡劣的環(huán)境中顯示出完美的性能，具有移動方便，免外圍組裝接線，電池免維護等特點，可廣泛應(yīng)用于機場驅(qū)鳥，森林防火，城市防空，水利防汛等特殊場合。