基于MSP430的二氧化硫無線監控系統設計

張海蘭+許超

摘 要：為了實現對空氣中二氧化硫含量的實時監控，該文以MSP430G2553為主控芯片，設計了一種實時監控系統。該系統包含主控、傳感器檢測、聲光報警以及無線傳輸四大模塊。MSP430與CC2430無線模塊具有低功耗和高集成的特性，電化學傳感器3SF/F具有高靈敏度與準確度的優點，該系統僅需電池供電，非常適用于監測條件不佳的有限空間場合。此系統對二氧化硫的有效監控有助于環保部門實現節能減排的目的。

關鍵詞：MSP430 傳感器 無線傳輸

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（b）-0002-02

當前，環境狀況日益惡劣，因其與身體健康息息相關，越來越多的人關心所處環境的質量。大量化石燃料的燃燒給人們的日常生活帶來舒適便利的同時，燃燒后排放的煙氣也給人們的生存環境帶來嚴重的影響，尤其是人類賴以生存的空氣。因此，大氣中的相關氣體參數引起強烈的關注，PM2.5數值更是出現在每日的天氣預報中。眾所周知，我國以化石燃料為主要能源，這使得二氧化硫（SO2）的排放量相當大。為檢測空氣中二氧化硫的含量，該文設計了一種以MSP430單片機為主控芯片的低功耗、高精度、可實時監測空間內二氧化硫濃度的無線監控系統[1]。

1 系統設計

二氧化硫無線監控系統框圖如圖1所示：通過二氧化硫電化學傳感器3SF/F對現場二氧化硫濃度進行數據采集，經由信號放大電路，把采集到的信息放大為單片機MSP430G2553可識別的模擬電壓信號，然后通過單片機自帶的AD轉換器將采集來的信息進行模數轉換并傳輸到主控芯片的存儲器中[2]。具體的濃度數值可通過LCD實時顯示，且與預設的SO2濃度警報值相比較，若超出限定值，則通過單片機控制聲光報警模塊進行報警，再由無線通信模塊遠程顯示與控制。

2 硬件設計

2.1 主控模塊MSP430G2553

主控模塊采用美國德州儀器（TI）公司最新推出的一種超低功耗混合信號處理器MSP430G2553[3]作為微控制器，其高集成度非常適合該系統。MSP430G2553單片機有如下特性：低壓驅動、超低功耗；處理能力強；模擬技術性能高；片上外圍資源豐富；開發環境便捷高效。

作為微控芯片的MSP430G2553，為實現系統的實時采集，選擇其外部時鐘，可以極大地提高系統的運行效率，從而保證測量的準確性與靈敏性。

2.2 傳感器模塊3SF/F

傳感器選型對于系統的設計很重要，基于不同現場環境的狀況與供電方式需選取不同類型的傳感器。半導體傳感器，一般價位較低，功耗較大，有源供電模式一般采用此類傳感器。有些場合為便于更換、維護傳感器節點，設計為便攜式，則常選擇電化學傳感器。

為制造出便攜、低成本、低功耗、高性能的SO2監測系統，該設計選擇英國City Technology公司生產的二氧化硫傳感器3SF/F。3SF/F是一種新型的定位電位電解化學氣體傳感器，它利用電解池原理，把空氣中的某種化學氣體的濃度通過氧化或還原反應將濃度轉化為電信號，再通過檢測到的電信號的大小得到相應氣體的濃度。3SF/F主要用于監測煙氣中的二氧化硫含量，常被使用在煙氣分析儀中，也可應用于一氧化碳、氮氧化物等氣體濃度的檢測。該傳感器具有靈敏度高、線性度好、精確度高、性能穩定等優點，可以設計出優良的二氧化碳監測系統。

2.3 無線通信模塊

無線傳輸模塊是數據傳輸的核心。無線模塊主要負責將采集及放大的信號通過無線網絡上傳到監測中心（PC機）并交換數據信息[1]。在現場中，無線傳輸易遭受環境的干擾，進行遠距離數據傳輸過程中丟包率較大。基于這些因素，設計時需考慮盡可能縮短傳輸距離以及提高數據傳輸可靠性[4]。該設計選擇了Chipcon AS公司出產的無線模塊CC2430。CC2430為可實現ZigBee無線通訊的射頻器件，其優點為集成度高，通信協議簡單，組網便捷，只需較少的外圍設備便可滿足系統的設計需求，且性能穩定、功耗極低[6]。

在該設計無線采集系統中，MSP430G2553和CC2430均設定在SPI方式下進行工作。MSP430通過SPI接口與接收端CC2430交換數據、傳輸命令等；SPI通信為點對點的通信。

2.4 聲光報警與電源模塊

該系統采用LED燈與蜂鳴器進行聲光報警。當現場的二氧化硫濃度超出預設警戒值值時，MSP430G2553通過I/O端口輸出高電平，三極管工作在飽和狀態，發光二極管導通，同時蜂鳴器工作從而實現聲光報警[5]。

3 軟件設計

C語言可讀性強，移植性好，通用性強，非常適合MSP430單片機的開發。該系統軟件編程部分主要使用C語言完成程序設計[6]。軟件程序主要包括主程序、初始化程序和無線模塊程序三部分。

3.1 MSP430的初始化

系統軟件設計中，為了盡量減輕負擔，使有更多的時間來處理有用的運算，同時為了減小電路的功率損耗，MSP430G2553全部功能都使用中斷方式實現。主程序不做過多的工作，只進行一些必要的初始化，然后開中斷，之后系統進入低功耗循環模式，并等待中斷，一旦中斷信號出現，系統立即停止循環，從低功耗模式喚醒，進行中斷響應，中斷結束后再次返回低功耗循環模式。

3.2 無線模塊程序

無線通信模塊由現場數據發送端和PC終端接收兩部分組成。無線模塊主要實現的是對數據的收發功能。具體流程如右所示：傳感器采集到現場數據處理后送入MSP430中，完成信號的采集、AD轉換、液晶實時顯示[5]，然后把數據打包通過接口送入CC2430。無線模塊CC2430接收從現場傳來的數據，傳送到上位機（PC）上。每一個監測點的CC2430都有一個唯一對應的ID號，實現點對點的數據收發功能[6]。

4 結語

該文設計了基于MSP430G2553單片機的低功耗高性能的二氧化硫環境監控系統，可以對大氣中的SO2含量進行實時監控，具有濃度超限報警等功能。在該系統中，通過無線通信模塊可以實現對周圍環境高效實時的智能監控。該系統具有體積小、功耗低、靈敏度高、易攜帶等優點，在實際應用中前景廣泛。可滿足工礦企業或環保部門等單位對二氧化硫的監測需求；還可應用于監測室外空氣質量，為戶外運動提供參考。此外，該系統可以適當調整傳感器的類型進行其他有害氣體的監測，獲取更多的環境參數，具有良好的通用性。

參考文獻

[1] 姜進，王鑫，楊慧中.基于MSP430單片機的無線環境監測系統的設計[J].江南大學學報：自然科學版，2011（1）：45-48.

[2] 褚超群，陳松，劉志杰.基于MSP430的一氧化碳報警系統設計[J].中國科技信息，2014（1）：110-111.

[3] 逄淑松，程凱，劉光發，等.MSP430G2553單片機超低功耗的研究與設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2013，13（4）：1-2.

[4] 王曉明.無線二氧化硫傳感器的網絡節點設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（9）：32-35.

[5] 馮琛皓，劉瑞安，羅晨嫻.基于MSP430MCU的無線低功耗智能環境監測系統設計[J].硅谷（高科技產品研發），2014，145（1）：12-13.

[6] 鄒小平，郭昌飛，張榮榮，等.基于CC2430單片機的無線傳感器網絡節點：CN203675336U[P].2014.