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1、基于单片机的CO监测系统的设计The Design Of CO monitoring alarm system Based On SCM学生：指导老师：摘要文中设计了一种基于MSP430系列单片机的一氧化碳监测报警系统。针对市场上成本高，功能华而不实，缺乏针对性的一氧化碳检测仪，本文提出了一套能够解决以上问题的基于MSP430系列单片机的一氧化碳监测报警系统。考虑到成本，本人对各个硬件模块做了详细的比对，最终系统采用MSP439f169单片机作为处理器，选用使用寿命较长的MQ-9传感器作为一氧化碳的感应器；同时，在数据的处理除了进行采样量化之外，还对温度和湿度进行了补偿，保证了数据的准确性，基
2、本上完成了传统的检测仪的监测功能。此外，本人针对市场上检测仪的使用状况，加入了无线传输的功能，可以将与一氧化碳相对应的数据发送出来进行异地显示，能够达到远程实时监控的效果，大大提高了该系统的可用性，符合现实使用中的需要。关键词MSP439f169；MQ-9一氧化碳气体传感器；一氧化碳监测AbstractIn this paper, I design a kind of carbon monoxide monitoring alarm system based on MSP430 series SCM.In view of the high cost , rhetorical function,
3、 lack of corresponding carbon monoxide detector on the market, this paper puts forward a set of scheme that can solve the above problem of carbon monoxide monitoring alarm system based on MSP430 series SCM.Considering the cost, I made a detailed comparison of various hardware module,and the system a
4、dopts MSP439f169 single-chip microcomputer as the processor, choose a longer service life of MQ - 9 sensors as carbon monoxide sensor;At the same time, in addition to the processing of data sampling quantization, has also made compensation for temperature and humidity, ensures the accuracy of the da
5、ta, basically completed the traditional monitoring function of the detector.In addition, I based on the using status of machines on the market, joined the wireless transmission function to the system, and carbon monoxide corresponding data can be sent out to carry on the different display,it can ach
6、ieve remote real-time monitor,that has greatly increased the availability of the system, in accordance with the needs in real use.Key wordsMSP439f169ingle-chip microcomputer;MQ - 9 carbon monoxide gas sensor;Carbon monoxide monitor目 录第1章 绪论1 1.1一氧化碳的危害1 1.2一氧化碳检测仪的种类2 1.3课题的背景和意义3第2章 监测系统总体设计5第3章 一氧
7、化碳检测系统硬件选择设计6 3.1传感器的选择及其结构设计6 3.2处理芯片的选择11 3.3无线传输模块的选择12 3.4液晶显示的选择14 3.5报警电路的选择15 3.6电源电路的设计16第4章 软件设计17 4.1软件设计结构的设计17 4.2时钟模块的设计18 4.3模数转换模块的设计18 4.4无线传输模块的设计19 4.5按键模块的设计21第5章 结论与展望23 5.1结论23 5.2前景展望24参考文献25致 谢26附录27第1章 绪论1.1一氧化碳的特性及危害一氧化碳是一种无味、无色、无臭的有毒气体。在标准状况下，其沸点为负191.5，熔点为负199，密度为l.25g/L，这
8、与标准状况下空气密度1.293g/L相差很小；因为和空气的密度相差很小，有无色无味，不容易引起人们的警觉，所以比较容易被忽略而发生煤气中毒的事故。一氧化碳具有可燃性、还原性和氧化性，这是由一氧化碳的化学性质所决定的。因为一氧化碳分子中碳元素的化合价是正2价，能进一步被氧比成正4价。所以一氧化碳能够和空气中的氧气发生氧化还原反应，燃烧生成二氧化碳。这进一步从化学性质的角度解释了一氧化碳可燃性和爆炸性的原因。在空气中，一氧化碳的爆炸极限为12.5%74%的含量,在空气中遇到明火或者温度过高时可能产生爆炸，给人们带来巨大的损失。一氧化碳中毒（carbon monoxide poisoning），亦称
9、煤气中毒。在家庭居室通风差的情况下，煤炉中煤炭燃烧不充分产生的煤气或液化气泄露都可能导致一氧化碳中毒；而在工业生产中，矿井中的存在的一氧化碳更是无形的杀手，直接可能导致爆炸。以下是一氧化碳气体在不同的浓度水平对人体产生的危害等级和一氧化碳不同浓度对人体的伤害如表1-1和1-2所示：表1-1 一氧化碳气体在不同的浓度水平对人体产生的危害等级高于10000ppm20001000ppm1000300ppm5030ppm5ppm下 极度 危险 重 度危险 轻度 危险 职业 接触 健康接触表1-2 一氧化碳不同浓度对人体的伤害 气体种类危害程度接触时间气体浓度一氧化碳（CO）TWA值（职业接触）8小时1
10、6ppm无明显生理反应8小时30ppm无明显结果2小时50ppm大部分人员会发生头疼，恶心等不良生理反应1小时100ppm会头疼，眩晕30分钟500ppm会意识不清，呕吐510分钟1000ppm会导致死亡210分钟10000ppm死亡12分钟20000ppm一氧化碳是无色，无臭，无味气体，所以靠人体自身的感觉很难识别；因为吸入一定量的一氧化碳对人体有十分大的伤害甚至可能导致死亡，所以在煤气中为了让人们识别煤气是否泄露加入了具有刺激性气味的甲硫醇来当做一氧化碳的“报警器”。由于血液中的血红蛋白的亲一氧化碳性比亲氧性更高，所以当人吸入一氧化碳之后，一氧化碳比氧气更容易和血红蛋白结合，之后产生樱桃红
11、色的碳氧血红蛋白；而碳氧血红蛋白不仅难以和一氧化碳分离，而且不能提供氧气给身体组织；人体血液中的氧气“搬运工”血红蛋白的数量是有限的，所以当大量的血红蛋白和一氧化碳结合而又难以分离时，搬运氧气的血红蛋白就会不足，这样身体组织就会出现供氧不足，这种情况被称为血缺氧，其结果可能导致昏迷甚至是死亡。目前，一氧化碳的中毒程度主要分为三种等级：一是轻度中毒。当血液中血红蛋白和一氧化碳的结合率达到10%-20%时便属于轻度中毒；当轻度中毒时，患者会出现头痛、头晕、失眠；视物开始模糊、耳鸣、恶心想吐、全身乏力、心跳加速甚至短暂昏厥等生理现象。二是中度中毒。当血液中血红蛋白和一氧化碳的结合率达到30%-40%
12、便属于中度中毒；因为血红蛋白和一氧化碳结合后产生樱桃红色的碳氧血红蛋白，所以中度中毒的患者出现轻度中毒的特征甚至是更严重之外，皮肤粘膜会变成樱桃红色，血压会先升高然后降低，接着因为血压的原因伴随着多汗、心率失常、一时性感觉和运动分离（即尚有思维，但不能行动）生理特征。如果症状继续加重，则可出现嗜睡、昏迷。中度中毒的患者经及时抢救后，可较快清醒，一般无并发症和后遗症。三是重度中毒。患者迅速进入昏迷状态。初期四肢肌张力增加，或有阵发性强直性痉挛；晚期肌张力显著降低，患者面色苍白或青紫，血压下降，瞳孔散大，最后因呼吸麻痹而死亡。经抢救存活者可有严重合并症及后遗症。一氧化碳中毒康复后伴随着严重的后遗症
13、；这类后遗症主要集中在中度、重度中毒者，此类病人有神经衰弱、震颤麻痹、偏瘫、偏盲、失语、吞咽困难、智力障碍、中毒性精神病，部分患者可发生继发性脑病。1.2 一氧化碳检测仪的种类目前，市场上一氧化碳检测仪的种类是多种多样，根据传感器的分类，主要有：半导体型、电化学型、固体电解质型、接触燃烧型、光化学型、光离子化（PID）等，目前应用得较为广泛的是半导体型监测方式。根据一氧化碳浓度危害范围及本系统使用的范围，轻度危害及以下的一氧化碳浓度是本系统检测的重点。目前市场上常见的量程主要集中在0-1000ppm，少数工业级一氧化碳检测仪的量程达到了2000ppm,而本系统的设计主要应用于家庭等环境的一氧化
14、碳的浓度监测，目的在于监测一氧化碳的浓度然后报警，并不在于监测高浓度的一氧化碳，所以量程选择在0-1000ppm足够了。本系统仍然使用市场上应用得较为广泛的是热催化监测方式，不过改善了测量的精度，同时考虑到了温度和湿度的影响，对其浓度的测量进行了温度和湿度的补偿；除此之外运用了无线传输，使得对一氧化碳的浓度的监测能够实现远程和实时的功能，当发生一氧化碳泄漏时机器代替人进行监测。1.3课题的背景和意义随着世界经济的发展，人们生活的质量也越来越高，环保的理念也渐渐出现在人们的视野中。相对于直接燃烧煤炭或者是柴火，人们更倾向于使用天然气或者是煤气。然而，燃气虽然方便，但一旦发生泄漏而没有及时采取必要
15、的措施就有可能威胁到人们的生命安全。近年来，因为燃气泄漏造成的中毒事件甚至爆炸事件不绝于耳；报纸网络上经常报道此类事件，而此类事件的发生并不能单纯的认为是燃气的使用不当，究其一点只是缺少了监测装置提醒人们采取措施。危机总是蕴藏在机会之中；合理使用燃气能够创造经济的发展，能够方便人们的生活，所以要减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的事故，需要一个成本廉价、使用方便的一氧化碳检测系统对空气中一氧化碳的浓度进行监测。目前，市场上的一氧化碳检测仪十分昂贵，少则四五百，多则一两千；对于普通家庭用于生活区监测花费是在太大，而且基本上这些监测仪只能随身携带，无法实现远程监控和通讯，在一定程度上使用起来不太方便。
16、本设计旨在设计出性能更加可靠，经济实惠的一氧化碳报警器。目前，现有一氧化碳检测仪器主要提供给工业上使用，价格昂贵，使用步骤复杂，不适用于家庭或者个人的使用。因此，本次设计主要是针对广大居民的需求，使用环境主要集中在厨卫等生活区域，其优点在于：（1） 成本低廉，使用方便。（2）该系统没有繁杂的操作，只要放在合适位置，通电即可。（3）作用明显，能起到预防一氧化碳中毒的效果，使人们在检测到一氧化碳时报警，提醒人们采取相应措施，保证生命安全。（4）操作简单，具有很好的实用性，能够显示当前一氧化碳浓度以及温度和湿度，实现远程实时监控，能及时报警及预报警，保障在监测一氧化碳浓度时不需要人员接触一氧化碳，在
17、一定程度上减少了在监测的过程中的人员安全。（5）能够连续长时间使用、方便简捷，并能对一氧化碳准确预报警及报警。第2章 一氧化碳监测系统总体设计根据设计的量程、精度及成本需要，选择合适的一氧化碳传感器，完成相应的硬件及软件设计，主要包括：传感器外围电路、A/D转换器程序、无线传输、控制程序、超标报警、键盘检测、数据显示等。以下框图是本次一氧化碳监测系统的总体设计流程图如图2-1所示。MQ-9一氧化碳传感器及外围电路 温度传感器 湿度传感器 产生与CO浓度相 对应的模拟信号 AD采样 温度信号 湿度信号MSP430处理1键盘 无线传输设置报警及预报警阈值MSP430处理212864液晶显示预报警报
18、警图2-1 一氧化碳监测系统的总体设计流程图由以上系统设计的流程图可以看出整个系统的运行原理；首先MQ-9一氧化碳传感器对空气中的一氧化碳进行信号采集，同时温度湿度传感器对空气中的温度湿度情况进行感应，然后AD对以上数据进行采样量化，将数据送给处理芯片1进行处理和分析并将所得到的与一氧化碳浓度相对应的数据发送给处理芯片2，处理芯片2得到数据后分别与预报警阈值和报警阈值进行对比显示，然后根据情况进行报警和预报警。第3章 一氧化碳检测系统硬件选择设计根据一氧化碳监测仪系统总体设计，所需要的硬件包括：传感器、AD芯片、处理芯片、无线传输模块、显示模块、报警电路及相对应的外围电路。以下将逐一介绍各个硬
19、件的选择。3.1传感器的选择及其结构设计 能否准确的采集到一氧化碳浓度的信号的关键就在于传感器的好坏。一氧化碳传感器属于气体传感器，分类方法有许多 种，按照气敏特性来分，气体传感器可以分为：电化学型传感器、半导体型传感器、固体电解质型传感器等；就其使用范围和成本而言又以电化学型传感器、半导体型传感器这两种最为普遍。 电化学型传感器电化学型传感器是通过检测敏感元件产生的与气体浓度相应的电流电流来检测气体的浓度，目前市场上主要的是不需供电的原电池式以及需要供电的可控电位电解式，应用范围较为广泛，可以检测许多气体如氧气、一氧化碳、二氧化碳等。电化学传感器具有气体的高灵敏度和良好的选择性，深受市场的欢
20、迎，唯一的缺点就是 其使用寿命较短，最多只能使用2年。目前，市场上一氧化碳电化学传感器主要是ME2-CO、ME3-CO、NAP-505、solid-sense 4CO-500等类型。其中最便宜的ME2-CO价格也在35元左右，而其他类型的电化学一氧化碳传感器价格大多在150元以上，成本相对较高；如果考虑使用电化学传感器，就应该用ME2-CO。ME2-CO 型电化学元件根据电化学的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电极电位上的电化学氧化过程，待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。以上价格只是一个CO传感器探头的价格；因为产生电
21、流十分微弱，传感器买回之后要进行外围电路的搭建，将采集到的电流信号进行放大以供AD采样。ME2-CO 型电化学元件的量程在1000ppm，符合本次设计的量程要求，但是其灵敏度为0.0150.005 uA/ppm；即在满量程的情况下最大可产生0.00002A的电流，按照负载电阻为200来算即最大产生0.004V的电压，要使AD能够采集，则要将ME2-CO 型电化学元件产生的信号放大1000倍左右。电化学传感器具有良好的选择性和高灵敏度，然而在搭建外围放大电路时发现该传感器对放大电路要求较高。因为传感器产生的电流很微弱，而放大电路本生会产生电流，会对传感器产生的电流产生一定的影响，从而在采样时会存
22、在一定的误差。在搭建放大电路时，本人使用了由TI公司生产的超低输入偏执电流仪表放大器INA116和微功耗仪表放大器INA126，在试着分别用这两种仪表放大器搭建放大电路之后，以下是INA116和INA126的放大电路图3-1、3-2。图3-1 INA116放大电路图 图3-2 INA126放大电路图用示波器观察所放大的信号发现信号虽然经过了放大，但是完全无法给AD进行采样，所呈现的是一种杂乱无序的波形，如图3-3。图3-3 ME2-CO传感器放大输出波形结果证明要使用电化学型传感器，必须要搭建可靠性高，偏执电流更小，抗干扰的放大电路。因为电路在本人有限的能力内难以实现，所以放弃使用ME-2CO
23、电化学传感器。半导体型传感器1962年，半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世，从此以后半导体气体传感器开始成为当今世界上应用最普遍、最实用的一类气体传感器。半导体传感器是利用一种金属氧化物薄膜制成的阻抗器件，其电阻会随着气体的浓度不同而呈线性变化。半导体型传感器成本低廉、制造工艺简单、灵敏度高、响应速度快、对湿度敏感低，所需要的硬件电路简单。由于这种传感器成本低廉、使用寿命长，适用于民用气体检测。目前，在市场上使用较为广泛的主要是MQ系列气体传感器；其中能够检测一氧化碳的是MQ-7传感器和MQ-9传感器。这两种传感器的气敏材料都是由二氧化锡 (SnO2)构成的；在清洁空气中二氧化锡的电导率较低，
24、在加热的条件下二氧化锡的电导率会随着一氧化碳的浓度发生改变，而且这种变化是一种线性的递增；二氧化锡的电导率会随着一氧化碳的浓度发生改变，所以只需要使用必要的电路之后即可输出与一氧化碳浓度相对应的信号，放大之后即可供AD采样使用。MQ-7传感器和MQ-9传感器一氧化碳的灵敏度高，长寿命、低成本，简单的驱动电路即可得到与空气中一氧化碳浓度相对应的可用于采样的信号，同时量程可以满足本设计的1000ppm的要求，适合于家庭用气体泄漏报警器、便携式气体检测器等。在市场上，一块MQ-7传感器或MQ-9传感器模块价格不超过15元，同时拿到模块之后只需要进行简单的调试即可使用。MQ-7传感器和MQ-9传感器都
25、可以对一氧化碳进行检测，但MQ-9传感器还能够用于甲烷，液化石油气的监测，使用范围更广，使用寿命更长。综合考虑了成本、使用环境和使用寿命等因素，选用MQ-9传感器作为本系统的传感器。MQ-9一氧化碳传感器模块能够直接输出能够被AD进行采样的模拟信号，所以要做的只是将其通电采样，并通过处理芯片对一氧化碳的浓度进行温度和湿度的补偿。以下是该传感器的技术指标表3-1和3-2。表3-1 MQ-9标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压10VAc or DcVH(H)加热电压（高）5.0V0.2VAc or DcVH(L)加热电压（低）1.5V0.1VAc or DcRL负载电阻可调RH加热电阻
26、313室温TH(H)加热时间（高）601 秒TH(L)加热时间（低）901 秒PH加热功耗约350mW表3-2 MQ-9灵敏度特性符号参数名称技术参数备注Rs敏感体电阻2-20K在100ppmCO中a(300/100ppm)浓度斜率小于0.5Rs(300ppm)/Rs(100ppm)标准工作条件温度：-202 相对湿度：65%5%Vc:5.0V0.1V VH高）:5.0V0.1V VH（低）:1.5V0.1V预热时间48h探测范围：10-1000ppm 一氧化碳 100-1000ppm 可燃气体以下是传感器放大电路原理图3-4。图3-4 MQ-9传感器原理图根据生产传感器的使用说明，MQ-9一
27、氧化碳传感器输出的信号在量程之内与一氧化碳的浓度呈一个近似线性的关系。在1000ppm的量程之内，输出的模拟信号的范围为0-5V,即电压每升高0.1V，实际一氧化碳的浓度就增加了20ppm。根据这种关系，测出传感器输出的电压就可以知道所代表的一氧化碳的浓度。以下是MQ-9一氧化碳传感器模块在空气中输出图3-5和存在一氧化碳的输出图3-6：图3-5 空气中MQ-9传感器模块输出波形图3-6 存在可燃气体空气中MQ-9传感器模块输出波形从图3-5和图3-6比较看来MQ-9一氧化碳传感器模块感应速度快，输出稳定，适合AD采样。3.2处理芯片的选择 处理芯片承担着所有数据的传输、处理、储存和计算等任务
28、，可以说是本系统的核心部分。市场上的处理芯片总类较多，单就我们学生所接触的就包括STC89C51系列、MSP430系列等。STC89C51是笔者最先接触的一款单片机，也是学校的课程要求掌握的一款。STC89C51是一种8位的单片机片，内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。STC89C51一般简称为51单片机，主要是因为器件兼容了标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性。51单片机的开发平台是keil_uvision，使用C语言作为开发语言，调试完之后生成HEX文件，然
29、后使用PC机上的下载软件将HEX文件烧入单片机中，这样用户的程序代码就下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。51单片机价格便宜，但在使用时端口较少，虽然本系统使用的端口并不多，但如果使用51单片机则必须要进行外部端口的扩展。而且使用51系列单片机所有电路如最小系统、AD采样电路等必须重新搭建，使用较为复杂。MSP430系列单片机是一个16位的单片机，它采用冯诺依曼结构，RAM、ROM以及所有外围模块都位于同一地址空间，同时它还采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；这些特点保证了可编制出高效率的源程序。此外，学校实验室竞
30、赛使用的都是MSP430系列单片机，资源比较丰富，从TI公司可以申请到430样片，这样就减少了成本。而在软件调试方面，MSP430使用C语言为开发语言，使用IAR Embedded Workbench作为开发平台，具有很好的可操作性，调试程序更为方便。同时，在MSP430的核心板上集成了12位AD，避免了重新搭建AD采样的电路，减少了硬件的复杂程度。虽然就成本而言MSP430单片机比51单片机高，而且在程序的调试和下载需要单独的编程器；但是就整体而言MSP430使用方便，核心板上资源丰富，需要的外围硬件较少，综合考虑MSP430单片机更胜一筹。以下是MSP430f169单片机的引脚图3-7。图
31、3-7 MSP430f169单片机的引脚图3.3无线传输模块的选择无线传输模块是利用无线技术进行无线传输的一种模块。它被广泛地应用于电脑无线网络，无线通讯，无线控制等领域。无线数传模块主要由发射器，接收器和控制器或通用分组无线服务技术GPRS（General Packet Radio Service)模块组成。目前，市面上较常见的是nRF系列无线通讯模块、蓝牙模块以及近几年兴起的WIFI 转 RS232 无线通信模块；虽然WIFI通讯模块功能强大，但费用太高，平均价格在100元以上，不予考虑。蓝牙，是一种支持设备短距离通信的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等
32、众多设备之间进行无线信息交换。目前，市场上的蓝牙模块相对比较便宜，使用也不是很复杂。例如，一块带底板的HC-06蓝牙模块只需要25元左右，使用该模块无需了解复杂的蓝牙底层协议，只要简单的几个步骤即可享受到无线通信的便捷；同时，使用AT命令集能够改变蓝牙的波特率，使用起来也比较方便。一般来说蓝牙的通讯距离在10m左右，而使用功率较大的蓝牙虽然可以达到30m的距离，不过相对的成本和耗电量也增加了，这也成为使用蓝牙的局限；而为了增加蓝牙的通讯距离也有使用增加功率或其它外设的方法，不过这种方法成本太高，使用复杂，一般使用前需要进行初始化和配对。nRF系列的通讯模块有很多种类，本系统考虑市场上使用比较常
33、见的nRF2401或者nRF905。nRF2401是一款工作在2.42.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，在市场上应用较为广泛，在无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等方面均有应用。此外，nRF2401是极低的电流消耗的芯片，功耗相当低。合理对nRF2401进行初始化之后，可以达到使用同一天线而同时接收两个不同频道的数据的效果，所以功能比较强大，应用范围比较广泛，适用于多种无线通信的场合。在市面上，根据制造的工艺不同一对nRF2401通讯模块价格在1020元不等，在通讯距离方面一般可以达到十米以上。在程序调通两块nRF2401无线收发器之后，在以后的使用过程中只需要将两
34、块nRF2401无线收发器通上电之后即可进行通讯，不需要类似于蓝牙的配对，使用更加稳定。nRF905无线芯片是有挪威NORDIC公司出品的低于1GHz无线数传芯片。nRF905抗干扰性强、灵敏度高、功耗小、对MCU储存器的要求很低，所以在工业控制方面使用得比较多，在车辆监控、门禁系统、工业数据采集系统、身份识别、非接触RF智能卡、安全防火系统、机器人控制、数字音频、数字图像传输等领域均有应用。在市场上nRF905无线模块比nRF2401无线模块稍微贵一点，价格在一对40元左右；不过在传输距离上nRF905无线模块更强，在空旷的环境中能够达到100多米，而在存在障碍时仍然能够达到30多米的效果。
35、当然，nRF2401无线模块如果换用更好的天线或者用外接鞭状天线代替原来的PCB天线，那么nRF2401无线模块可以传输更长的距离，不过使用起来也比较麻烦。考虑到本系统主要针对的为民用，在使用过程中存在较多的障碍，所以选用nRF905更加合理。以下是nRF905硬件连接图3-8。图3-8 nRF905硬件连接图二者的硬件连接图虽然一样，但是二者的功能却不一样。其中一块和处理芯片1相连接，主要负责发送芯片1处理完AD采样的数据，作为发送器；另外一块主要负责接收第一块发送过来的数据并交给处理芯片2 进行处理，作为接收器。3.4液晶显示的选择作为一个民用的一氧化碳监测系统，显示这方面没有必要做的十分
36、绚丽，要求的只不过就是廉价和使用方面。液晶显示显示的内容主要有：一氧化碳的浓度、报警阈值、预报警阈值，还可能会有湿度和温度的显示。综上考虑，使用12864液晶显示再适合不过了；12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称，它的成本较低，适用于各类小型设备的显示。它既能够完全显示以上数据，而且使用方便，和处理芯片MSP430相配合使用显得高大上。以下是12864和430单片机拓展板效果图3-9和硬件连接图3-10。图3-9 12864和430单片机拓展板效果图图3-10 12864液晶显示硬件连接图以上处理芯片引脚图和12864硬件连接图均是从斯玛特通用MSP430扩展板原理图中截下。其中，
37、处理芯片引脚图与实际芯片相符；而12864在使用过程中第20引脚直接接地即可。3.5报警电路的选择在探测到一氧化碳超出报警范围之后，接下来的报警装置就显得尤为重要。为了能在第一时间通知使用者一氧化碳超标的消息，报警装置必须醒目。本系统的报警装置选择了传统声光的报警方式。使用蜂鸣器和红色的LED灯，能够有效地提醒使用者。当一氧化碳浓度超过使用者设定的预报警和报警阈值时，蜂鸣器便会发出声音，LED变便会闪烁。当然，在一氧化碳浓度处于预报警和报警阈值时，蜂鸣器发出的声音以及LED闪烁的频率会明显不一样，从而提醒用户一氧化碳浓度达到何种浓度。以下为报警电路硬件电路图3-10。图3-10 报警电路硬件电
38、路图系统采用的报警系统为声光报警装置。由以上原理图可以看出P26是控制整个报警装置的引脚，处理芯片通过比较一氧化碳的浓度和用户设定的预报警和报警阈值来控制P26信号的输出，从而达到控制整个报警系统的效果。同时，因为蜂鸣器的鸣叫和LED灯的闪烁都是由P26一个IO口控制的，所以LED灯闪烁的频率和蜂鸣器的频率是一致的，这一点可以更好的便于用户判断一氧化碳达到报警阈值或预报警阈值。根据设计，当浓度达到预报警阈值时，蜂鸣器鸣叫的频率为20HZ左右；而当浓度达到报警阈值时，蜂鸣器鸣叫的频率为100HZ左右；通过二者的频率以及显示的浓度，能够清晰的判断一氧化碳的浓度。3.6电源电路的设计本系统所针对的是
39、目标是家用，对系统要求能够长时间使用，能够对环境进行持续监控，所以要求系统能有一个能够持续供电的稳定电源而并非使用干电池。根据使用要求，系统需要供电的硬件电路主要有：处理芯片3.3V、一氧化碳传感器模块5V、无线传输模块3.3V、12864液晶显示屏5V、蜂鸣器3.3V等。综合考虑，电源电路所必须提供的电压为5V和3.3V，而在MSP430的核心板上集成了3.3V的电源电路，而是用3.3V电压的模块电流均不大，所以直接可以是用核心板上的3.3V电压。所以，需要设计的只是5V电压而已，而在5V电压的转化方面已经很成熟了。本系统使用的方法很常见，显示利用变压器将家用电220V电压降压成为7.5V的
40、交流电，然后再通过四个稳压二极管IN4007组成一个稳压电路，这样交流电就变成了直流电；通过稳压芯片LM7805的稳压，最后输出了5V的直流电。将处理芯片的核心板直接接上5V电，核心板上的稳压芯片AMS1117-3.3可以将5V电压降为3.3V电压，然后即可将5V电压和3.3V的电压给各个模块使用。以下是电源电路的硬件电路图3-11。图3-11 电源电路硬件连接图第4章 软件设计4.1系统软件设计本系统以IAR Embedded Workbench作为开发平台，采用c语言进行程序设计，大大提高了开发调试工作的效率，便于理解，同时便于移植其他模块化的程序。本系统控制分为采集和处理两方面，以下是整
41、个程序的流程图4-1。MSP430处理1: MSP430处理2:开始开始MSP430初始化MSP430初始化 Y 预报警及报警阈值设定AD采样MSP430处理 NnRF2401无线传输（接收器）nRF2401无线传输（发射器）显示MSP430处理返回与预报警值比较报警 高 低与报警值比较报警 高返回图4-1 程序流程图MSP430芯片1主要用于采样和发送数据。在一氧化碳传感器检测到空气中的一氧化碳之后产生与之浓度相对应的模拟信号之后，处理芯片1上的AD对该模拟信号进行滤波和采样，之后对采集到的信号进行计算并对其进行温度和湿度的补偿，得到真实准确的一氧化碳浓度之后通过nRF2401将数据发送给M
42、SP430芯片2。MSP430芯片2主要用于浓度的显示及报警。在进行初始化时，用户可以根据个人情况以及使用环境对默认的预报警及报警阈值进行设置，当设置完毕之后就可以和MSP430芯片1发送过来的数据进行比较，相应的进行预报警及报警。同时，发送过来的一氧化碳的浓度将在12864液晶显示器上进行实时的显示，保证用户能够实时掌握被测环境的一氧化碳的浓度。4.2时钟模块的设计单片机的工作需要一个标准参考来控制，而能提供这种参考的就是时钟模块了，所以时钟是单片机的心脏。MSP430X1XX系列的单片机基础时钟模块有3个时钟输入源：低频时钟源LFXT1CLK、高频时钟源XTCLK和数字控制RC振荡器。高频
43、时钟源XTCLK外接标准高速晶振，通常为8MHZ，而将其作为时钟源，对于本系统而言是绰绰有余的。4.3模数转换模块的设计MSP430核心板上集成了AD12模块，所以可以很方便的使用而无需重新搭建AD采样电路。MSP430核心板上的AD12模块是一种精度为12位的AD采样器，主要有以下部分构成：输入的16路模拟开关(外部8路，内部4路)，ADC内部电压参考源，ADC12内核，ADC时钟源部分，采集与保持/触发源部分，ADC数据输出部分，ADC控制寄存器等。它提供四种采样模式：单通道单次转换模式序列通道单词转换模式单通道多次转换模式序列通道多次转换模式；而在本系统存在多个传感器的多次采样，所以选用
44、序列通道多次转换模式。此外，采样完之后重要的就是数据的处理了。前面已经提到过，传感器的采样受到温度和湿度的影响，所以必须对采得的数据进行温度和湿度的补偿。以下是一氧化碳传感器的温度湿度特性图4-2。Ro:1000ppm LPG中，33%RH，20下元件电阻。Rs：1000ppm LPG中不同温度和湿度下元件的电阻。 图4-2一氧化碳传感器的温度湿度特性图传感器的表面电阻Rs是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。二者之间的关系为：Rs/RL=(Vc-VRL)/VRL。根据以上关系可计算出VRL=Vc/(Rs/RL)+1);而RL可调，当矫正完传感器之后RL一定（200欧
45、）。根据一氧化碳传感器的温度湿度特性图，发现可以将曲线线性化，可以得到有效电压信号VRL与温度和湿度的关系；最后，根据信号放大的倍数40倍即可对温度和湿度进行补偿。4.4无线传输模块的设计nRF905无线芯片主要工作于433MHz、868MHz和915MHz的ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。以下是nRF905无线芯片收发的数据流程图4-3和图4-4以及工作时序图4-5、4-6。无线模块等待TX_EN=1 PWR_UP=1TRX_CE=0 SPI程序控制芯片加载ADDR和负载数据TRX_CE=1? NOYES发射器上电发射序列后DR=0nRF ShockBurst TX生成CRC和序列发送包，当发送完成时DR=1NO AUTO_RETRAN=1?TRX_CE=1?