張智杰 蘇雷皓

【摘 要】本設(shè)計空氣質(zhì)量監(jiān)測器，精度高，成本低，體積小，主要來監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量，適用于家庭，會議室，等候室和教室等。本設(shè)計的主控芯片使用德州儀器公司超低功耗的MSP430F149，使用高靈敏度的氣體傳感器，精確檢測室內(nèi)的空氣質(zhì)量。在不同空氣質(zhì)量狀況下，會使用不同顏色的LED燈和蜂鳴器進行相應(yīng)的提示或報警。使用WIFI模塊實現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測器和上位機之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，并將其聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，對室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測器進行遠程控制監(jiān)視，更加方便實用。

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)空氣質(zhì)量；無線數(shù)據(jù)傳輸；上位機；

一、前言

在現(xiàn)實生活中，室內(nèi)與室外空氣質(zhì)量有較大區(qū)別，急需一種適用于室內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測器，要求輕巧便捷，安裝簡單，功耗低等。本設(shè)計空氣質(zhì)量檢測器能很好滿足這一需求，可以準(zhǔn)確監(jiān)測室內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況，提醒人們采用一些措施來改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量狀況。當(dāng)室內(nèi)的PM2.5或液化氣等可燃氣體泄漏時，會產(chǎn)生相應(yīng)報警。目前市場上的空氣凈化器大多采用粉塵傳感器，可以檢測空氣中的灰塵顆粒，但精度低，且不能檢測空氣中的其它污染物。隨著空氣凈化器的凈化技術(shù)的升級，對空氣質(zhì)量監(jiān)測也需要更精準(zhǔn)、全面。

二、總體設(shè)計

1.設(shè)計任務(wù)

本設(shè)計空氣質(zhì)量監(jiān)測器，尺寸不大于10cm*10cm*5cm，適用于家庭，會議室，等候室，教室等。一天24小時運轉(zhuǎn)，可以連續(xù)記錄和顯示一個月或者更長的時間跨度內(nèi)，室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣，以數(shù)據(jù)和波動曲線兩種方式記錄和顯示。

基本要求：

（1）具有四個級別報警或指示。三種不同色彩的發(fā)光二極管指示，綠色LED代表：空氣質(zhì)量優(yōu)秀；黃色LED代表：空氣質(zhì)量良好；紅色LED代表：空氣質(zhì)量污染，蜂鳴器報警代表：空氣質(zhì)量嚴(yán)重污染。

（2）功耗小，可保存一個月的數(shù)據(jù)（每天24小時，采樣間隔為5秒）。

（3）使用液晶顯示具體的空氣質(zhì)量數(shù)值。

發(fā)揮部分：

（1）在上位機中根據(jù)現(xiàn)有的檢測數(shù)據(jù)繪制出空氣質(zhì)量變化曲線?？缮壣衔粰C功能：上位機有多功能按鈕，可顯示一周、一個月甚至一年的數(shù)據(jù)。

（2）使用藍牙或WIFI模塊進行無線數(shù)據(jù)傳輸，甚至可與國家天氣預(yù)報中的空氣質(zhì)量狀況進行實時對比，提醒用戶開窗通風(fēng)等。

（3）編寫一個小型的手機軟件，和它互傳數(shù)據(jù)，更加方便實用。

2.系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

本設(shè)計作品使用MSP430F149為主控芯片，有足夠的64個IO口可以使用[2]。使用高靈敏度的MQ-2等氣體傳感器為核心元件，能精確的監(jiān)測到空氣質(zhì)量。在不同空氣質(zhì)量狀況下，會使用LED燈和蜂鳴器進行相應(yīng)的報警。利用DS1302模塊進行實際時間校準(zhǔn)，控制整個程序運行的時序。由于此設(shè)計需要存儲的數(shù)據(jù)量很大，因此使用大容量的SD卡進行存儲數(shù)據(jù)（由主控芯片統(tǒng)一控制對SD卡讀寫）。再用Visual Basic編寫一個人性化的上位機，形象地以數(shù)據(jù)和波動曲線的形式顯示最近的空氣質(zhì)量信息。

為了方便觀察和使用，我們用WIFI模塊對監(jiān)測器和上位機間的數(shù)據(jù)進行無線傳輸，并能接入互聯(lián)網(wǎng)。利用1602液晶顯示時間和相關(guān)空氣質(zhì)量狀況，完全能夠在沒有上位機控制的情況下簡單顯示數(shù)據(jù)，獨立工作。總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

三、硬件電路設(shè)計

1.DS1302時鐘芯片電路

本系統(tǒng)需要當(dāng)前正確的時間，因此需要低功耗的時鐘芯片，我們選用了DS1302。MSP430F149與其采用SPI通信協(xié)議，對它進行設(shè)置、讀取時間。為了防止突然斷電造成系統(tǒng)時間錯誤，我們對DS1302單獨供電。

2.供電電路，

單片機用3.3V供電，其他一些模塊需要5V供電，所以需有3.3V和5V的電壓引出?？紤]到用戶使用方便，我們采用5V供電器供電方式，并設(shè)有總電源開關(guān)。

3.液晶顯示電路

為了方便使用和觀察空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)，我們增加了1602液晶顯示功能

4.SD卡模塊電路

對SD卡采用SPI的讀寫模式，僅用四根線接到MSP430F149的IO口上，從而進行相應(yīng)的控制。

四、軟件設(shè)計

由于設(shè)計要求5s對空氣質(zhì)量狀況監(jiān)視一次，所以整個程序的執(zhí)行需要有時序性。程序初始化完成后，MSP430F149便進入低功耗模式，以節(jié)省電能。其它程序的執(zhí)行都放在中斷里。

本系統(tǒng)程序由定時器TA0喚醒低功耗模式，然后控制系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，每5秒對室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測一次，然后進行相應(yīng)的LED或蜂鳴器等警示，每30分鐘向SD卡寫入并保存一次數(shù)據(jù)。

1.WIFI模塊程序設(shè)計

WIFI模塊與上位機進行無線通信時，使用TCP協(xié)議，后文中將詳細介紹。我選用的WIFI模塊可進行串口輸出，它與主控單片機進行串口通信。在程序中我開啟了MSP430F149的串口功能，在串口中斷中進行相關(guān)處理。

2.DS1302模塊程序設(shè)計

主控單片機MSP430F149與其采用口模擬SPI通信方式，對它進行設(shè)置、讀取時間。本設(shè)計利用主控單片機的定時器，950ms左右對DS1302讀取一次時間信息，以確保系統(tǒng)顯示的時間在秒級上的正確性。任務(wù)需要每5s對空氣質(zhì)量檢測一次，我們設(shè)定當(dāng)DS1302的秒級個位數(shù)字為0和5時，對空氣質(zhì)量檢測一次，可達到設(shè)計要求。

若發(fā)現(xiàn)DS1302的時間信息不準(zhǔn)確，可使用上位機發(fā)送相關(guān)命令設(shè)置時間，或自動設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)上的時間一致。

3.SD卡模塊程序設(shè)計

本設(shè)計采用以扇區(qū)為單位對SD卡進行操作]。SD卡的每個扇區(qū)有512個字節(jié)，根據(jù)本文理論分析與計算部分可知，每30分鐘空氣質(zhì)量信息的數(shù)據(jù)為360個字節(jié)。為了便于以后對室內(nèi)空氣質(zhì)量的分析，在向SD卡寫入數(shù)據(jù)之前，假如當(dāng)前的時間等信息（約8個字節(jié)的數(shù)據(jù)），考慮到程序運行速率和對SD卡的有效利用，我們決定先將30分鐘的數(shù)據(jù)存入一個數(shù)組，然后使用寫單個扇區(qū)的模式將數(shù)據(jù)寫入SD卡，即每30分鐘向SD卡寫入一次。

4.上位機通訊

利用Visual Basic（簡稱VB）為空氣質(zhì)量監(jiān)測器編寫一個“定制版”上位機。主要使用VB中的Winsock控件實現(xiàn)和空氣質(zhì)量監(jiān)測器的無線連接，并將其接入網(wǎng)絡(luò)，進行相關(guān)控制。

五、系統(tǒng)調(diào)試

基本模塊調(diào)節(jié)完成并組合后，本設(shè)計主要三個部分需要進行測試和分析：

（1）在不同的空氣質(zhì)量狀況下，會不會產(chǎn)生相應(yīng)的指示和報警；

（2）對SD卡寫入并讀出的數(shù)據(jù)是否正確；

（3）通過WIFI進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正確。

（4）整體調(diào)試

參考文獻：

[1] Erick Frederico Kill Aguiar，Henrique Llacer Roig，Luís Henrique Mancini，Eduardo Neiva Caetano Botelho de Carvalho.Low-Cost Sensors Calibration for Monitoring Air Quality in the Federal District-Brazil[J].Journal of Environmental Protection，2015，6：173-189

[2] 朱明.MSP430單片機C應(yīng)用從入門到精通[R].大連理工大學(xué)，2007.8：36-52

[3] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].高等教育出版社，2006：96-118

[4] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].高等教育出版社，2006：20-64

作者簡介：

張智杰（1970.12-），男，漢族，山東濟南，實驗中心主任，黨員，副教授，碩士，主要從事電氣自動化教學(xué)與實驗；蘇雷皓（1992.11-）男，漢，山東臨沂，碩士，工程師，中匯信息技術(shù)（上海）有限公司從事軟件設(shè)計工作。

（作者單位：濟南大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院

中匯信息技術(shù)（上海）有限公司）