【文章內容簡介】 采樣。 處理芯片的選擇 處理芯片承擔著所有數(shù)據(jù)的傳輸、處理、儲存和計算等任務，可以說是本系統(tǒng)的核心部分。市場上的處理芯片總類較多，單就我們學生所接觸的就包括STC89C51 系列、 MSP430 系列等。 STC89C51 是筆者最先接觸的一款單片機，也是學校的課程要求掌握的一款。 STC89C51 是一種 8 位的單片機 片 ， 內含 8K Bytes 的可反復擦寫 1000 次的Flash 只讀 程序存儲器 。 STC89C51 一般簡稱為 51 單片機，主要是因為 器件兼容了 標準 MCS51 指令系統(tǒng) 及 80C51 引腳 結構 。 芯片內集成了通用 8 位 中央處理器 和 ISP Flash 存儲單元 ，具有在系統(tǒng)可編程（ ISP）特性 。 51 單片機的開發(fā)平臺是 keil_uvision，使用 C 語言作為開發(fā)語言，調試完之后生成 HEX 文件，然后使用 PC 機上的下載軟件將 HEX 文件燒入單片機中，這樣 用戶的程序代碼 就 下載進單片機內部，省去了購買通用編程器，而且速度更快 。 51 單片機價格便宜，但在使用時端口較少，雖然本系統(tǒng)使用的端口并不多，但如果使用 51 單片機則必須要進行外部端口的擴展。而且使用 51 系列單片機所有電路如最小系統(tǒng)、 AD采樣電路等必須重新搭建，使用較為 復雜。 MSP430 系列單片機是一個 16 位的 單片機 ， 它采用馮諾依曼結構， RAM、ROM 以及所有外圍模塊都位于同一地址空間，同時它還 采用了 精簡 指令集 12 （ RISC）結構，具有豐富的尋址方式、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；這些特點保證了可編制出高效率的源程序。 此外，學校實驗室競賽使用的都是 MSP430 系列單片機 ，資源比較豐富，從 TI 公司可以申請到 430 樣片，這樣就減少了成本。而在軟件調試方面， MSP430 使用 C 語言為開發(fā)語言，使用 IAR Embedded Workbench 作為開發(fā)平臺，具有很好的可操作性，調試程序更為方便。同時，在 MSP430 的核心板上集成了 12 位 AD，避免了重新搭建 AD 采樣的電路，減少了硬件的復雜程度。雖然就成本而言 MSP430 單片機比 51 單片機高，而且在程序的調試和下載需要單獨的編程器；但是就整體而言 MSP430 使用方便，核心板上資源豐富，需要的外圍硬件較少，綜合考慮 MSP430 單片機更勝一籌。以下是 MSP430f169 單片機的引腳圖 37。 圖 37 MSP430f169 單片機的引腳圖 無線傳輸模塊的選擇 無線 傳輸 模塊 是利用無線技術進行無線傳輸?shù)囊环N模塊。它被廣泛地應用于電腦無線網(wǎng)絡，無線通訊，無線控制等領域。無線數(shù)傳模塊主要由發(fā)射器，接收器和控制器或通用分組無線服務技術 GPRS（ General Packet Radio Service)模塊組成。 目前，市面上較常見的是 nRF 系列無線通訊模塊、藍牙 模塊以及近幾年興起的 WIFI 轉 RS232 無線通信模塊 ；雖然 WIFI 通訊模塊功能強大，但費用太高，平均價格在 100 元以上，不予考慮。 藍牙，是一種支持設備短距離通信的 無線電 技術 ， 能在包括移動電話、 PDA、無線耳機 、 筆記本電腦 、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。 目前，市場上的藍牙模塊相對比較便宜，使用也不是很復雜。例如，一塊帶底板的 HC06藍牙模塊只需要 25 元左右， 使用該模塊無需了解復雜的藍牙底層協(xié)議，只要簡單的幾個步驟即可享受到無線通信的便捷 ；同時，使用 AT 命令集能夠改變藍牙的波特率，使用起來也比較方便。一般來說藍牙的通訊距離在 10m 左右，而使用功率較大的藍牙雖然可以達到 30m 的距離，不過相 對的成本和耗電量也增加 13 了，這也成為使用藍牙的局限；而為了增加藍牙的通訊距離也有使用 增加功率或其它外設的方法 ，不過這種方法成本太高，使用復雜，一般使用前需要進行初始化和配對。 nRF 系列的通訊模塊有很多種類，本系統(tǒng)考慮市場上使用比較常見的nRF2401 或者 nRF905。 nRF2401 是一款工作在 ~ 世界通用 ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片 ，在市場上應用較為廣泛，在 無線數(shù)據(jù)傳輸 系統(tǒng)、 無線鼠標 、遙控開鎖、遙控玩具等 方面均有應用 。 此外， nRF2401 是 極低的電流消耗 的芯片，功耗相當?shù)?。合理?nRF2401 進行初始化之后， 可以 達到 使用同一天線而 同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù) 的效果，所以功能比較強大，應用范圍比較廣泛，適用于多種無線通信的場合 。在市面上，根據(jù)制造的工藝不同一對 nRF2401 通訊模塊價格在 10— 20 元不等，在通訊距離方面一般可以達到十米以上。在程序調通兩塊 nRF2401 無線收發(fā)器 之后，在以 后的使用過程中只需要將兩塊 nRF2401無線收發(fā)器 通上電之后即可進行通訊，不需要類似于藍牙的配對，使用更加穩(wěn)定。 nRF905 無線芯片是有挪威 NORDIC 公司出品的低于 1GHz 無線數(shù)傳芯片 。nRF905 抗干擾性強、靈敏度高、功耗小、對 MCU 儲存器的要求很低，所以在工業(yè)控制方面使用得比較多，在 車輛監(jiān)控、門禁系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、身份識別、非接觸 RF 智能卡、安全防火系統(tǒng)、機器人控制、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸 等領域均有應用。在市場上 nRF905 無線 模塊比 nRF2401 無線 模塊稍微貴一點，價格在一對 40 元左右；不 過在傳輸距離上 nRF905 無線 模塊更強，在空曠的環(huán)境中能夠達到 100 多米，而在存在障礙時仍然能夠達到 30 多米的效果。當然， nRF2401 無線 模塊如果換用更好的天線或者用 外接 鞭狀天線 代替原來的PCB 天線，那么 nRF2401 無線模塊可以傳輸更長的距離，不過使用起來也比較麻煩?？紤]到本系統(tǒng)主要針對的為民用，在使用過程中存在較多的障礙，所以選用 nRF905 更 加合理。以下是 nRF905 硬件連接圖 38。 圖 38 nRF905 硬件連接圖 14 二者的硬件連接圖雖然一樣，但是二者的功能卻不一樣。其中一塊和處理芯片 1 相連接，主要負責發(fā)送芯片 1 處理完 AD 采樣的數(shù)據(jù)，作為發(fā)送器；另外一塊主要負責接收第一塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并交給處理芯片 2 進行處理，作為接收器。 液晶顯示的選擇 作為一個民用的一氧化碳監(jiān)測系統(tǒng)，顯示這方面沒有必要做的十分絢麗，要求的只不過就是廉價和使用方面。液晶顯示顯示的內容主要有：一氧化碳的濃度、報警閾值、預報警閾值，還可能會有濕度和溫度的顯示。綜上考慮， 使用 12864液晶顯示再適合不過了； 12864 是 128*64 點陣 液晶模塊的點陣數(shù)簡稱 ，它的成本較低，適用于各類小型設備的顯示。它既能夠完全顯示以上數(shù)據(jù)，而且使用方便，和處理芯片 MSP430 相配合使用顯得高大上。以下是 12864 和 430 單片機拓展板效果圖 39 和硬件連接圖 310。 圖 39 12864 和 430 單片機拓展板效果圖 15 圖 310 12864 液晶顯示硬件連接圖 以上處理芯片引腳圖和 12864硬件連接圖均是從斯瑪特通用 MSP430擴展板原理圖中截下。其中，處理芯片引腳圖與實際芯片相符；而 12864在使用過程中第 20引腳直接接地即可。 在探測到一氧化碳超出報警范圍之后，接下來的報警裝置就顯得尤為重要。為了能在第一時間通知使用者一氧化碳超標的消息，報警裝置必須醒目。本系統(tǒng)的報警裝置選擇了傳統(tǒng)聲光的報警方式。使用蜂鳴器和紅色的 LED 燈，能夠有效地提醒使用者。當一氧化碳濃度超過使用者設定的預報警和報警閾值時，蜂鳴器便會發(fā)出聲音， LED 變便會閃爍。當然，在一氧化碳濃度處于預報警和報 警閾值時，蜂鳴器發(fā)出的聲音以及 LED 閃爍的頻率會明顯不一樣，從而提醒用戶一氧化碳濃度達到何種濃度。以下為報警電路硬件電路圖 310。 16 圖 310 報警電路硬件電路圖 系統(tǒng)采用的報警系統(tǒng)為聲光報警裝置。由以上原理圖可以看出 P26 是控制整個報警裝置的引腳，處理芯片通過比較一氧化碳的濃度和用戶設定的預報警和報警閾值來控制 P26 信號的輸出，從而達到控制整個報警系統(tǒng)的效果。同時，因為蜂鳴器的鳴叫和 LED 燈的閃爍都是由 P26 一個 IO 口控制的，所以 LED 燈閃爍的頻率和蜂鳴器的頻率是一致的，這一點可以更好的便于用戶判斷一 氧化碳達到報警閾值或預報警閾值。根據(jù)設計，當濃度達到預報警閾值時，蜂鳴器鳴叫的頻率為 20HZ 左右；而當濃度達到報警閾值時，蜂鳴器鳴叫的頻率為 100HZ 左右；通過二者的頻率以及顯示的濃度，能夠清晰的判斷一氧化碳的濃度。 本系統(tǒng)所針對的是目標是家用，對系統(tǒng)要求能夠長時間使用，能夠對環(huán)境進行持續(xù)監(jiān)控，所以要求系統(tǒng)能有一個能夠持續(xù)供電的穩(wěn)定電源而并非使用干電池。 根據(jù)使用要求，系統(tǒng)需要供電的硬件電路主要有：處理芯片 、一氧化碳傳感器模塊 5V、無線傳輸模塊 、 12864 液晶顯示屏 5V、蜂鳴器 等。綜合考慮，電源電路所必須提供的電壓為 5V 和 ，而在 MSP430 的核心板上集成了 的電源電路，而是用 電壓的模塊電流均不大，所以直接可以是用核心板上的 電壓。所以，需要設計的只是 5V 電壓而已，而在 5V電壓的轉化方面已經(jīng)很成熟了。本系統(tǒng)使用的方法很常見，顯示利用變壓器將家用電220V 電壓降壓成為 的交流電，然后再通過四個穩(wěn)壓二極管 IN4007 組成一個穩(wěn)壓電路，這樣交流電就變成了直流電；通過穩(wěn)壓芯片 LM7805 的穩(wěn)壓，最后輸出了 5V 的直流電。將處理芯片的核心板直接 接上 5V 電，核心板上的穩(wěn)壓芯片 可以將 5V電壓降為 電壓，然后即可將 5V電壓和 的電壓給各個模塊使用。以下是電源電路的硬件電路圖 311。 17 圖 311 電源電路硬件連接圖 第 4 章 軟件設計 系統(tǒng)軟件設計 本系統(tǒng)以 IAR Embedded Workbench 作為開發(fā)平臺，采用 c 語言進行程序設計，大大提高了開發(fā)調試工作的效率，便于理解，同時 便于移植其他模塊化的程序。本系統(tǒng)控制分為采集和處理兩方面，以下是整個程序的流程圖 41。 MSP430 處理 1: MSP430 處理 2: Y N 高 低 高 開始 MSP430 初始化 開始 MSP430 初始 化 AD 采樣 預報警及報警閾值設定 MSP430 處理 nRF2401 無線傳輸（發(fā)射器） nRF2401 無線傳輸（接收器） 返回 MSP430 處理 與預報警值比較 顯示 報警 與報警值比較 報警 18 圖 41 程序流程圖 MSP430 芯片 1 主要用于采樣和發(fā)送數(shù)據(jù)。在一氧化碳傳感器檢測到空氣中的一氧化碳之后產(chǎn)生與之濃度相對應的模擬信號之后，處理芯片 1 上的 AD 對該模擬信號進行濾波和采樣，之后對采集到的信號進行計算并對其進行溫度和濕度的補償，得 到真實準確的一氧化碳濃度之后通過 nRF2401 將數(shù)據(jù)發(fā)送給 MSP430芯片 2。 MSP430 芯片 2 主要用于濃度的顯示及報警。在進行初始化時，用戶可以根據(jù)個人情況以及使用環(huán)境對默認的預報警及報警閾值進行設置，當設置完畢之后就可以和 MSP430 芯片 1 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行比較，相應的進行預報警及報警。同時，發(fā)送過來的一氧化碳的濃度將在 12864 液晶顯示器上進行實時的顯示，保證用戶能夠實時掌握被測環(huán)境的一氧化碳的濃度。 時鐘模塊的設計 單片機的工作需要一個標準參考來控制，而能提供這種參考的就是時鐘模塊了，所以時 鐘是單片機的心臟。 MSP430X1XX 系列的單片機基礎時鐘模塊有 3個時鐘輸入源：低頻時鐘源 LFXT1CLK、高頻時鐘源 XT２ CLK 和數(shù)字控制 RC振蕩器。高頻時鐘源 XT２ CLK 外接標準高速晶振，通常為 8MHZ，而將其作為時鐘源，對于本系統(tǒng)而言是綽綽有余的。 模數(shù)轉換模塊的設計 MSP430 核心板上集成了 AD12 模塊，所以可以很方便的使用而無需重新搭建 AD 采樣電路。 MSP430 核心板上的 AD12 模塊是一種精度為 12 位的 AD 采樣器，主要有以下 部分構成： 輸入的 16 路模擬開關 (外部 8 路，內部 4 路 )， ADC內部電壓參考源， ADC12 內核， ADC 時鐘源部分，采集與保持 /觸發(fā)源部分，ADC 數(shù)據(jù)輸出部分， ADC 控制寄存器等 。它提供 四種采樣模式： ① 單通道單次轉換模式 ② 序列通道單詞轉換模式 ③ 單通道多次轉換模式 ④ 序列通道多次轉換模式 ；而在本系統(tǒng)存在多個傳感器的多次采樣，所以選用 序列通道多次轉換模式 。 此外，采樣完之后重