張海蘭+許超

摘 要：為了實現(xiàn)對空氣中二氧化硫含量的實時監(jiān)控，該文以MSP430G2553為主控芯片，設(shè)計了一種實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(xué)傳感器3SF/F具有高靈敏度與準確度的優(yōu)點，該系統(tǒng)僅需電池供電，非常適用于監(jiān)測條件不佳的有限空間場合。此系統(tǒng)對二氧化硫的有效監(jiān)控有助于環(huán)保部門實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

關(guān)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(dāng)前，環(huán)境狀況日益惡劣，因其與身體健康息息相關(guān)，越來越多的人關(guān)心所處環(huán)境的質(zhì)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(huán)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(guān)氣體參數(shù)引起強烈的關(guān)注，PM2.5數(shù)值更是出現(xiàn)在每日的天氣預(yù)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(dāng)大。為檢測空氣中二氧化硫的含量，該文設(shè)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(jiān)測空間內(nèi)二氧化硫濃度的無線監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

二氧化硫無線監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示：通過二氧化硫電化學(xué)傳感器3SF/F對現(xiàn)場二氧化硫濃度進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)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(zhuǎn)換器將采集來的信息進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)街骺匦酒拇鎯ζ髦衃2]。具體的濃度數(shù)值可通過LCD實時顯示，且與預(yù)設(shè)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(shè)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(tǒng)。MSP430G2553單片機有如下特性：低壓驅(qū)動、超低功耗；處理能力強；模擬技術(shù)性能高；片上外圍資源豐富；開發(fā)環(huán)境便捷高效。

作為微控芯片的MSP430G2553，為實現(xiàn)系統(tǒng)的實時采集，選擇其外部時鐘，可以極大地提高系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計很重要，基于不同現(xiàn)場環(huán)境的狀況與供電方式需選取不同類型的傳感器。半導(dǎo)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(jié)點，設(shè)計為便攜式，則常選擇電化學(xué)傳感器。

為制造出便攜、低成本、低功耗、高性能的SO2監(jiān)測系統(tǒng)，該設(shè)計選擇英國City Technology公司生產(chǎn)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(xué)氣體傳感器，它利用電解池原理，把空氣中的某種化學(xué)氣體的濃度通過氧化或還原反應(yīng)將濃度轉(zhuǎn)化為電信號，再通過檢測到的電信號的大小得到相應(yīng)氣體的濃度。3SF/F主要用于監(jiān)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(yīng)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(wěn)定等優(yōu)點，可以設(shè)計出優(yōu)良的二氧化碳監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3 無線通信模塊

無線傳輸模塊是數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵?。無線模塊主要負責(zé)將采集及放大的信號通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)測中心（PC機）并交換數(shù)據(jù)信息[1]。在現(xiàn)場中，無線傳輸易遭受環(huán)境的干擾，進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸過程中丟包率較大?；谶@些因素，設(shè)計時需考慮盡可能縮短傳輸距離以及提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性[4]。該設(shè)計選擇了Chipcon AS公司出產(chǎn)的無線模塊CC2430。CC2430為可實現(xiàn)ZigBee無線通訊的射頻器件，其優(yōu)點為集成度高，通信協(xié)議簡單，組網(wǎng)便捷，只需較少的外圍設(shè)備便可滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求，且性能穩(wěn)定、功耗極低[6]。

在該設(shè)計無線采集系統(tǒng)中，MSP430G2553和CC2430均設(shè)定在SPI方式下進行工作。MSP430通過SPI接口與接收端CC2430交換數(shù)據(jù)、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(tǒng)采用LED燈與蜂鳴器進行聲光報警。當(dāng)現(xiàn)場的二氧化硫濃度超出預(yù)設(shè)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(tài)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，同時蜂鳴器工作從而實現(xiàn)聲光報警[5]。

3 軟件設(shè)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(fā)。該系統(tǒng)軟件編程部分主要使用C語言完成程序設(shè)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(tǒng)軟件設(shè)計中，為了盡量減輕負擔(dān)，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(xiàn)。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(tǒng)進入低功耗循環(huán)模式，并等待中斷，一旦中斷信號出現(xiàn)，系統(tǒng)立即停止循環(huán)，從低功耗模式喚醒，進行中斷響應(yīng)，中斷結(jié)束后再次返回低功耗循環(huán)模式。

3.2 無線模塊程序

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

4 結(jié)語

該文設(shè)計了基于MSP430G2553單片機的低功耗高性能的二氧化硫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以對大氣中的SO2含量進行實時監(jiān)控，具有濃度超限報警等功能。在該系統(tǒng)中，通過無線通信模塊可以實現(xiàn)對周圍環(huán)境高效實時的智能監(jiān)控。該系統(tǒng)具有體積小、功耗低、靈敏度高、易攜帶等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中前景廣泛。可滿足工礦企業(yè)或環(huán)保部門等單位對二氧化硫的監(jiān)測需求；還可應(yīng)用于監(jiān)測室外空氣質(zhì)量，為戶外運動提供參考。此外，該系統(tǒng)可以適當(dāng)調(diào)整傳感器的類型進行其他有害氣體的監(jiān)測，獲取更多的環(huán)境參數(shù)，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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].江南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)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(tǒng)設(shè)計[J].中國科技信息，2014（1）：110-111.

[3] 逄淑松，程凱，劉光發(fā)，等.MSP430G2553單片機超低功耗的研究與設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13（4）：1-2.

[4] 王曉明.無線二氧化硫傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].硅谷（高科技產(chǎn)品研發(fā)），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(wǎng)絡(luò)節(jié)點：CN203675336U[P].2014.