【正文】 量、片上功能和 I/O 引腳數(shù)比較少，但是價(jià)格比較低廉。它的許多重要特性如：片內(nèi)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(dāng)用戶設(shè)計(jì)需要更多考慮成本時(shí)， 33x 并不一定是最適合的。 2020 年 7 月推出了 F13x/F14x 系列，在 2020 年 7 月到 2020 年又相繼推出 F41x、 F43x、F44x。 F41x 系列單片機(jī)有 48 個(gè) I/O 口，96 段 LCD 驅(qū)動(dòng)。并且相應(yīng)地調(diào)整了顯示存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)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(chǔ)器及 JTAG 邊界掃描技術(shù)的廉價(jià)開發(fā)工具 MSPFET430X110，將國(guó)際上先進(jìn)的 JTAG 技術(shù)和 Flash 在線編程技術(shù)引入 MSP430。 2020 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP LOADER 技術(shù)，利用它可在燒斷熔絲以后只要幾根線就可更改并運(yùn)行內(nèi)部的程序。 BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可達(dá)到 32 個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度。在這一新的系列中，有了兩個(gè)方面的發(fā)展。二是從外圍模塊來(lái)說(shuō)，增加了 I2C、 DMA、 DAC12 和 SVS 等模塊 [13]。這些特點(diǎn)保證了可以編制出高效的源程序 。 超低功耗 MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗 ， 是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷汉挽`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯 片的電流最低會(huì)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(gè)不同的時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)、鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)和 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU和各功能所需的時(shí)鐘。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)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(shí)時(shí)時(shí)鐘模式下，可達(dá) ，在 RAM 保持模式下，最低可達(dá) 。它們分別是看門狗（ WDT）、模擬比較器 A、定時(shí)器 A0（ Timer_A0）、定時(shí)器A1（ Timer_A1）、定時(shí)器 B0（ Timer_B0）、 UART、 SPI、 I2C、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10 位 /12 位 ADC、 16 位 ΣΔ ADC、 DMA、 I/O 端口、基本定時(shí)器（ Basic Timer）、實(shí)時(shí)時(shí)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(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。對(duì)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(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 、 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)語(yǔ)言有匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言 。 控制系統(tǒng)所需 的控制電路，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)；控制電路主要由MSP430F149 單片機(jī)、 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(xì)介紹了 系統(tǒng)的硬件電路圖， MSP430的結(jié)構(gòu)圖及外圍電路。 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 本章主要介紹系統(tǒng)的原理圖以及測(cè)量原理，然后介紹本設(shè)計(jì)的核心部件 MSP430F149 單片機(jī)和 MQ2 氣敏傳感器 。 圖 21 控制系統(tǒng)原理圖 基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(hào)，通過(guò) 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(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)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(guò)氣體時(shí)產(chǎn)生離子，從而形成電動(dòng)勢(shì)，測(cè)量電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。如測(cè)量 H2S 的YSTAuWO測(cè)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(duì)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(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測(cè)量電阻變化 從而測(cè)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(cè)各種可燃?xì)怏w。 （ 4） .高分子氣體傳感器 國(guó)外在高分子氣敏材料的研究和開發(fā)上有了很大的進(jìn)展，高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)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(diǎn)，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測(cè)具有重要作用。其主要優(yōu)點(diǎn)是制作工藝簡(jiǎn)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(shí)形成濃差電池，測(cè)量輸出的電動(dòng)勢(shì)就可測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)， 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?dú)饷舨牧嫌芯郛惗∠?、氟聚多元醇等，用?lái)測(cè)量苯乙烯和甲苯等有機(jī)蒸汽。 SAW 傳感器輸出為準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，因此可簡(jiǎn) 便地與微處理器接口。 （ 5） .電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器通過(guò)與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來(lái)工作。 氣體首先通過(guò)微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是憎水屏障，最終到達(dá)電極表面。 穿過(guò)屏障擴(kuò)散的 氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理。 通過(guò)電極間連接的電阻器，與被測(cè)氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與負(fù)極間流動(dòng)。由于該過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電流，電化學(xué)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(cè)量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測(cè)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(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。 紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路。檢測(cè)元件按工作原理可分為熱敏檢測(cè)元件和光電 檢測(cè)元件。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。 紅外線傳感器常用于無(wú)接觸溫度測(cè)量，氣體成分分析和無(wú)損探傷，在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 氣體傳感器的選定 天 燃?xì)庑孤﹫?bào)警器 主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導(dǎo)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(wèn)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(fù)的可能，但是如果長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致該傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。當(dāng)懷疑檢測(cè)環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無(wú)形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。半導(dǎo)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(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為報(bào)警器氣體信息采集部分的核心。 MSP430F149 單片機(jī) 本設(shè)計(jì)采用 MSP430F149 單片機(jī)作為核心部件。 ? 看門狗定時(shí)器 Watch Timer，可用作通用定時(shí)器。 ? 帶有 7 個(gè)捕獲 /比較寄存器的 16 位定時(shí)器 Timer_B7。P1 與 P2。P P P5 與 P6。 ? 2 位 200kbps 的 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC12，自帶采樣保持。 ? 一個(gè)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(jié)構(gòu)，指令周期為150ns。 A/D 轉(zhuǎn)換器具有采樣保持和自動(dòng)掃描 特點(diǎn)。 ? 方便的調(diào)試功能。通過(guò)集成的 IDE 開發(fā)環(huán)境，使用戶很容易調(diào)試程序。 ? 串口通信模塊， USART0 USART1。 ? 安全熔絲的程序代碼保護(hù) 。 16位定時(shí)器可以用作看門狗定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)在秒數(shù)量級(jí)上的定時(shí)。另外，定時(shí)器還具有捕獲模式，我們可以通過(guò)定時(shí)器的捕獲功能實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量，比如脈沖寬度測(cè)量 。轉(zhuǎn)換數(shù)值在輸入信號(hào)大于等 于 Vr+時(shí)為滿量程，小 于 等 于 Vr 時(shí)為 ’0’。可以在單通道上實(shí)現(xiàn)單基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換，也可以在序列通道上實(shí)現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或重復(fù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的結(jié)果 保存在 16 個(gè)轉(zhuǎn)換寄存器中，這樣 ADC12 可以進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換而不需要軟件干頂，這一 點(diǎn)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(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命長(zhǎng)及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，成 為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的傳感器之一。其中電導(dǎo)控制型一般以金屬氧化物 半導(dǎo)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(jié)、厚膜或薄膜工藝制成。硫化氫氣敏傳感器是采用 MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu) ,利用過(guò)渡金屬作柵極的氣敏元件 ,當(dāng)空氣中存在硫化氫時(shí) ,場(chǎng)效應(yīng)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(yīng)時(shí)間均≤1 秒。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的 電子 親和力時(shí)，則吸附分子 將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)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(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)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(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 型的靈敏度特性曲線 注：圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（ Rs/Ro），橫坐標(biāo)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(guān)的參數(shù) （ 3） 規(guī)格： （ 4） 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)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(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu)，外形 MQ2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 4所示 (結(jié)構(gòu) A或 B), 由微型 Al2O3陶瓷管、 SnO2 敏感層 ,測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Tao 使用溫度 10℃－＋ 50℃ Tas 儲(chǔ)存溫度 20℃－＋ 70℃ RＨ 相對(duì)濕度 小于 95% RＨ O2 氧氣濃度 21%(標(biāo)準(zhǔn)條件 ) 氧氣濃度會(huì)影響靈敏度特性 最小值大于２％ 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù) 備注 Rs 敏感體表面電阻 2KΩ 20KΩ (2020ppm C3H8 ) 適用范圍： 500020200ppm 天然氣 α (R3000ppm/ R1000ppm C3H8) 濃度斜率 ≤ 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度： 20℃177。 V 相對(duì)濕度： 65%177。 V 預(yù)熱時(shí)間 不少于 48小時(shí) 基于 MSP430 單片機(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 MQ2/MQ2S氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形 MQ2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)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(cè)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(wǎng) 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(jī)的室內(nèi)煤氣與天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 此次的 MQ2傳感器因?yàn)樵?protues 的元器件庫(kù)中無(wú)法找到，然后只能利用 protel 進(jìn)行設(shè)計(jì)。