張海蘭+許超

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中二氧化硫含量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，該文以MSP430G2553為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含主控、傳感器檢測(cè)、聲光報(bào)警以及無(wú)線傳輸四大模塊。MSP430與CC2430無(wú)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(zhǔn)確度的優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)僅需電池供電，非常適用于監(jiān)測(cè)條件不佳的有限空間場(chǎng)合。此系統(tǒng)對(duì)二氧化硫的有效監(jiān)控有助于環(huán)保部門(mén)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：MSP430 傳感器 無(wú)線傳輸

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)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(lái)舒適便利的同時(shí)，燃燒后排放的煙氣也給人們的生存環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)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(qiáng)烈的關(guān)注，PM2.5數(shù)值更是出現(xiàn)在每日的天氣預(yù)報(bào)中。眾所周知，我國(guó)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(cè)空氣中二氧化硫的含量，該文設(shè)計(jì)了一種以MSP430單片機(jī)為主控芯片的低功耗、高精度、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空間內(nèi)二氧化硫濃度的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

二氧化硫無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖1所示：通過(guò)二氧化硫電化學(xué)傳感器3SF/F對(duì)現(xiàn)場(chǎng)二氧化硫濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)由信號(hào)放大電路，把采集到的信息放大為單片機(jī)MSP430G2553可識(shí)別的模擬電壓信號(hào)，然后通過(guò)單片機(jī)自帶的AD轉(zhuǎn)換器將采集來(lái)的信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)街骺匦酒拇鎯?chǔ)器中[2]。具體的濃度數(shù)值可通過(guò)LCD實(shí)時(shí)顯示，且與預(yù)設(shè)的SO2濃度警報(bào)值相比較，若超出限定值，則通過(guò)單片機(jī)控制聲光報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，再由無(wú)線通信模塊遠(yuǎn)程顯示與控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊MSP430G2553

主控模塊采用美國(guó)德州儀器（TI）公司最新推出的一種超低功耗混合信號(hào)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(jī)有如下特性：低壓驅(qū)動(dòng)、超低功耗；處理能力強(qiáng)；模擬技術(shù)性能高；片上外圍資源豐富；開(kāi)發(fā)環(huán)境便捷高效。

作為微控芯片的MSP430G2553，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采集，選擇其外部時(shí)鐘，可以極大地提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性與靈敏性。

2.2 傳感器模塊3SF/F

傳感器選型對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很重要，基于不同現(xiàn)場(chǎng)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(jià)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(chǎng)合為便于更換、維護(hù)傳感器節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)選擇英國(guó)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(guò)氧化或還原反應(yīng)將濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過(guò)檢測(cè)到的電信號(hào)的大小得到相應(yīng)氣體的濃度。3SF/F主要用于監(jiān)測(cè)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(cè)。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(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出優(yōu)良的二氧化碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線傳輸模塊是數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵?。無(wú)線模塊主要負(fù)責(zé)將采集及放大的信號(hào)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到監(jiān)測(cè)中心（PC機(jī)）并交換數(shù)據(jù)信息[1]。在現(xiàn)場(chǎng)中，無(wú)線傳輸易遭受環(huán)境的干擾，進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中丟包率較大?；谶@些因素，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)選擇了Chipcon AS公司出產(chǎn)的無(wú)線模塊CC2430。CC2430為可實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線通訊的射頻器件，其優(yōu)點(diǎn)為集成度高，通信協(xié)議簡(jiǎn)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(jì)需求，且性能穩(wěn)定、功耗極低[6]。

在該設(shè)計(jì)無(wú)線采集系統(tǒng)中，MSP430G2553和CC2430均設(shè)定在SPI方式下進(jìn)行工作。MSP430通過(guò)SPI接口與接收端CC2430交換數(shù)據(jù)、傳輸命令等；SPI通信為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。

2.4 聲光報(bào)警與電源模塊

該系統(tǒng)采用LED燈與蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的二氧化硫濃度超出預(yù)設(shè)警戒值值時(shí)，MSP430G2553通過(guò)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(shí)蜂鳴器工作從而實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警[5]。

3 軟件設(shè)計(jì)

C語(yǔ)言可讀性強(qiáng)，移植性好，通用性強(qiáng)，非常適合MSP430單片機(jī)的開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)軟件編程部分主要使用C語(yǔ)言完成程序設(shè)計(jì)[6]。軟件程序主要包括主程序、初始化程序和無(wú)線模塊程序三部分。

3.1 MSP430的初始化

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，為了盡量減輕負(fù)擔(dān)，使有更多的時(shí)間來(lái)處理有用的運(yùn)算，同時(shí)為了減小電路的功率損耗，MSP430G2553全部功能都使用中斷方式實(shí)現(xiàn)。主程序不做過(guò)多的工作，只進(jìn)行一些必要的初始化，然后開(kāi)中斷，之后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗循環(huán)模式，并等待中斷，一旦中斷信號(hào)出現(xiàn)，系統(tǒng)立即停止循環(huán)，從低功耗模式喚醒，進(jìn)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(wú)線模塊程序

無(wú)線通信模塊由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送端和PC終端接收兩部分組成。無(wú)線模塊主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)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(chǎng)數(shù)據(jù)處理后送入MSP430中，完成信號(hào)的采集、AD轉(zhuǎn)換、液晶實(shí)時(shí)顯示[5]，然后把數(shù)據(jù)打包通過(guò)接口送入CC2430。無(wú)線模塊CC2430接收從現(xiàn)場(chǎng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，傳送到上位機(jī)（PC）上。每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CC2430都有一個(gè)唯一對(duì)應(yīng)的ID號(hào)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)功能[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了基于MSP430G2553單片機(jī)的低功耗高性能的二氧化硫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)大氣中的SO2含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有濃度超限報(bào)警等功能。在該系統(tǒng)中，通過(guò)無(wú)線通信模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境高效實(shí)時(shí)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(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中前景廣泛?？蓾M足工礦企業(yè)或環(huán)保部門(mén)等單位對(duì)二氧化硫的監(jiān)測(cè)需求；還可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)室外空氣質(zhì)量，為戶外運(yùn)動(dòng)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(jìn)行其他有害氣體的監(jiān)測(cè)，獲取更多的環(huán)境參數(shù)，具有良好的通用性。

參考文獻(xiàn)

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