基于MSP430F149的办公楼智能监控系统的设计

摘要：为了利用现代科技手段最大程度地减少办公楼运行费用，提高运行效率，及时发现和排除各种故障，本文运用MSP430F149开发的办公楼智能监控系统，能实现室内温度、湿度的检测与控制，火情检测以及室内照明灯、饮水机的控制。系统由传感器电路、模数转换电路、主控单片机、执行机构等部分组成，利用VB6．O编制的上位机软件，可以实现办公楼环境实时数据的采集、实时数据曲线的绘制、历史数据曲线的显示、实时控制参数的修改，从而实现对办公楼环境的监测和控制。
关键词：智能建筑；MSP430F149：实时信息采集；节能

1 装置硬件设计
    办公楼智能监控系统所实现的功能为：温度、湿度调节，火灾预警，照明灯光控制和饮水机控制，此外，针对办公楼这类特殊建筑，还应包括大楼安全的集中报警、网络线路、消防通道部门的集中监控。本文设计的办公楼智能监控系统主体结构框图如图1所示，拟采用智能采集终端与PC机共同组成监测系统。其工作过程为：上位机周期性向各个下位机发送控制命令，并接收各下位机传送回来的数据，对所采集到的数据进行显示和保存。智能数据采集终端可采集模拟量数据和开关量数据，并可实现温度、湿度的检测与控制。采集终端可以接收上位机发送的命令以及将采集到的现场数据传送到上位机。

2 硬件总体设计方案
    依据上述对装置的功能规划，可将装置规划为两部分设计，智能监控系统由上位机和下位机两大部分组成，其中上位机由PC机来实现；下位机包括由MSP430F149构成的主控单片机、4×4的人机接口键盘、继电器控制电路和声光电报警电路灯。
2．1 单片机选型
    本设计选用TI公司MSP430系列超低功耗的MSP430F149单片机作为主控芯片。该芯片具有丰富的片上外围模块，所需外部元件较少，具有较高的性价比。它是由2个16位定时器、8路快速12位A／D转换器、2个通用串行同步／异步通信信号接口(USART)和148个I／O引脚等构成的微控制器。
2．2 温、湿度的检测
    采用瑞士盛世瑞恩(Sensirion)公司生产的SHT7l立式插针型温湿度传感器芯片，其性能参数为：
    全量程标定，两线数字输出；
    湿度测量范围：O～100％RH；
    温度测量范围：-40～+123．8℃；
    湿度测量精度：±3．0％RH；
    温度测量精度：±0．4℃(25℃)；
    响应时间：<4s；
    低功耗(典型30μW)
    可完全浸没。
    SHT71与单片机MSP430F149的接口电路如图2所示。

2．3 烟雾传感器选型
    本系统选用的烟雾传感器为北京瑞利威尔科技发展有限公司提供的JTYLZ-1412离子感烟器。JTY LZ-1412采用现代工艺技术制造，为自锁型探测器，当报警锁定后，须通过瞬间中断电源来使其复位。主要技术参数如下：
    工作温度范围：-10℃～49℃
    工作湿度范围：10％至93％RH
    报警复位：瞬间断电
    继电器触点参数：阻性或感性(60％功率因数)负载
    A型：2．0A@30VAC／DC
    系统电压：12VDC(最大4V波动)
    复位电压：0-73VDC(最小)
    复位时间：0．3s
    上电时间：30s
2．4 红外传感器选型
    本系统选择HN911型热释电红外探测模块来完成对人体的探测，从而实现对室内照明灯和饮水机的控制。HN911具有灵敏度高、抗干扰能力强、耐低温(-30℃)及使用方便等特点，主要用来探测人体发射出的红外线能量。模块的主要技术参数如表1所示。采用HN911的测量热体的电路如图3所示。

2．5 数据采集系统接口电路设计
    在该系统中主要考虑模拟前端为传感器，从传感器送来的是标准信号，即4mA～20mA，这样设计具有一定的通用性，只要前端接不同的传感器就可以采集不同的信号源。由于A／D转换基准为电压，也就是参考源为电压，所以A／D转换的是电压，这样需要将电流信号转换为电压信号。图4所示为具体的模拟量采集电路图。与单片机的连接如图5所示。

2．6 开关量输入电路设计
    当智能终端对现场开关量数据进行采集时，现场可能会有较大的干扰，若这些干扰随输入信号一起进入智能终端，则会使控制的准确性降低，产生误动作。因此，本系统在开关量电路和单片机之间用光电耦合器TLP521-4进行了隔离。电路如图6所示。
2．7 键盘电路设计
    矩阵键盘电路主要利用MSP430单片机的一般I／O口来进行扩展设计。矩阵键盘电路由行线和列线组成，矩阵键盘通过扫描来捕获键盘的输入。所谓扫描就是单片机不断地对行线依次设置低电平，然后检查列线的输入状态，从而确定键盘是否有输入，如图7所示为键盘的电路设计图。

2．8 RS485通信电路设计
    MSP430F149单片机的串行口输入输出均为TTL电平，这种以TTL电平传输数据的方式，抗干扰差，传输距离短。为了提高串行通讯的可靠性，增大传输距离，本系统采用RS-48 5标准串行接口。本系统选用Maxim公司的MAX3485收发器芯片。

2．9 电源电路及复位电路
    MSP430F149要求用3．3V供电，本应用中采用了TI公司TPS7xxx系列电源转换芯片中的TPS7333，将电路板外接的+5V转换成+3．3V。同时TPS7333提供系统复位信号，实现电压监控。电源电路如图9所示。

2．10 时钟电路
    MSP430F149具有三种不同频率的时钟：ACLK(辅助时钟)、MCLK(主系统时钟)和SMCLK(子系统时钟)，三种时钟分别送给不同模块。由于系统的功耗与工作频率成正比，因此灵活的时钟使系统的超低功耗成为可能。为满足不同频率时钟的需求，MSP430单片机外接32kHz的低频时钟和8MHz的高频时钟。其中32kHz时钟用于产生系统时钟，而8MHz时钟用于CPU快速工作。时钟电路外接图如图10所示。

3 软件主程序设计
    在主程序中，首先应对系统进行初始化，然后再每隔100ms执行一次如下任务：进行一次模拟量、开关量的采集，扫描一次键盘看是否有按键按下，数据采集后的滤波计算以及相应的输出控制。时间间隔由定时器A定时中断得到。当所有的任务执行完后，在下一次定时中断到来之前，为了降低系统功耗，单片机将处于低功耗模式。主程序流程图如图11所示。

4 结论
    本办公楼智能监控装置硬件结构简单，软件设计灵活，充分发挥了单片机结构紧凑、功能强大的优点，是一种电路设计新颖、参数测量准确、操作方便的智能监控装置。