【正文】 月到 2020 年又相繼推出 F41x、 F43x、F44x。這些全部是 Flash 型單片機。 F41x 系列單片機有 48 個 I/O 口，96 段 LCD 驅(qū)動。 F43x、 F44x 系列是在 13x、 14x 的基礎上，增加了液晶基于 MSP430 單片機的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 2 驅(qū)動器，將驅(qū)動 LCD 的段數(shù)由 3xx 系列的最多 120 段增加到 160 段。并且相應地調(diào)整了顯示存儲器在存儲區(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 存儲器，在系統(tǒng)設計、開發(fā)調(diào)試及實際應用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點。 TI 公司推出具有 Flash 型存儲器及 JTAG 邊界掃描技術的廉價開發(fā)工具 MSPFET430X110，將國際上先進的 JTAG 技術和 Flash 在線編程技術引入 MSP430。這種以 Flash 技術與 FET 開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價、實用等優(yōu)點，給用戶提供了一個較為理想的樣機開發(fā)方式。 2020 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP LOADER 技術，利用它可在燒斷熔絲以后只要幾根線就可更改并運行內(nèi)部的程序。這為系統(tǒng)軟件的升級提供了又一方便的手段。 BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可達到 32 個字節(jié)的長度。 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，有了兩個方面的發(fā)展。一是從存儲器方面來說，將 RAM 容量大大增加，如 F1611 的 RAM 容量增加到了 10KB。二是從外圍模塊來說，增加了 I2C、 DMA、 DAC12 和 SVS 等模塊 [13]。 MSP430 的特點 [1] 處理能力強 MSP430 系列單片機是一個 16 位的單片機，采用了精簡指令集（ 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)存儲器都可以參加多種運算；還有高效的 查表處理命令。這些特點保證了可以編制出高效的源程序 。 運算速度快 MSP430 系列單片機能在 25MHz 晶體的驅(qū)動下，實現(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（能實基于 MSP430 單片機的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 3 現(xiàn)乘加運算）相配合 ,能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等）。 超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗 ， 是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先， MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時，芯 片的電流最低會在 165μA 左右， RAM 保持模式下的最低功耗只有 。 其次，獨特的時鐘系統(tǒng)設計。在 MSP430 系列中有兩個不同的時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時鐘系統(tǒng)和 DCO 數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)?？梢灾皇褂靡粋€晶體振蕩器（ 32768Hz），也可以使用兩個晶體振蕩器。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。由于系統(tǒng)運行時開啟的功能模塊不同，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)中共有一種活動模式（ AM）和五種低功耗模式（ LPM0~LPM4）。在實時時鐘模式下，可達 ，在 RAM 保持模式下，最低可達 。 片內(nèi)資源豐富 MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內(nèi)外設。它們分別是看門狗（ WDT）、模擬比較器 A、定時器 A0（ Timer_A0）、定時器A1（ Timer_A1）、定時器 B0（ Timer_B0）、 UART、 SPI、 I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動器、 10 位 /12 位 ADC、 16 位 ΣΔ ADC、 DMA、 I/O 端口、基本定時器（ Basic Timer）、實時時鐘（ 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迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出 A/D 轉(zhuǎn)換器； 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存器，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現(xiàn)多機通信等應用；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 200kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù) 據(jù)采集應用；能直接驅(qū)動液晶多達 160 段；實現(xiàn)兩路基于 MSP430 單片機的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 4 的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件 I2C 串行總線接口實現(xiàn)存儲器串行擴展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用的 DMA 模塊。 MSP430 系列單片機的這些片內(nèi)外設為系統(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，這些器件的開發(fā)手段不同。對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后燒寫或掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因為器件片內(nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 、 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設計者調(diào)試使用的方法進行開發(fā)。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言 。 課題研究的主要內(nèi)容 研究 內(nèi)容 本設計以實現(xiàn) 基于 MSP430 單片機的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 為主要目標，主要內(nèi)容有： 介紹 MSP430 單片機 的結(jié)構(gòu)及工作原理； 實現(xiàn) 對可燃性氣體進行檢測，可燃氣體濃度達到報警設定值時，應能報警。 控制系統(tǒng)所需 的控制電路，設計控制系統(tǒng)；控制電路主要由MSP430F149 單片機、 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 的特點，結(jié)構(gòu)和工基于 MSP430 單片機的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 5 作原理。 (2) 硬件電路部分： 第 3 章詳細介紹了 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)總體方案設計 本章主要介紹系統(tǒng)的原理圖以及測量原理，然后介紹本設計的核心部件 MSP430F149 單片機和 MQ2 氣敏傳感器 。 控制系統(tǒng)的原理圖 本設計 的 控制系統(tǒng)主要包括五部分：采集模塊，鍵盤輸入模塊，電源及復位模塊，報警模塊，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 單片機的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 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，通過 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，進而由單片機完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報警控制等工作。氣體傳感器作為 燃氣泄漏報警器 的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，氣體傳感器的選型是非 常重要的。 氣體傳感器介紹 （ 1） .半導氣體傳感器 這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占 60%，根據(jù)其機理分為電導型和非電導型，電導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氣體時產(chǎn)生離子，從而形成電動勢，測量電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領域，僅次于金屬氧化物半導體氣體 傳感器。如測量 H2S 的YSTAuWO測量 NH3 的 NH+4CaCO3 等。 開發(fā)新的氣體傳感器，特別是開發(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警、檢測、識別、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，對于控制事故損失具有重要的作用。 基于 MSP430 單片機的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 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，測量電阻變化 從而測量氣體濃度。這種傳感器只能測量可燃氣體，對不燃性氣體不敏感。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，即可以檢測各種可燃氣體。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測，普遍應用于石油化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處的可燃性氣體的監(jiān)測和報警 。 （ 4） .高分子氣體傳感器 國外在高分子氣敏材料的研究和開發(fā)上有了很大的進展，高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合等特 點，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測具有重要作用。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 該類傳感器是通過測量高分子氣敏材料的電阻來測量氣體的體積分數(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)點是制作工藝簡單、成本低廉。但這種氣體傳感器要通過電聚合過程來激活，這既耗費時間，又會引起各批次產(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形成濃差電池，測量輸出的電動勢就可測量氣體體積分數(shù)， 目前主要有聚乙烯醇 磷酸等材料。 基于 MSP430 單片機的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 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，通過測量聲波的速度或頻率來測量氣體體積分數(shù)。主要氣敏材料有聚異丁烯、氟聚多元醇等，用來測量苯乙烯和甲苯等有機蒸汽。其優(yōu)勢在于選擇性高、靈敏度高、在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定、對濕度響應低和良好的可重復性。 SAW 傳感器輸出為準數(shù)字信號，因此可簡 便地與微處理器接口。此外， SAW 傳感器采用半導體平面工藝，易于將敏感器與相配的電子器件結(jié)合在一起，實現(xiàn)微型化、集成化，從而降低測量成本。 （ 5） .電化學傳感器 電化學傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。典型的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。 氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應，然后是憎水屏障，最終到達電極表面。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應，以形成充分的電信號，同時防止電解質(zhì)漏出傳感器。 穿過屏障擴散的 氣體與傳感電極發(fā)生反應，傳感電極可以采用氧化機理或還原機理。這些反應由針對被測氣體而設計的電極材料進行催化。 通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會在正極與負極間流動。測量該電流即可確定氣體濃度。由于該過程中會產(chǎn)生電流，電化學傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。 （ 6） .熱傳導傳感器 基于 MSP430 單片機的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 9 熱傳導傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻值的變化情況 。溫度的變化情況是目標氣體熱傳導率的函數(shù)，而對于一種給定的氣體，熱傳導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)來進行測量的傳感器。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（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應快等優(yōu)點。 紅外線傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路。光學系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩類。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電 檢測元件。熱敏元件應用最多的是熱敏電阻。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。光電檢測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。