【正文】 傳感器出來的是微弱的電流信號，經(jīng)過傳感器的外圍工作電路轉(zhuǎn)換為微弱的 電壓信號，微弱的電壓信號再經(jīng)過放大電路放大到 ，在經(jīng)過 AD 轉(zhuǎn)換，將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，送入單片機 CPU 進行數(shù)據(jù)處理，計算出一氧化碳?xì)怏w 電化學(xué)傳感器 接口電路 ADC MSP430 LCD EEPROM 按鍵 7 濃度值，通過 LCD 顯示。 MSP43 系列單片機針對各種不同應(yīng)用，包括一系列不同型號的器件。 (4)16 位數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)處理更為有效。 :存儲程序、數(shù)據(jù)以及外圍模塊的運行控制信息。 :經(jīng)過 MAB, MDB、中斷服務(wù)及請求線與 CPU 相連。 (1)MSP430F149 主要具有以下 特點 [a]低電源電壓范圍 :、 [b]超低功耗 。 等待方式 。 9 [f]基本時鐘模塊配置 : 高速晶體 (最高 8MHz)。 [i]內(nèi)部溫度傳感器。 [n]多達(dá) 60KB FLASH ROM 和 2KB RAM。 5V 電源經(jīng)過EE1117 穩(wěn)壓輸出 電壓。如圖 (b)所示。電路如圖 (C)所示。振蕩器和系統(tǒng)時鐘發(fā)生器的主要設(shè)計目標(biāo)是滿足廉價和低功耗。 小電流的實時應(yīng)用有兩個互相矛盾的要求 :滿足節(jié)能要求的低頻系統(tǒng)時鐘和 11 為了快速響 應(yīng)事件的高頻系統(tǒng)時鐘。但是，快速啟動通常伴隨著不可接受的低頻率穩(wěn)定性。 (3)穩(wěn)定的頻率，以滿足定時應(yīng)用，如實時時鐘 RTC。 MSP430 的折衷辦法就是用一個低頻晶體振蕩器，并將其倍頻至標(biāo)稱的工作頻率范圍 。 MSP430F149 有三個時鐘源 (1)LFXTICLK 低頻時鐘源。 ACLK可由軟件選作各個外圍模塊的時鐘信號，一般用于低速外設(shè)。 SMCLK 主要用于高速外圍模塊。 LFXTl 振蕩器在發(fā)生有效 PUC 信號后開始工作，一次有效 PUC 信號可以將 SR寄存器 (狀態(tài)寄存器 )中的 OscOff 位復(fù)位，即允許 LFXTl 工作。本設(shè)計采用的是外接 32768Hz 的晶振。 AT24C02 擁有 256字節(jié)的存儲空間，具有低功耗的特點。但在實現(xiàn)便攜式的目標(biāo)的同時，也對供電系統(tǒng)提出了苛刻的要求。當(dāng)按下時間小于三秒時，電路將判斷為誤操作，不會接通電源。 :延時電路由一個開關(guān)、兩個電阻、一個 二極管、一個電容和兩個施密特觸發(fā)器組成，其電路如圖 2. 9 所示。 Vt 為 t 時刻電容上的電壓值。當(dāng)充電電壓從 OV 15 開始，不斷變大。從這個數(shù)據(jù)可以看出充電的過程非常的迅速。若再松開按鍵可知， C1 將會被充電，由上述可知，充電時間約為 秒。其電路如圖 所示 R11MR310 0kR210 0KR41M+C24. 7u FD2I N 41 48D1I N 41 48Q1F 9 54 0+ C14. 7u FV1121311U 1AC D 4 09 3B C N8910U 2AC D 4 09 3B C NV ou tV I N 圖 2. 10雙穩(wěn)態(tài)電路 16 當(dāng) V1輸入穩(wěn)定的高電平時，電路保持穩(wěn)定的狀態(tài)不變。 電壓轉(zhuǎn)換電路 從電池輸入的電壓為 5 伏，而放大電路的電壓需要 12V 才能滿足要求，所以需要一個 DC/DC 模塊將輸入的 5V 電壓轉(zhuǎn)換為 12V。還有些分析方法，如半導(dǎo)體氣敏傳感器，靈敏度低，重現(xiàn)性較差，一般只能用作報警器。本設(shè)計采用的是 一氧化碳 電流型電化學(xué)傳感器。 (3)電活性物種在電解液中的溶解。 (6)電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。影響傳感器性能的參數(shù)有 :氣體流速，工作電極的成分，電解質(zhì)的種類和數(shù)量，膜的孔率和滲透力，工作電極的電勢。例如，分析質(zhì)流速較低時，傳感器可以使到達(dá)工作電極表面的電活性物質(zhì)完全氧化，因此傳感器的響應(yīng)信號受分析樣本流速的影響。 一氧化碳?xì)怏w傳感器與報警器配套使用，是報警器中的核心檢測元件，它是以定電位電解為基本原理。其化學(xué)反應(yīng)式為： CO+H2O→ CO2+2H++2e 在工作電極上發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生的 H+離子和電子，通過電解液轉(zhuǎn)移到與工作電極保持一定間隔的對電極上，與水中的氧發(fā)生還原反應(yīng)。 為了維持極間電位的恒定，我們加入了一個參比電極。這樣，在氣體傳感器上外接信號采集電路和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換和輸出電路，就能夠?qū)σ谎趸細(xì)怏w實現(xiàn)檢測和監(jiān)控。 (c)反應(yīng)過程中每摩爾物質(zhì)傳遞的電流。 將以上幾種因素進行最優(yōu)化組合，可使傳感器得到最大的靈敏度技術(shù)指標(biāo)。因此，傳感器工作時的電極電位和電催化劑的選擇直接影響傳感器的選擇性。定電位電解型氣體傳感器的響應(yīng)時間在很大程度上取決于工作電極與參考電極間的電阻。如果能大幅度的降低底電流和噪聲，傳感器的靈敏度將顯著的提高。 近年來，關(guān)于電流型氣體傳感器的噪聲的產(chǎn)生原因有很多推測。 加在傳感器上的恒定電位稱為“給定電位”。傳感器的工作電路如圖 2. 11 所示。U1必須選擇具有高輸入阻抗的運放。 U=i*R4 (式 2 .3) 若取 R4 的電阻值為 20KΩ ,而 傳感器得輸出的電流信號為微安級，經(jīng)過 R4 轉(zhuǎn)換為電壓后，電壓為幾十到幾百個毫伏的級別。 若取 R3=R6=R5=R7=100K，由上式計算可知，則輸出的電壓值為 U 輸出電壓 =U7U1+U 參考電壓 (式 2. 5) 圖 為工作電極的外接電路圖及參考電壓電路。 C11 u FR36 8 kR21 0 0 k5V工作電極 輸出參考電壓R1 3 3 K131214U 圖 2. 12參考電壓電路 信號放大電路 5 1 KR22 0 KR1R61MR43 3 kR72 0 0 kC11 u F參考電壓參考電壓前端輸出參考電壓 R32 0 kR51 0 k231U1657U2輸出電壓 圖 2. 13放大電路 從傳感器接口電路出來以后的電壓信號，一方面還是比較小，需要進一步進行放大?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié) R3 值，改變 Ul 的放大倍數(shù)，從而改 變輸出電壓值。 ADC 模塊的常用性能指標(biāo)如下幾個 : (1)分辨率。一個 5V 滿刻度的 12 位 ADC 模塊能夠分辨輸入電壓變化的最小值約為，所以， ADC 模塊位數(shù)越多，數(shù)據(jù)采集精度就越高。投高分辨率可以減少量化誤差。指 ADC 模塊完成一次模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換所需要的時間，轉(zhuǎn)換時間越短越能適應(yīng)輸入信號的變化。 (1)直接利用內(nèi)嵌模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊。 MSP430 ADC12 內(nèi)置參考電源，而是參考電壓有 6種可編程選擇，分別為 VR+與 VR的組合。 24 當(dāng)對多個模擬信號進行采樣并進行 A/D 轉(zhuǎn)換時，為了共用一個轉(zhuǎn)換內(nèi)核，模擬多路器需要分時地將多個模擬信號接通，即每次接通一個信號采樣并轉(zhuǎn)換。如果測量溫度高于或低于預(yù)設(shè)的溫度時，可以通過外接部件顯示警告信息。當(dāng)輸入模擬電壓等于或高于 VR+時， ADC12 輸出滿量程值 OFFFH,當(dāng)輸入電壓等于或小于 VR時， ADC12 輸出 0。保持狀態(tài)，輸出保持某個值一段時間以備轉(zhuǎn)換。 這部分提供采樣及轉(zhuǎn)換所需要的各種時鐘信號 :ADCI2CLK 轉(zhuǎn)換時鐘、SAMPCON 采樣及轉(zhuǎn)換信號、 SHT控制的采樣周期、 SHS 控制的采樣觸發(fā)來源選擇、 25 ADCI2SSEL 選擇的內(nèi)核時鐘源、 ADC12DIV 選擇的 分頻系數(shù)等。 ADC12 共有 12 個轉(zhuǎn)換通道，設(shè)置了 16 個轉(zhuǎn)換存儲器用于暫存轉(zhuǎn)換結(jié) 果，合理設(shè)置之后， ADC12 硬件會自動將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到相應(yīng)的 ADCI2MEM 寄存器 中。 (2)有多種時鐘源提供給 ADC12 模塊，而且模塊本身內(nèi)置時鐘發(fā)生 器。 (6)內(nèi)置參考電源，并且參考電壓有 6種組合。 (10)采樣速度快，最高可達(dá) 200Ksps。本次設(shè)計主要采用的是單通道單次轉(zhuǎn)換，單通道多次轉(zhuǎn)換。 I2C 總 線介紹 : I2C 總線是英文 INTER IC BUS 或 IC TO IC BUS 的簡稱，十多年前由 PHILIP S公司推出，是近年來微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標(biāo)準(zhǔn)，它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方便簡化，器件封裝形式小 ，通信速率較高等優(yōu)點。在 CPU 與被控 IC之間、 IC 與 IC 之間進行雙向傳送，最高傳送速率為 400kb/s，各種 被控電路均并聯(lián)在這條總線上，每個電路都有唯一的地址。 I2C 總線的數(shù)據(jù)傳輸 在傳輸數(shù)據(jù)開始前，主控器件應(yīng)發(fā)送起始位，通知從器件做好接收準(zhǔn)備 。 28 圖 圖 每一個被傳送的數(shù)據(jù)為由 SDA 線上的高、低電平表示，對于每一個被傳送的數(shù)據(jù)位都在 SCL 線上產(chǎn)生一個時鐘脈沖。在啟動和停 止條件之間可傳送的數(shù)據(jù)不受限制，但每個字節(jié)必須為 8位。當(dāng)從器件不能在接收另外的字節(jié)時也會出現(xiàn)這種情況。該字節(jié)的格式為 : 表 ()指令格式 若通訊方式是主器件發(fā)送數(shù)據(jù)，從器件接收數(shù)據(jù)，則在發(fā)送完向 AT24C02寫數(shù)據(jù)的命令之后等待 AT24C02 的應(yīng)答。 若通訊方式是主器件接收數(shù)據(jù)，從 器件發(fā)送數(shù)據(jù)，則在發(fā)送完向 AT24C02 寫數(shù)據(jù)的命令之后等待 AT24C02 的應(yīng)答。 3. 3 系統(tǒng)整體軟件流程圖 No Yes No Yes No Yes No Yes Yes No 開始 確定偏移量狀態(tài) Key_1 按下？ 檢測狀態(tài) Key_1 按下？ Key_2 按下？ 確定 x和 y值狀態(tài) Key_1 按下？ 手動標(biāo)定 x狀態(tài) Key_1 按下？ 31 本設(shè)計的軟件部分整體包含四個不同的工作狀態(tài)，不同的工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是通過狀 態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)來實現(xiàn)的。必需在工作前進行標(biāo)定，標(biāo)定出標(biāo)準(zhǔn)的 一氧化碳 濃度對應(yīng)得電壓值。其中 X為電壓值， Y 為濃度值。因為，題目上出現(xiàn)的專業(yè)術(shù)語令我望而卻步了。倘若放棄，那么以后的人生就是被別人放棄。對單片機的了解也隨之加深，它在氣體檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用，很多附件的應(yīng)用，很多芯片的結(jié)構(gòu)都有了一定的了解。想想我們以后走向工作崗位，應(yīng)該是實踐與理論相結(jié)合。設(shè)計已接近尾聲，我希望大家遇到困難時請不要輕言放棄，要相信自己，努力學(xué)習(xí)，困難就會迎韌而解的。尤其在我剛拿到一個帶有陌生專業(yè)術(shù)語的題目想退縮時，段老師的一翻教導(dǎo)令我受益匪淺。所以，在設(shè)計的過程中，遇到很小的問題，都要勞煩老師講解。他們給了我很多的建議和幫助。 再次感謝在設(shè)計中給我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)！