【正文】 月到 2020 年又相繼推出 F41x、 F43x、F44x。這些全部是 Flash 型單片機(jī)。 F41x 系列單片機(jī)有 48 個(gè) I/O 口，96 段 LCD 驅(qū)動(dòng)。 F43x、 F44x 系列是在 13x、 14x 的基礎(chǔ)上，增加了液晶基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 驅(qū)動(dòng)器，將驅(qū)動(dòng) LCD 的段數(shù)由 3xx 系列的最多 120 段增加到 160 段。并且相應(yīng)地調(diào)整了顯示存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的地址 ,為以后的發(fā)展拓展了空間。 MSP430 系列的部分產(chǎn)品具有 Flash 存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)調(diào)試及實(shí)際應(yīng)用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點(diǎn)。 TI 公司推出具有 Flash 型存儲(chǔ)器及 JTAG 邊界掃描技術(shù)的廉價(jià)開(kāi)發(fā)工具 MSPFET430X110，將國(guó)際上先進(jìn)的 JTAG 技術(shù)和 Flash 在線編程技術(shù)引入 MSP430。這種以 Flash 技術(shù)與 FET 開(kāi)發(fā)工具組合的開(kāi)發(fā)方式，具有方便、廉價(jià)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，給用戶提供了一個(gè)較為理想的樣機(jī)開(kāi)發(fā)方式。 2020 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP LOADER 技術(shù)，利用它可在燒斷熔絲以后只要幾根線就可更改并運(yùn)行內(nèi)部的程序。這為系統(tǒng)軟件的升級(jí)提供了又一方便的手段。 BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可達(dá)到 32 個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度。 TI 公司在 2020 年底和 2020 年期間又陸續(xù)推出了 F15x 和 F16x系列的產(chǎn)品。在這一新的系列中，有了兩個(gè)方面的發(fā)展。一是從存儲(chǔ)器方面來(lái)說(shuō)，將 RAM 容量大大增加，如 F1611 的 RAM 容量增加到了 10KB。二是從外圍模塊來(lái)說(shuō)，增加了 I2C、 DMA、 DAC12 和 SVS 等模塊 [13]。 MSP430 的特點(diǎn) [1] 處理能力強(qiáng) MSP430 系列單片機(jī)是一個(gè) 16 位的單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集（ RISC） 結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址， 4 種目的操作數(shù)尋址），簡(jiǎn)介的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可以參加多種運(yùn)算；還有高效的 查表處理命令。這些特點(diǎn)保證了可以編制出高效的源程序 。 運(yùn)算速度快 MSP430 系列單片機(jī)能在 25MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 40ns 的指令周期 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 現(xiàn)乘加運(yùn)算）相配合 ,能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等）。 超低功耗 MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗 ， 是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。首先， MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯 片的電流最低會(huì)在 165μA 左右， RAM 保持模式下的最低功耗只有 。 其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。可以只使用一個(gè)晶體振蕩器（ 32768Hz），也可以使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開(kāi)和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)開(kāi)啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（ AM）和五種低功耗模式（ LPM0~LPM4）。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá) ，在 RAM 保持模式下，最低可達(dá) 。 片內(nèi)資源豐富 MSP430 系列單片機(jī)的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（ WDT）、模擬比較器 A、定時(shí)器 A0（ Timer_A0）、定時(shí)器A1（ Timer_A1）、定時(shí)器 B0（ Timer_B0）、 UART、 SPI、 I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10 位 /12 位 ADC、 16 位 ΣΔ ADC、 DMA、 I/O 端口、基本定時(shí)器（ Basic Timer）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（ RTC）和 USB 控 制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器； 16 位定時(shí)器（ Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問(wèn)串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口， P0、 P P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 10/12 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù) 據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件 I2C 串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用的 DMA 模塊。 MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開(kāi)發(fā)手段不同。對(duì)于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開(kāi)發(fā)成功之后燒寫(xiě)或掩膜芯片；對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫(xiě)的 、 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言 。 課題研究的主要內(nèi)容 研究 內(nèi)容 本設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn) 基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為主要目標(biāo)，主要內(nèi)容有： 介紹 MSP430 單片機(jī) 的結(jié)構(gòu)及工作原理； 實(shí)現(xiàn) 對(duì)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)，可燃?xì)怏w濃度達(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，應(yīng)能報(bào)警。 控制系統(tǒng)所需 的控制電路，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)；控制電路主要由MSP430F149 單片機(jī)、 MQ2 氣敏傳感器、 LCD1602. 系統(tǒng)原理圖、方框圖和線路圖等。 論文安排 (1) 原理部分： 第 1 章主要介紹了 MSP430 單片機(jī) 的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)和工基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 作原理。 (2) 硬件電路部分： 第 3 章詳細(xì)介紹了 系統(tǒng)的硬件電路圖， MSP430的結(jié)構(gòu)圖及外圍電路。 (3)軟件部分 ： 介紹了系統(tǒng)的軟件流程圖。 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本章主要介紹系統(tǒng)的原理圖以及測(cè)量原理，然后介紹本設(shè)計(jì)的核心部件 MSP430F149 單片機(jī)和 MQ2 氣敏傳感器 。 控制系統(tǒng)的原理圖 本設(shè)計(jì) 的 控制系統(tǒng)主要包括五部分：采集模塊，鍵盤輸入模塊，電源及復(fù)位模塊，報(bào)警模塊，顯示模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 圖 21 控制系統(tǒng)原理圖 基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 氣體傳感器的選型 氣體傳感器屬于氣敏傳感器，是氣 電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量 (即濃度 )轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。氣體傳感器作為 燃?xì)庑孤﹫?bào)警器 的信號(hào)采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見(jiàn)，氣體傳感器的選型是非 常重要的。 氣體傳感器介紹 （ 1） .半導(dǎo)氣體傳感器 這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占 60%，根據(jù)其機(jī)理分為電導(dǎo)型和非電導(dǎo)型，電導(dǎo)型中又分為表面型和容積控制型 . （ 2） .固體電解質(zhì)氣體傳感器 固體電解質(zhì)氣體傳感器固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料做氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過(guò)氣體時(shí)產(chǎn)生離子，從而形成電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體 傳感器。如測(cè)量 H2S 的YSTAuWO測(cè)量 NH3 的 NH+4CaCO3 等。 開(kāi)發(fā)新的氣體傳感器，特別是開(kāi)發(fā)和完善智能氣體傳感系統(tǒng)，使之可以在氣體泄漏事故中起到報(bào)警、檢測(cè)、識(shí)別、智能決策等方面的作用。大大提高氣體泄漏事故處置的工作效率和安全性，對(duì)于控制事故損失具有重要的作用。 基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 （ 3） .接觸燒式氣體傳感器 接觸燃燒式氣體傳感器 可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種。其工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測(cè)量電阻變化 從而測(cè)量氣體濃度。這種傳感器只能測(cè)量可燃?xì)怏w，對(duì)不燃性氣體不敏感。例如，在 Pt 絲上涂敷活性催化劑 Rh 和 Pd 等制成的傳感器，具有廣譜特性，即可以檢測(cè)各種可燃?xì)怏w。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對(duì)爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)，普遍應(yīng)用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處的可燃性氣體的監(jiān)測(cè)和報(bào)警 。 （ 4） .高分子氣體傳感器 國(guó)外在高分子氣敏材料的研究和開(kāi)發(fā)上有了很大的進(jìn)展，高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合等特 點(diǎn)，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測(cè)具有重要作用。高分子氣體傳感器根據(jù)氣敏特性主要可分為下列幾種： l)高分子電阻式氣體傳感器 該類傳感器是通過(guò)測(cè)量高分子氣敏材料的電阻來(lái)測(cè)量氣體的體積分?jǐn)?shù)，目前的材料主要有歐菁聚合物、 LB膜、聚毗咯等。其主要優(yōu)點(diǎn)是制作工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。但這種氣體傳感器要通過(guò)電聚合過(guò)程來(lái)激活，這既耗費(fèi)時(shí)間，又會(huì)引起各批次產(chǎn)品之間的性能差異。 2)濃差電池式氣體傳感器 濃差電池式氣體傳感器的工作原理是：氣敏材料吸收氣體時(shí)形成濃差電池，測(cè)量輸出的電動(dòng)勢(shì)就可測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)， 目前主要有聚乙烯醇 磷酸等材料。 基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 3)聲表面波 (SAW)式氣體傳感器 SAW 氣體傳感器制作在壓電材料的襯底上，一端的表面為輸入傳感器，另一端為輸出傳感器。兩者之間的區(qū)域淀積了能吸附 VOC 的聚合物膜。被吸附的分子增加了傳感器的質(zhì)量，使得聲波在材料表面上的傳播速度或頻率發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量聲波的速度或頻率來(lái)測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)。主要?dú)饷舨牧嫌芯郛惗∠?、氟聚多元醇等，用?lái)測(cè)量苯乙烯和甲苯等有機(jī)蒸汽。其優(yōu)勢(shì)在于選擇性高、靈敏度高、在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定、對(duì)濕度響應(yīng)低和良好的可重復(fù)性。 SAW 傳感器輸出為準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，因此可簡(jiǎn) 便地與微處理器接口。此外， SAW 傳感器采用半導(dǎo)體平面工藝，易于將敏感器與相配的電子器件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)微型化、集成化，從而降低測(cè)量成本。 （ 5） .電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器通過(guò)與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來(lái)工作。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開(kāi)。 氣體首先通過(guò)微小的毛管型開(kāi)孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是憎水屏障，最終到達(dá)電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，以形成充分的電信號(hào)，同時(shí)防止電解質(zhì)漏出傳感器。 穿過(guò)屏障擴(kuò)散的 氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理。這些反應(yīng)由針對(duì)被測(cè)氣體而設(shè)計(jì)的電極材料進(jìn)行催化。 通過(guò)電極間連接的電阻器，與被測(cè)氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。測(cè)量該電流即可確定氣體濃度。由于該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電流，電化學(xué)傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。 （ 6） .熱傳導(dǎo)傳感器 基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測(cè)量原理不同。它的測(cè)量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測(cè)量電阻值的變化情況 。溫度的變化情況是目標(biāo)氣體熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對(duì)于一種給定的氣體，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。 （ 7） .紅外傳感器 利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。 紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路。光學(xué)系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩類。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電 檢測(cè)元件。熱敏元件應(yīng)用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。光電檢測(cè)元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。