【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 采樣。 處理芯片的選擇 處理芯片承擔(dān)著所有數(shù)據(jù)的傳輸、處理、儲(chǔ)存和計(jì)算等任務(wù)，可以說是本系統(tǒng)的核心部分。市場(chǎng)上的處理芯片總類較多，單就我們學(xué)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(jī)，也是學(xué)校的課程要求掌握的一款。 STC89C51 是一種 8 位的單片機(jī) 片 ， 內(nèi)含 8K Bytes 的可反復(fù)擦寫 1000 次的Flash 只讀 程序存儲(chǔ)器 。 STC89C51 一般簡(jiǎn)稱為 51 單片機(jī)，主要是因?yàn)?器件兼容了 標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) 及 80C51 引腳 結(jié)構(gòu) 。 芯片內(nèi)集成了通用 8 位 中央處理器 和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元 ，具有在系統(tǒng)可編程（ ISP）特性 。 51 單片機(jī)的開發(fā)平臺(tái)是 keil_uvision，使用 C 語言作為開發(fā)語言，調(diào)試完之后生成 HEX 文件，然后使用 PC 機(jī)上的下載軟件將 HEX 文件燒入單片機(jī)中，這樣 用戶的程序代碼 就 下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，省去了購買通用編程器，而且速度更快 。 51 單片機(jī)價(jià)格便宜，但在使用時(shí)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(jī)則必須要進(jìn)行外部端口的擴(kuò)展。而且使用 51 系列單片機(jī)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(fù)雜。 MSP430 系列單片機(jī)是一個(gè) 16 位的 單片機(jī) ， 它采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)， RAM、ROM 以及所有外圍模塊都位于同一地址空間，同時(shí)它還 采用了 精簡(jiǎn) 指令集 12 （ RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。 此外，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室競(jìng)賽使用的都是 MSP430 系列單片機(jī) ，資源比較豐富，從 TI 公司可以申請(qǐng)到 430 樣片，這樣就減少了成本。而在軟件調(diào)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(tái)，具有很好的可操作性，調(diào)試程序更為方便。同時(shí)，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(fù)雜程度。雖然就成本而言 MSP430 單片機(jī)比 51 單片機(jī)高，而且在程序的調(diào)試和下載需要單獨(dú)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(jī)更勝一籌。以下是 MSP430f169 單片機(jī)的引腳圖 37。 圖 37 MSP430f169 單片機(jī)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(shù)進(jìn)行無線傳輸?shù)囊环N模塊。它被廣泛地應(yīng)用于電腦無線網(wǎng)絡(luò)，無線通訊，無線控制等領(lǐng)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(wù)技術(shù) 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(lán)牙 模塊以及近幾年興起的 WIFI 轉(zhuǎn) RS232 無線通信模塊 ；雖然 WIFI 通訊模塊功能強(qiáng)大，但費(fèi)用太高，平均價(jià)格在 100 元以上，不予考慮。 藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信的 無線電 技術(shù) ， 能在包括移動(dòng)電話、 PDA、無線耳機(jī) 、 筆記本電腦 、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。 目前，市場(chǎng)上的藍(lán)牙模塊相對(duì)比較便宜，使用也不是很復(fù)雜。例如，一塊帶底板的 HC06藍(lán)牙模塊只需要 25 元左右， 使用該模塊無需了解復(fù)雜的藍(lán)牙底層協(xié)議，只要簡(jiǎn)單的幾個(gè)步驟即可享受到無線通信的便捷 ；同時(shí)，使用 AT 命令集能夠改變藍(lán)牙的波特率，使用起來也比較方便。一般來說藍(lán)牙的通訊距離在 10m 左右，而使用功率較大的藍(lán)牙雖然可以達(dá)到 30m 的距離，不過相 對(duì)的成本和耗電量也增加 13 了，這也成為使用藍(lán)牙的局限；而為了增加藍(lán)牙的通訊距離也有使用 增加功率或其它外設(shè)的方法 ，不過這種方法成本太高，使用復(fù)雜，一般使用前需要進(jìn)行初始化和配對(duì)。 nRF 系列的通訊模塊有很多種類，本系統(tǒng)考慮市場(chǎng)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(chǎng)上應(yīng)用較為廣泛，在 無線數(shù)據(jù)傳輸 系統(tǒng)、 無線鼠標(biāo) 、遙控開鎖、遙控玩具等 方面均有應(yīng)用 。 此外， nRF2401 是 極低的電流消耗 的芯片，功耗相當(dāng)?shù)汀：侠韺?duì) nRF2401 進(jìn)行初始化之后， 可以 達(dá)到 使用同一天線而 同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù) 的效果，所以功能比較強(qiáng)大，應(yīng)用范圍比較廣泛，適用于多種無線通信的場(chǎng)合 。在市面上，根據(jù)制造的工藝不同一對(duì) nRF2401 通訊模塊價(jià)格在 10— 20 元不等，在通訊距離方面一般可以達(dá)到十米以上。在程序調(diào)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(jìn)行通訊，不需要類似于藍(lán)牙的配對(duì)，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(qiáng)、靈敏度高、功耗小、對(duì) MCU 儲(chǔ)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(shí)別、非接觸 RF 智能卡、安全防火系統(tǒng)、機(jī)器人控制、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸 等領(lǐng)域均有應(yīng)用。在市場(chǎng)上 nRF905 無線 模塊比 nRF2401 無線 模塊稍微貴一點(diǎn)，價(jià)格在一對(duì) 40 元左右；不 過在傳輸距離上 nRF905 無線 模塊更強(qiáng)，在空曠的環(huán)境中能夠達(dá)到 100 多米，而在存在障礙時(shí)仍然能夠達(dá)到 30 多米的效果。當(dāng)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(zhǎng)的距離，不過使用起來也比較麻煩?？紤]到本系統(tǒng)主要針對(duì)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)接收第一塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并交給處理芯片 2 進(jìn)行處理，作為接收器。 液晶顯示的選擇 作為一個(gè)民用的一氧化碳監(jiān)測(cè)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(jià)和使用方面。液晶顯示顯示的內(nèi)容主要有：一氧化碳的濃度、報(bào)警閾值、預(yù)報(bào)警閾值，還可能會(huì)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(diǎn)陣 液晶模塊的點(diǎn)陣數(shù)簡(jiǎn)稱 ，它的成本較低，適用于各類小型設(shè)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(jī)拓展板效果圖 39 和硬件連接圖 310。 圖 39 12864 和 430 單片機(jī)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(kuò)展板原理圖中截下。其中，處理芯片引腳圖與實(shí)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(cè)到一氧化碳超出報(bào)警范圍之后，接下來的報(bào)警裝置就顯得尤為重要。為了能在第一時(shí)間通知使用者一氧化碳超標(biāo)的消息，報(bào)警裝置必須醒目。本系統(tǒng)的報(bào)警裝置選擇了傳統(tǒng)聲光的報(bào)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(dāng)一氧化碳濃度超過使用者設(shè)定的預(yù)報(bào)警和報(bào)警閾值時(shí)，蜂鳴器便會(huì)發(fā)出聲音， LED 變便會(huì)閃爍。當(dāng)然，在一氧化碳濃度處于預(yù)報(bào)警和報(bào) 警閾值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出的聲音以及 LED 閃爍的頻率會(huì)明顯不一樣，從而提醒用戶一氧化碳濃度達(dá)到何種濃度。以下為報(bào)警電路硬件電路圖 310。 16 圖 310 報(bào)警電路硬件電路圖 系統(tǒng)采用的報(bào)警系統(tǒng)為聲光報(bào)警裝置。由以上原理圖可以看出 P26 是控制整個(gè)報(bào)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(shè)定的預(yù)報(bào)警和報(bào)警閾值來控制 P26 信號(hào)的輸出，從而達(dá)到控制整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)的效果。同時(shí)，因?yàn)榉澍Q器的鳴叫和 LED 燈的閃爍都是由 P26 一個(gè) 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(diǎn)可以更好的便于用戶判斷一 氧化碳達(dá)到報(bào)警閾值或預(yù)報(bào)警閾值。根據(jù)設(shè)計(jì)，當(dāng)濃度達(dá)到預(yù)報(bào)警閾值時(shí)，蜂鳴器鳴叫的頻率為 20HZ 左右；而當(dāng)濃度達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，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(duì)的是目標(biāo)是家用，對(duì)系統(tǒng)要求能夠長(zhǎng)時(shí)間使用，能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，所以要求系統(tǒng)能有一個(gè)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(shè)計(jì)的只是 5V 電壓而已，而在 5V電壓的轉(zhuǎn)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(gè)穩(wěn)壓二極管 IN4007 組成一個(gè)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(gè)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(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)以 IAR Embedded Workbench 作為開發(fā)平臺(tái)，采用 c 語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，大大提高了開發(fā)調(diào)試工作的效率，便于理解，同時(shí) 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(gè)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(yù)報(bào)警及報(bào)警閾值設(shè)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(yù)報(bào)警值比較 顯示 報(bào)警 與報(bào)警值比較 報(bào)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(cè)到空氣中的一氧化碳之后產(chǎn)生與之濃度相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)之后，處理芯片 1 上的 AD 對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行濾波和采樣，之后對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算并對(duì)其進(jìn)行溫度和濕度的補(bǔ)償，得 到真實(shí)準(zhǔn)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(bào)警。在進(jìn)行初始化時(shí)，用戶可以根據(jù)個(gè)人情況以及使用環(huán)境對(duì)默認(rèn)的預(yù)報(bào)警及報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)設(shè)置完畢之后就可以和 MSP430 芯片 1 發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，相應(yīng)的進(jìn)行預(yù)報(bào)警及報(bào)警。同時(shí)，發(fā)送過來的一氧化碳的濃度將在 12864 液晶顯示器上進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，保證用戶能夠?qū)崟r(shí)掌握被測(cè)環(huán)境的一氧化碳的濃度。 時(shí)鐘模塊的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的工作需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考來控制，而能提供這種參考的就是時(shí)鐘模塊了，所以時(shí) 鐘是單片機(jī)的心臟。 MSP430X1XX 系列的單片機(jī)基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊有 3個(gè)時(shí)鐘輸入源：低頻時(shí)鐘源 LFXT1CLK、高頻時(shí)鐘源 XT２ CLK 和數(shù)字控制 RC振蕩器。高頻時(shí)鐘源 XT２ CLK 外接標(biāo)準(zhǔn)高速晶振，通常為 8MHZ，而將其作為時(shí)鐘源，對(duì)于本系統(tǒng)而言是綽綽有余的。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì) 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(gòu)成： 輸入的 16 路模擬開關(guān) (外部 8 路，內(nèi)部 4 路 )， ADC內(nèi)部電壓參考源， ADC12 內(nèi)核， ADC 時(shí)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(zhuǎn)換模式 ② 序列通道單詞轉(zhuǎn)換模式 ③ 單通道多次轉(zhuǎn)換模式 ④ 序列通道多次轉(zhuǎn)換模式 ；而在本系統(tǒng)存在多個(gè)傳感器的多次采樣，所以選用 序列通道多次轉(zhuǎn)換模式 。 此外，采樣完之后重