羅霄華

摘 要：基于MSP430F149的CO檢測儀適用于家庭，它是利用氣敏傳感器MQ-7采集CO信號，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號。由于MQ-7的輸出信號為伏特級，所以，不需要放大電路，可以直接將傳感器的輸出信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換的模擬通道口。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，可以將數(shù)字信號傳送到單片機作處理，單片機處理后通過數(shù)碼管顯示電路顯示出氣體的濃度。這款檢測儀具有性能可靠、經(jīng)濟實惠的特點。

關(guān)鍵詞：MSP430；氣敏傳感器MQ-7；CO氣體檢測儀；單片機

中圖分類號：TP277.2 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.011

1 概述

CO是煤氣的主要成分，正常情況下，它是無色、無味、無臭、無刺激性的有毒氣體。人們在日常生活中有可能會遇到因為熱水器使用不當(dāng)或產(chǎn)品本身存在質(zhì)量問題而造成CO中毒的情況，或引發(fā)煤氣中毒事件。目前，我國北方許多地區(qū)冬季取暖仍使用煤爐。在使用過程中，稍有不慎就會發(fā)生煤氣中毒或死亡事故，還可能會因為煤氣泄漏而導(dǎo)致煤氣爆炸等。如何防止煤氣中毒和爆炸已經(jīng)成為了廣大居民在使用煤氣時需著重考慮的問題之一。該課題設(shè)計的CO報警器的核心部件是低功耗單片機MSP430F149和氣敏傳感器MQ-7等。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計

該系統(tǒng)是以單片機MSP430F149 為控制核心，與CO氣敏傳感器、顯示電路和報警器共同組成氣體檢測儀。它可實時采集、顯示空氣中CO的濃度，設(shè)置報警閾值，并在CO濃度超標(biāo)時報警等。報警過程是通過驅(qū)動一個蜂鳴器來實現(xiàn)的。

設(shè)計模塊是由傳感器采集模塊、鍵盤輸入模塊、電源及復(fù)位模塊、報警模塊、顯示模塊和CPU處理模塊等組成的，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，整個結(jié)構(gòu)設(shè)計得很簡單。單片機的A/D通道與傳感器采集模塊連接，不僅可以簡化模擬采集設(shè)計，降低設(shè)計的復(fù)雜性，還能增強系統(tǒng)的可靠性。鍵盤輸入模塊是通過單片機的P1口完成工作的。因為P1口具有中斷功能，所以，操作起來非常容易，也非常適合軟件編程。電源模塊主要能為系統(tǒng)設(shè)計提供可靠的電源。復(fù)位功能主要考慮了系統(tǒng)的工作需要，并為系統(tǒng)提供復(fù)位信號。報警模塊主要是在檢測到報警信息后，通過單片機發(fā)出一個報警信號，從而驅(qū)動蜂鳴器實現(xiàn)報警。顯示模塊可以將獲取到的數(shù)據(jù)全部顯示出來，以便于實時觀察工作情況。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 單片機系統(tǒng)電路設(shè)計

系統(tǒng)控制電路使用的是MSP430F149單片機，它采用的是低功耗模式，適用于低功耗場合。將單片機電路應(yīng)用于系統(tǒng)的核心控制部分，它的主要任務(wù)是完成與其他電路的對接，處理得到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果用其他方式表現(xiàn)出來。單片機的接口電路非常簡單，為了實現(xiàn)與其他電路的對接，分別了采用單片機的一般I/O口。單片機的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5和P1.6作為通用I/O口接鍵盤，P4.0和P2.1、P2.2、P2.3、P2.4分別作為數(shù)碼管電路數(shù)據(jù)、小數(shù)點與控制端口連接，P6.0作為模擬信號的輸入端，P2.5則作為連接報警電路的一端。單片機電路圖如2所示。

圖2 單片機電路

3.2 電源電路

電源電路是將5 V的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.3 V電壓，從而為單片機系統(tǒng)和鍵盤電路提供電源。這樣做，可以滿足大多數(shù)低功耗應(yīng)用場合的要求，如圖3所示。

3.3 復(fù)位電路

檢測儀設(shè)計采用的復(fù)位電路如圖4所示。電路中使用了一個按鍵復(fù)位電路，同時，它還可以進行人為控制。

圖4 復(fù)位電路

3.4 鍵盤輸入電路

該設(shè)計是通過系統(tǒng)鍵盤電路輸入的數(shù)據(jù)進行人機交互的，并采用掃描的方式獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)矩陣鍵盤。

3.5 顯示電路

顯示電路一般包括液晶顯示和數(shù)碼管顯示。在設(shè)計中，只需要顯示數(shù)字，所以，數(shù)碼管顯示要滿足較多的要求。系統(tǒng)的顯示電路采用的是數(shù)碼管顯示，電路簡單，而且成本也比較低。

3.6 報警電路

報警電路簡單、實用，它的主要任務(wù)是驅(qū)動一個蜂鳴器。圖5為報警電路。

圖5 報警電路

3.7 信號采集電路

圖6 信號采集電路

信號采集電路如圖6所示。在采集硬件電路的過程中，要

考慮MQ-7的實際技術(shù)參數(shù)。負載電阻要根據(jù)MQ-7的實際技術(shù)參數(shù)來選擇合適的電阻值，即調(diào)節(jié)負載電阻，以獲取相對應(yīng)的某一個CO濃度所需要的信號值的電阻。在這項設(shè)計中，A/D轉(zhuǎn)換模擬通道的電壓為0～3.3 V，那么，這個信號值就取接近3.3 V的值。

4 軟件設(shè)計與調(diào)試

系統(tǒng)的軟件主要包括信號采集模塊、輸入模塊、顯示模塊、報警模塊和主處理模塊。

此次設(shè)計用到的軟件是IAR systems。IAR Systems帶有C/C++編譯器和調(diào)試工具的集成開發(fā)環(huán)境——IAR Embedded Workbench for ARM。

IAR systems的使用步驟是：①進入編程環(huán)境。②新建項目，單擊“Project/Creat New Project”。③在新建項目對話框中選擇C/main，然后單擊“OK”按鈕，在接下來的對話框中選擇要存儲的目錄和項目名稱。④設(shè)置項目。在項目名稱上單擊鼠標(biāo)右鍵，在下拉菜單中單擊“Option”。⑤在General Option-Target-Device項中選擇CPU的型號，即MSP430F149，然后單擊“OK”。⑥單擊“Make”圖標(biāo)按鈕，編譯和連接項目。圖7為IAR systems的菜單欄。

圖7 IAR systems的菜單欄

在調(diào)試過程中，分別調(diào)試了每個模塊。為了方便調(diào)試，每個模塊中都加了頭文件和主函數(shù)，它們完全能夠滿足實際測量需求。

5 總結(jié)

本文主要介紹了檢測儀硬件和軟件的設(shè)計方案。由于所設(shè)計的CO報警器適用于家庭，所以，在選擇相關(guān)器件時，要考慮價格因素。該設(shè)計選用超低功耗的高性能16位微處理器MSP430F149作為控制核心，它性能好，適合為電池供電；用低價、靈敏度高和壽命長的MQ-7作為信號采集的傳感器；采用數(shù)碼管顯示電路，電路簡單而且價格便宜；以驅(qū)動單片機實驗板上自帶的蜂鳴器發(fā)聲作為CO濃度超標(biāo)時的報警信號；采用鍵盤電路來設(shè)置CO的報警閾值，從而實現(xiàn)人機交互。基于MSP430F149的CO檢測儀充分利用了單片機的軟、硬件資源，本著簡單、實用的設(shè)計原則，保證設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，易于成本控制。在設(shè)計過程中，能用軟件實現(xiàn)的功能盡量用軟件實現(xiàn)。這樣做，不僅便于修改，也有利于以后功能的擴展。只要將軟件程序稍加修改，那么，所設(shè)計的CO報警器也適用于工業(yè)中。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕