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发表于 2019-12-20 09:00:18
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摘要:本文介绍了--种用单片机MSP430F247为控制核心的CO浓度实时监测设计方案。该设计主要由CO电化学传感器、中心处理器MSP430F247、液晶显示器、GSM模块组成，可实现空气中CO浓度与环境温度的实时采集、数据的高速精确分析、键盘设置报警阈值、CO浓度或环境温度的超标报警、数据的远程传输以及良好的人机交互液晶显示等功能。具有应用范围广、便携、超低功耗、实时性好、可靠性高、保密性好等优点。
关键词: MSP430 GSM液晶显示器CO报警
一、作品简介
1.1应用背景一氧化碳是人们不可避免接触的有害气体，其无色、无味、无臭、无刺激性，经常使人中毒而不易察觉。而且当空气中CO浓度达到12.5% (约为125000ppm)时遇明火即可发生爆燃。如何能有效预防CO中毒及由于CO引起的爆炸已经成为人们的迫切需要。
2.2设计目标针对常见的CO报警器普遍具有寿命短，准确率差、不能实现远程通讯等缺点的状况，设计了一种用单片机MSP430F247与电化学传感器、液晶显示、GSM相结合的CO实时监测报警器。可实现空气中CO浓度与环境温度的实时采集、数据的高速精确分析、键盘设置报警阈值、CO浓度或环境温度的超标报警、数据的远程传输以及良好的人机交互等功能。用户可通过此设计的人机交互界面开启不同的工作模式、读取不同的信息。
2.3详细指标要求
1.采用具有过滤酸性气体功能的传感器实现的cO气体浓度信息的精确采集，传感器线性输出电流范田0-100uA。
2.采用高精度的运算放大器实现采集信号的精确放大，放大电压范围0-3.3V.
3.采用MSP430F247内置的12bitA/D转换器实现数据的精确高速转换。最小
单位为满刻度的0.0245%，系统以3.3V为参考电压，能够分辨输入电压变化的最小值约为0.806mV4.实现对环境温度的精确测量，精度为0.1C.
5. co气体浓度测量范围是0~1000ppm.精度可达到0.5ppm。
二、方案设计
2.1理论分析本设计可实现Co浓度的实时检测和远程报警功能。可由液品显示器可该出实时检测的数据，由GSM实现远程通讯功能。与此同时还利用MSP430F247内的温度传器实现环境温度的检测。
设计中使用电化学传感器CO/CF1000采集co浓度信号，当co浓度范围生01000ppm时，传感器的输出电流与Co的浓度成线性关系。传感器采集的信号经运算放大器OPA228放大后输入到MSP430F247,通过MSP430F247的内置2bitA/D将模拟信号转换为数字信号，经运算处理后由液品显示器显示出Co的浓度。在进行AD转换时,AD分辨率为1/2”,即最小单位为满刻度的0.0245%。
系统以33V为参考电压，能够分辨输入电压变化的最小值约为0.806mV，而当
o的浓度为0.5ppm时，所对应的传感器的输出电压的最小变化值约为1.65mV，因此系统co浓度分辨率可以达到0.5ppm。
.2选用TI器件的依据，选型理由，所选TI器件详细介绍.2.1 处理器选用TI公司的MSP430F247.
LMSP430F247相比于51单片机系列，MSP430普遍具有超低功耗、强大的理能力、稳定的工作系统、高性能模拟技术以及丰富的片上处理模块等特点。
2.MSP430F247相比于其他MSP430系列单片机，MSP430F247 功耗明显降氏，超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中具有非常优越的表现。其唤星速度显著提高，可以在不到1微秒的时间从休眠模式唤醒到活跃状态，切实做到了高效，节能。
3. MSP430F247芯片的超高集成，其片内丰富的I/O 端口、四个串行接口JSCI.数控振荡器(DCO)、多个具有PWM功能的定时器、以及大容量的Flash字储器等结构满足了系统的多方面需求，减少了片外电路结构。
4.MSP430F247内置多通道12bitA/D转换器，配合传感器的0.5ppm采集精度，进一步保证了此设计的系统精度要求。
2.2.2运算放大器
选用TI公司的OPA228为满足本设计中高速、精确的放大要求，运算放大器采用TI公司OPA228。
OPA228是TI公司推出的一款高精度 低噪声的运算放大器，工作时转速率可达10v/ms.带宽高达33MHz。OPA228价格低廉，具有较大的开环增益、供电电压范围广、高带宽、设置时间短等优点，与数据的精确要求以及数据的高速采集相匹配，广泛应用于数据采集系统以及远程通信设备系统中。
2.2.3电压转换(5V转3.3V)芯片换选用TI公司的TPS7333Q。
本设计采用电池便携供电，TPS7333Q用于产生3.3V电压，它是广泛应用于产生3.3V电压的转换芯片，具有工作温度范围广，输入电压范围宽，输出电压精度高等优点。
2.3设计方案论证2.3.1信息采集分析的论证CO气体扩散到传感器CO/CF1000的工作电极表面,在电极与电解液之间发生氧化还原反应，从而产生与co浓度对应的微弱电流。电流信号经过运算放大器放大为合适的电压信号，此电压信号与co的浓度(0-1000ppm)对应，放大后的电压信号通过MSP430F247内置的12bitA/D转换器转换为数字信号，进行进一步的分析处理。co的浓度每变化2.5ppm. A/D 变化约10个单位。
2.3.2工作过程的论证
此设计由键盘与液晶显示器构成良好的人机交互界面。当系统正常启动后，通过操作键盘可实现实时检测模式和GSM远程监测模式的切换。
当选择实时监测模式后，可以由液晶显示器读出当前cO的浓度以及所处环境的温度。
当选择GSM远程通讯模式后，通过键盘的操作可分别实现co浓度和温度的超标报警。通过键盘进行闽值设定进入工作状态后，当检测值超过闽值时，报警指示灯开启、蜂鸣器发出刺耳的报警声。与此同时，当前数据通过GSM模块发送到目标手机号码(目标手机号码由电脑通过申口写入)。如果报警未能及时
解除，GSM模块将每隔- -段时间(由软件设定)再次发送实时数据。直至险情结束或手动关闭系统，报警指示灯、蜂鸣器、GSM模块停止工作。在检测期间，也可通过按键操作查询当前浓度值。
特别的，当cO浓度超过1000ppm时，系统进 入最低功耗状态，GSM模块关机，以防止系统造成的二次灾害，使系统更加人性化、合理化。
三、系统实现
3.1硬件设计
3.1.1系统框图如下:
3.1.2不同功能单元之间的接口设计。
1、传感器与运算放大器模块
本设计所选用的传感器是由深圳富安达智能科技有限公司电化学传感器CO/CF1000。(示意电路图如右图)电化学传感器CO/CF1000具有工作电极、计数电极、偏置电极三电极，工作电极响应目标气体，无论是氧化的过程还是减少气体，都会由传感器的计数电极产生电流。当CO气体扩散到传感器的工作电极表面,在电极与电解液之间发生氧化还原反应，从而产生与气体浓度成比例的相应大小的电流信号。
2、电源供电模块
为满足轻巧、便携的要求，本设计系统采用电池供电。同时
为了得到稳定的电压以及不同电压源的需要，设计了此供电模块。
一节9V碱性电池通过由芯片L7805CV、ICL7660S、PS7333Q搭建的电路得到+5V、-5V、+3.3V的稳定电源电压。
3、串口通信模块
本设计通过MSP430F247的串口数据线UCAOTXD、UCAORXD和MAX232相连，用于系统与电脑之间的数据传输，并通过串口数据线UCA1TXD、UCA1RXD实现与GSM模块之间的数据接收与发送。GSM模块采用232通讯方式，因此需对MSP430F247的UART输出口进行电平转换，来实现RS232接口电路。电平转换电路采用MAX232来实现。
4、液晶显示模块
设计中选用带有汉字库的点阵式12864-12显示器作为信息的显示器，该液品显示器采用+3.3V电压供电。液品显示器采用并行控制模式，液品的8个数据传输管脚及6个控制管脚分别对应于MSP430F247的14个IO口，通过相应I/O的设定控制显示信息。
5、键盘输入模块键盘输入模块与液品显示模块起搭建了简便易行的人机交互界面，是整体设计的又一-特色。用户通过按键可以实现系统的开启和关闭、系统工作模式的选择、报警闽值的设定、CO浓度与温度的读取。键盘模块与MSP430F247的PI口和部分P2相连接。
6、报警模块为了让人们及时发现险情，本系统采用声光报警器。当CO的浓度或环境温度超过预设闽值时，报警系统启动，报警指示灯不断闪烁、蜂鸣器发出报警声，直至险情消失或手动关闭系统.此模块与MSP430F247的P20和P21口相连接。
7、GSM无线通讯模块1. GSM的实现:本设计采用GSM模块来实现远程通讯与实时监测，GSM无线通讯模块选用TC35. TC35 为西门子公司推出的新一代无线通信模块，可实现数据传输、语音传输、短消息服务和传真等功能，其中本设计中使用短消息发收功能。MSP430F247 的UARTO和电脑相连，UARTI和GSM相连。
2. GSM在系统中的使用意义: GSM的运用使系统不受时间和空间的限制，实现了远程报警功能。与其它通讯方式下的同类远程监测系统相比,GSM网络覆盖范围广、无需专门投资建网、数据传送可靠性高、系统容量大、费用低廉、可实现性强。此外，还具有一定的可扩充性，可以进步与手机实现双向通信，从而达到实时监控报警的功能。
3.1.3硬件设计注意事项及窍门
1.运算放大器的设计:运算放大器设计中并联个10nF的电容，实现通过低频阻止高频的功能，防止高频干扰。电源供电时通过电容与地相连，起到去耦作用。2.参考电压的处理:通过软件设置温度的参考电压为1.5V,CO浓度的参考电压为3.3V.3.电路图设计:数字电路和模拟电路应尽量分开，电路的各个关键部位应使用去耦电容。4.印刷电路板的设计:印刷电路板的大小要适中，接地线应尽量加粗，电源线的宽度也应尽量大于电流对应的宽度。布线时还应使电源线、地线的走线方向与数据线的走线方向一致。印刷电路板是单片机应用系统中元器件、信号线、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对系统的抗干扰能力影响很大，故印刷电路板设计决不是器件、线路和简单布局安排，还必须符合抗干扰的设计原则。
3.2软件设计
3.2.1软件流程，软件设计思路及技巧
1.软件流程图如F:
2.软件设计思路及技巧
系统软件设计的开发环境选用IAR公司提供的IAR Embedded WorkbenchIDE.软件的程序采用C语言编写，充分发挥了C语言的时效性较高、逻辑性较强、便于组织的优点。
算法的关键在于各种功能的组合与实现，两种工作模式的切换。主程序包含了初始化部分和一个循环执行过程。系统在各个模块初始化结束以后便进入低功耗模式LPM4，用户通过按键以及Timer A的中断唤醒低功耗状态。复位之后，各种初始化和实际执行过程根据其工作模式而相应进行，在实时监控模式下，系统完成对环境温度和co浓度的实时采集，并通过LCD显示出当前数据。在远程监控模式中，系统首先查询Flash是否有目的有手机号码，若有则询问用户是否对目标号码进行修改或查询，否则请求用户对号码进行设置，然后用户通过设定报警阅值，进而实现超标后间隔一定时间(本系统设定为5min)的短信发送。
设计中采用了一些设计技巧:为保证系统对按键的快速响应减少按键数量，提高端口利用率，按键均采用中断方式实现，部分按键还具有多种双功能。例如:
程序功能退出与手机号码的删除共用同按键等。在执行完这些功能以后系统进入睡眠模式，实现超低功耗。
3.2.2 MSP430软件设计一氧化碳的浓度信 息通过传感器、运算放大器进入MSP430F247.
MSP430F247内置的ADC12对输入的电压信号进行采集转换。由于Co的浓度在不同模式下需要时刻采集，所以采用中断的方式，中断源为TimerA。当检测到Timer A溢出时，相应的标志位置位，进入中断服务程序，对数据进行采集保
存。当采集达到30次时，对数据进行均值计算，以保证采集数据的准确性。
环境温度通过LCD显示，其中AD的时钟采用TimerA,计算公式为:
温度值= ((AD转换值-2692)X423)/4096Co浓度计算公式为:
灵敏度(n/ppm) x气体浓度(ppm) =传感器输出(nA)传感器输出(nA) x电阻值(k) =信号输入(V)UART通讯主要是实现单片机与PC机的通讯，单片机与GSM模块的通讯，执行传送各种实时信息的任务:浓度信息，温度信息等。同时也可以传送控制命令和手机号码信息等，实现远程监控。单片机与PC机通讯时，用于目标手机号 码的设置。上位机通过串口向系统传送目的手机号码。在单片机接收端有手机号码合法校验设计，以保
证数据接收正确。单片机与GSM模块通讯时，用于控制指令的传送和短消息的发送。
GSM软件设计包括:用AT命令对TC35进行初始化，短信的发送和读取。这些任务都是由各个函数模块实现的。TC35收发短信一共有三种模式: Block模式，PDU 模式和Text模式。Block模式需要手机厂一家提供支持，而Text模式相对PDU模式收发短信代码简单，且实现简单，故本系统采用Text模式发送短信数据。对TC35进行操作(包括参数的设置和短信的收发)都是通过AT命令来实现的。
3.2.3 TINA Pro设计软件的使用方法
本系统的运算放大器模块设计时运用了TINA Pro模拟软件，主要用来模拟是否能够实现运算放大功能。在TINA Pro的运行环境里首先搭建电路图，用模
拟电压源或者电流源进行信号的输入，设定分析时间及其他要求，经过实时分析 由电路输出端输出信号。可由图表看出输入、输出的信号特性，并可分别进行输入和输出信号的综合和独立显示。如果模拟电路图出现连接错误，软件则会给出相应的提示。除此之外，还可以把模拟电压表、电流表、示波器等器件接入电路，用于电路检测。TINA Pro是一款较好的电路设计软件。
3.2.4编程感想及软件设计注意事项通过本次竞赛，我们收获颇多:首先让我们熟练地掌握了MSP430F247低功耗单片机的操作方法。其次教会我们，作为一个合格的程序员，应该富有耐心、细心以及独立解决问题的能力。最后通过此次竞赛我们感受到MSP430单片机的强大魅力，为今后的学习和研究找到了一个高效、实用的处理平台。
在软件设计中，应注意以下几个事项: 1. 程序框架以功能向外辐射的模式设计，主控制程序控制各个模块和功能的实现。这样的设计使得程序结构清晰、易读，便于开发者对程序异常的处理解决，并且最大可能地发挥了MSP430 单片机的优势。2.程序设计中，非常注重变量和寄存器的变化动作，随时对变量和寄存器进行检查、清零，以保证程序稳定执行。3. 在对各个外设操作时应注意对外设端口时序及程序反馈问题的处理，保证系统正常运行。4.在程序执行低功耗状态和中断时，注意对中断标志位的及时复位和低功耗状态的唤醒。
四、作品性能测试与分析
4.1系统测试方法4.1.1实时检测模式的测试测试中使用电源和电阻模拟传感器的输出电流,其中使用电源电压的范围为025V，使用的测试电阻是250 KQ，由此可模拟传感器的输出电流0- 100uA.由于C0为还原性气体，在传感器的工作电极输出负向电流，因此需将电源两极对调接入电路以提供反相电压。可以通过电源电压的不同变换来实现模拟信号的变换，此时可由液品显示器读出输入信号对应的C0浓度。
4.1.2远程监测模式的测试选择系统的工作模式为远程通讯模式，通过计算机对系统的目标号码进行设定，通过键盘对环境温度及c0浓度的报警阅值进行设定。此时，改变电源电压使其超过00阀值对应的电压值,手动设置温度报警闽值使其小于当前环境温度，观察报警系统是否启动，并查看目标手机是否接收到了短信以及短信的内容。
4.1.3测试通讯功能步骤一:首先，要保证GSM模块正常工作必须提供给其稳定的电源，保证其正常工作。可用示波器观察该模块工作时的工作电压是否稳定。
步骤二在确保GSM供电正常后，先将其与PC串口通道相连，在PC机上使用Windows XP的“超级终端”应用程序对TC35的接受、发送功能进行AT指令。
4.4进一步改进本设计整体构造良好、系统设计优良，实现了预期功能，但是为了实现更强
大的功能则还可以进步的完 曾和改进:
1.可通过硬件系统和软件系统进-步完善， 来实现远程控制的功能。
2.可改进软件设计来实现键盘输入远程通讯目标手机号码，用户操作起来将更为简洁、方便。
3.可通过增扩外围传感器并编写相应的程序，来实现多种气体的检测，该检测仪的应用领域将更为厂泛。
4.可扩展控制系统，实现检测控制的完美结合。
5.由于传感器浓度测量值在一定范围内受温度影响有较小的波动，可以考虑温度对Co浓度的影响，进一步校准检测的浓度值。
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