【正文】 容量、片上功能和 I/O 引腳數比較少，但是價格比較低廉。它的許多重要特性如：片內串行通信接口、硬件乘法器、足夠的 I/O引腳等，只有 33x 系列才具備。當用戶設計需要更多考慮成本時， 33x 并不一定是最適合的。 2021 年 7 月推出了 F13x/F14x 系列，在 2021 年 7 月到 2021 年又相繼推出 F41x、 F43x、F44x。 F41x 系列單片機有 48 個 I/O 口，96 段 LCD 驅動。并且相應地調整了顯示存儲器在存儲區(qū)內的地址 ,為以后的發(fā)展拓展了空間。 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。 2021 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部的程序。 BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可達到 32 個字節(jié)的長度。在這一新的系列中，有了兩個方面的發(fā)展。二是從外圍模塊來說，增加了 I2C、 DMA、 DAC12 和 SVS 等模塊 [13]。這些特點保證了可以編制出高效的源程序 。 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。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 。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 數字振蕩器時鐘系統(tǒng)。由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產生 CPU和各功能所需的時鐘。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。在實時時鐘模式下，可達 ，在 RAM 保持模式下，最低可達 。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。 MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。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)調試環(huán)境，因為器件片內有 JTAG 調試接口，還有可電擦寫的 、 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內信息供設計者調試使用的方法進行開發(fā)。開發(fā)語言有匯編語言和 C 語言 。 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。 (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的結構圖及外圍電路。 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 。 圖 21 控制系統(tǒng)原理圖 基于 MSP430 單片機的室內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 )轉化成電壓或者電流信號，通過 A/D 轉換電路，將模擬量轉換成數字量后送到單片機，進而由單片機完成數據處理、濃度處理及報警控制等工作。由此可見，氣體傳感器的選型是非 常重要的。其原理是氣敏材料在通過氣體時產生離子，從而形成電動勢，測量電動勢從而測量氣體濃度。如測量 H2S 的YSTAuWO測量 NH3 的 NH+4CaCO3 等。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。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。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。 （ 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、易與微結構傳感器和聲表面波器件相結合等特 點，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測具有重要作用。其主要優(yōu)點是制作工藝簡單、成本低廉。 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， 目前主要有聚乙烯醇 磷酸等材料。兩者之間的區(qū)域淀積了能吸附 VOC 的聚合物膜。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。 SAW 傳感器輸出為準數字信號，因此可簡 便地與微處理器接口。 （ 5） .電化學傳感器 電化學傳感器通過與被測氣體發(fā)生反應并產生與氣體濃度成正比的電信號來工作。 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。 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。 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。由于該過程中會產生電流，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。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 。 （ 7） .紅外傳感器 利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器。任何物質，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。 紅外線傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件和轉換電路。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。熱敏電阻受到紅外線輻射時溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過轉換電路變成電信號輸出。 紅外線傳感器常用于無接觸溫度測量，氣體成分分析和無損探傷，在醫(yī)學、軍事、空間技術和環(huán)境工程等領域得到廣泛應用。 基于 MSP430 單片機的室內煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 10 氣體傳感器的選定 天 燃氣泄漏報警器 主要應用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃氣體泄漏的場所，根據報警器檢測氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器。 使用接觸燃燒式氣敏傳感器，其探頭的阻緩及中毒 ,是不可避免 的問題。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導致該傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。當懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質時，經常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。半導體氣敏傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn)定性 (使用壽命 )。因此，本設計采用半導體氣敏傳感器作為報警器氣體信息采集部分的核心。 MSP430F149 單片機 本設計采用 MSP430F149 單片機作為核心部件。 ? 看門狗定時器 Watch Timer，可用作通用定時器。 ? 帶有 7 個捕獲 /比較寄存器的 16 位定時器 Timer_B7。P1 與 P2。P P P5 與 P6。 ? 2 位 200kbps 的 A/D 轉換器 ADC12，自帶采樣保持。 ? 一個硬件乘法 器。 ? 超低功耗。就是在 (、 1MHz)條件下電流只有 280uA。 MSP430F149 為 16 位 RISC 結構，指令周期為150ns。 A/D 轉換器具有采樣保持和自動掃描 特點。 ? 方便的調試功能。通過集成的 IDE 開發(fā)環(huán)境，使用戶很容易調試程序。 ? 串口通信模塊， USART0 USART1。 ? 安全熔絲的程序代碼保護 。 16位定時器可以用作看門狗定時器，實現在秒數量級上的定時。另外，定時器還具有捕獲模式，我們可以通過定時器的捕獲功能實現各種測量，比如脈沖寬度測量 。轉換數值在輸入信號大于等 于 Vr+時為滿量程，小 于 等 于 Vr 時為 ’0’?？梢栽趩瓮ǖ郎蠈崿F單基于 MSP430 單片機的室內煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 13 次轉換或多次轉換，也可以在序列通道上實現單次轉換或重復轉換。轉換的結果 保存在 16 個轉換寄存器中，這樣 ADC12 可以進行多次轉換而不需要軟件干頂，這一 點提高了系統(tǒng)性能，也減少了軟件開銷 [2]。并且，它具有靈敏度高、響應時間和恢復時間快、使用壽命長及價格低等優(yōu)點，成 為世界上產量最大、使用最廣的傳感器之一。其中電導控制型一般以金屬氧化物 半導體材料 如 SnO、 ZnO、 FeO 系為基體，加入合適的催化金屬和添加劑，采用燒結、厚膜或薄膜工藝制成。硫化氫氣敏傳感器是采用 MOS 場效應晶體管結構 ,利用過渡金屬作柵極的氣敏元件 ,當空氣中存在硫化氫時 ,場效應晶體管的開啟電壓發(fā)生變化 ,變化的幅度與硫 化氫的濃度成比例。該兩種敏感器件靈敏度均 ≤10ppm。感應時間均≤1 秒。當半導體的功函數小于吸附分子的 電子 親和力時，則吸附分子 將從器件奪得電子而變成負離子吸附，半導體表面呈現電荷層。如果半導體的功函數大于吸附分子的離解能，則吸附分子將向器件釋放出電子，而形成正離子吸附。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃性氣體濃度的增加而增大。 （ 1） 靈敏度特性： 圖傳感器典 基于 MSP430 單片機的室內煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 16 型的靈敏度特性曲線 注：圖中縱坐標為傳感器的電阻比（ Rs/Ro），橫坐標為氣體濃度。 Rs表示在 含 1000ppm 甲烷、不同溫 /濕度下 傳感器 的電阻值 Ro表示在含 1000ppm 甲 烷、 20℃ /65%RH環(huán)境條件 下 傳感器 的電阻值 表 傳感器的相關的參數 （ 3） 規(guī)格： （ 4） 符號 參數名稱 技術條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 24V DC VH 加熱電壓 177。 3Ω 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 900mW 20 10 0 10 20 30 40 50 ℃Rs/R060%RH30%RH85%RH 基于 MSP430 單片機的室內煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 17 B. 環(huán)境條件 C. 靈敏度特性 敏感體功耗（ Ps）值： Ps=Vc2 Rs/(Rs+RL)2 傳感器電阻（ Rs）值： Rs=(Vc/VRL1) RL 結構，外形 MQ2氣敏元件的結構和外形如圖 4所示 (結構 A或 B), 由微型 Al2O3陶瓷管、 SnO2 敏感層 ,測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 符號 參數名稱 技術條件 備注 Tao 使用溫度 10℃－＋ 50℃ Tas 儲存溫度 20℃－＋ 70℃ RＨ 相對濕度 小于 95% RＨ O2 氧氣濃度 21%(標準條件 ) 氧氣濃度會影響靈敏度特性 最小值大于２％ 符號 參數名稱 技術參數 備注 Rs 敏感體表面電阻 2KΩ 20KΩ (2021ppm C3H8 ) 適用范圍： 500020210ppm 天然氣 α (R3000ppm/ R1000ppm C3H8) 濃度斜率 ≤ 標準工作條件 溫度： 20℃177。 V 相對濕度： 65%177。 V 預熱時間 不少于 48小時 基于 MSP430 單片機的室內煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 18 圖 MQ2/MQ2S氣敏元件的結構和外形 MQ2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。 部件 材料 1 氣體敏感層 二氧化錫 2 電極 金（ Au） 3 測量電極引線 鉑（ Pt） 4 加熱器 鎳鉻合金（ NiCr） 5 陶瓷管 三氧化二鋁 6 防爆網 100目雙層不銹鋼（ SUB316） 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（ NiCu） 8 基座 膠木或尼龍 9 針狀管腳 鍍鎳銅材（ NiCu） 圖 基于 MSP430 單片機的室內煤氣與天然氣泄漏報警系統(tǒng)設計 19 此次的 MQ2傳感器因為在 protues 的元器件庫中無法找到，然后只能利用 protel 進行設計。