基于MSP430的CO氣體檢測儀設計

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轉換的模擬通道口。經過A/D轉換后，可以將數字信號傳送到單片機作處理，單片機處理后通過數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、經濟實惠的特點。

關鍵詞：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或產品本身存在質量問題而造成CO中毒的情況，或引發煤氣中毒事件。目前，我國北方許多地區冬季取暖仍使用煤爐。在使用過程中，稍有不慎就會發生煤氣中毒或死亡事故，還可能會因為煤氣泄漏而導致煤氣爆炸等。如何防止煤氣中毒和爆炸已經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 系統結構和設計

該系統是以單片機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，設置報警閾值，并在CO濃度超標時報警等。報警過程是通過驅動一個蜂鳴器來實現的。

設計模塊是由傳感器采集模塊、鍵盤輸入模塊、電源及復位模塊、報警模塊、顯示模塊和CPU處理模塊等組成的，整個系統的結構如圖1所示。

由圖1可知，整個結構設計得很簡單。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計，降低設計的復雜性，還能增強系統的可靠性。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設計提供可靠的電源。復位功能主要考慮了系統的工作需要，并為系統提供復位信號。報警模塊主要是在檢測到報警信息后，通過單片機發出一個報警信號，從而驅動蜂鳴器實現報警。顯示模塊可以將獲取到的數據全部顯示出來，以便于實時觀察工作情況。

3 硬件系統設計

3.1 單片機系統電路設計

系統控制電路使用的是MSP430F149單片機，它采用的是低功耗模式，適用于低功耗場合。將單片機電路應用于系統的核心控制部分，它的主要任務是完成與其他電路的對接，處理得到的數據，并將數據處理結果用其他方式表現出來。單片機的接口電路非常簡單，為了實現與其他電路的對接，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分別作為數碼管電路數據、小數點與控制端口連接，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的電壓轉變為3.3 V電壓，從而為單片機系統和鍵盤電路提供電源。這樣做，可以滿足大多數低功耗應用場合的要求，如圖3所示。

3.3 復位電路

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

圖4 復位電路

3.4 鍵盤輸入電路

該設計是通過系統鍵盤電路輸入的數據進行人機交互的，并采用掃描的方式獲得相關數據，以此實現矩陣鍵盤。

3.5 顯示電路

顯示電路一般包括液晶顯示和數碼管顯示。在設計中，只需要顯示數字，所以，數碼管顯示要滿足較多的要求。系統的顯示電路采用的是數碼管顯示，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，它的主要任務是驅動一個蜂鳴器。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的實際技術參數。負載電阻要根據MQ-7的實際技術參數來選擇合適的電阻值，即調節負載電阻，以獲取相對應的某一個CO濃度所需要的信號值的電阻。在這項設計中，A/D轉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 軟件設計與調試

系統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。

此次設計用到的軟件是IAR systems。IAR Systems帶有C/C++編譯器和調試工具的集成開發環境——IAR Embedded Workbench for ARM。

IAR systems的使用步驟是：①進入編程環境。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設置項目。在項目名稱上單擊鼠標右鍵，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

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

5 總結

本文主要介紹了檢測儀硬件和軟件的設計方案。由于所設計的CO報警器適用于家庭，所以，在選擇相關器件時，要考慮價格因素。該設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；采用數碼管顯示電路，電路簡單而且價格便宜；以驅動單片機實驗板上自帶的蜂鳴器發聲作為CO濃度超標時的報警信號；采用鍵盤電路來設置CO的報警閾值，從而實現人機交互。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、實用的設計原則，保證設計結構簡單，易于成本控制。在設計過程中，能用軟件實現的功能盡量用軟件實現。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，所設計的CO報警器也適用于工業中。

參考文獻

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[3]王立紅，李曼.基于單片機的CO監測與報警系統[J].知識經濟，2010（10）.

〔編輯：白潔〕