现代化车库的智能守卫者.docx
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现代化车库的智能守卫者
2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛
项目报告
题目：
现代化车库的智能守卫者
组别：
本科组
应用类别：
低功耗应用类
平台：
MSP430
题目：
现代化车库的智能守卫者
摘要（中英文）
该设备设计了一个用MSP430微控制器为控制中心的自动控制通风系统，并提出了一个解决方案，以实现监控和调节地下车库的温度、湿度和一氧化碳的浓度。
为了尽可能省电，该系统可以通过接在微控制器上的传感器获得地下车库的环境参数，然后在适当的时间通过一个继电器控制电动机，从而调节地下车库的内部环境。
关键词：
地下车库通风系统，MSP430，CO测试，湿度测试，温度测试
Abstract:
ThisequipmentdesignsanAutomaticControlVentilation（ACV）systemwiththeMSP430MCUasthecontrolcentre,andweputforwardasolutiontorealizesupervisingandadjustingthetemperature,humidityandtheconcentrationofcarbonmonoxideoftheundergroundgarage.Inordertosavetheenergy,thesystemcandoobtainenvironmentalparametersoftheundergroundgaragethroughamicro-controllerlinkedtothesensors，thencontrolthemotorattherighttimeviaarelaytoregulatetheinnerenvironmentoftheundergroundgarage.
Keywords:
anACVoftheundergroundgarageMSP430COtesthumiditytesttemperaturetest
目录
题目：
现代化车库的智能守卫者2
摘要（中英文）2
1.引言4
1.1系统设计的背景4
1.2系统设计的目的和所要解决的问题4
2.系统方案4
3.系统硬件设计5
3.1电源模块6
3.2传感器模块7
3.2.1CO传感器7
3.2.2温度传感器8
3.2.3湿度传感器9
3.3风机模块10
4.系统软件设计11
4.1单片机引脚的接线如图11
4.2程序的流程图11
4.3程序的主要代码..........................................................................................13
5.系统创新14
6.评测与结论14
附录15
1.引言
1.1系统设计的背景
近几年来，随着我国经济与科学技术的飞速发展，人们生活水平的不断提高，城市机动车辆数量飞速地增长，停车成了城市交通的一大难题。
而地下车库的建设以其面积和空间大，节约土地，便于集中管理越来越受到人们的青睐。
地下车库的建设已经成为人们选择住房，工作所考虑的必要因素。
对于地下车库，温度，湿度以及CO浓度是衡量空气质量的几个重要参数，而地下车库由于过于封闭，汽车尾气含有多种可燃有毒气体，这对人员的健康带来威胁。
另外，如果可燃气体的浓度超过安全数值，在无合适通风设备的情况下，容易引发大型火灾，对小区的整体安全埋下隐患。
对于地下车库来说，汽车尾气的污染物质有其不连续性及尖峰负荷明显等特点，为了有效地调节车库空气质量参数以及更好的节能，如何准确地减少系统的开启时段，同时不影响通风效果就显得尤为重要。
传统通风系统不能有效地对污染物质进行追踪，从而不能有效地控制个别风机的开启，为了某一处达到良好的空气质量，只能采取连续开启的方法，势必会造成能源的大量浪费以及机器设备的磨损。
而将本设备均匀分布在车库之中，针对性地开启设备，可快速稀释较为集中的汽车尾气，不必为排放部分点的污染物而开启全部通风设备，大大节约了能源。
1.2系统设计的目的和所要解决的问题
利用传感器探测地下车库空气中的湿度、温度以及一氧化碳的浓度，当达到或超过一定的指标时，自动开启风机系统实现排气通风功能，降低有害气体的浓度；在地下车库中均匀分布该系统，在每台风机控制器中设置温度传感器、湿度传感器以及CO传感器，某一处的环境质量达不到指标时自动开启相应位置的风机，针对性的改善空气质量，从而节约能源。
风机自动控制的目的就是为了有效节能，使排风系统更安全可靠、经济地运行，改善人们的生活质量。
2.系统方案
该系统由湿度传感器，温度传感器，CO传感器以及集成芯片MSP4302231等构成。
湿度传感器采用HS1101，该元件具有高可靠性，长时间稳定性，而且反应时间快，成本低；温度传感器采用LM35，该传感器在静止温度中自热效应低（0.08℃），单电源模式在25℃下静止电流约50uA,在正常工作电压下正常工作非常省电；CO传感器采用MQ-7，成本低，对CO有很高的灵敏性，提高了测量的准确性。
CO浓度采集电路模块直接采用传感器电路，利用传感器中
电导率的变化，将气体浓度转化为相对应的输出信号，然后输入到单片机的P1.0口，进行A/D转换以及数据处理。
关键点是注意CO传感器的特性以及工作电压的选择，使得传感器能够正常工作。
温度采集电路模块采用传感器电路和放大器电路，利用温度传感器的工作原理，将传感器输出的电压经放大电路放大后，输入到单片机的P1.1口进行A/D转换，再利用程序进行控制。
电路图比较简单，关键点是电源的选择。
湿度采集电路模块为典型的555非稳态电路，HS1101作为电容变量接在555的THR和THG两引脚上，OUT引脚的输出信号输入到单片机的P1.2口，P1.2口使用TimerA捕获功能进行频率捕捉。
关键点是555非稳态电路的设计，利用湿度传感器的电容值随湿度增大而增大的关系，将电容的变化转换为与之成反比的电压频率信号。
风机电路模块比较简单，只需将继电器串联在风机回路中，利用程序控制继电器的通断，从而控制风机的工作状态。
3.系统硬件设计
原理：
利用CO传感器，温度传感器，湿度传感器采集地下车库中的CO浓度，温度，湿度作为数据，并与环境允许的临界值相比较，如果超出临界值的话就通过单片机MSP430控制继电器，并启动风机，使地下车库中空气流通，各环境系数都在临界值之内，降低危险系数，提高安全指数。
原理框图：
3.1电源模块
电源模块采用12V直流电源转稳压器7805，提供电给各传感器。
主芯片MSP430采用3.3V，利用一块5V转3.3V电源芯片。
原理图如下：
3.2传感器模块
3.2.1CO传感器
系统中采用MQ-7作为CO传感器，当MQ-7检验到车库中CO有害气体高于已定浓度时后，其内部导电率将发生变化，A,B电极间电阻减小，B端输出电流也将发生变化，从而将输出电流输入到MSP430的P1.0端口，将其进行A/D转化，并由此得出CO浓度的变化，当高于设定浓度时控制继电器通断启动风机，使得CO浓度降低到设定温度。
其原理图如下：
输出端到单片机
器件特点：
MQ-7为CO气体传感器，对CO有很高的灵敏度和选择性，并且具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。
在低浓度中输出变化大，灵敏度高；对毒性气体和周围恶劣的环境有较强的耐性。
器件应用：
MQ-7常应用于家庭，环境的CO探测装置，可用于检测CO和煤气等气体
器件规格：
符号
参数名称
技术条件
Vc
回路电压
VH（H）
加热电压（高）
VH（L）
加热电压（低）
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
TH（H）
加热时间（高）
seconds
TH（H）
加热时间（低）
seconds
PH
加热功耗
约350mw
MQ-7气敏元件的结构和外形如图所示（结构A或B），由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
填充活性炭的过滤腔体，进一步减弱了氮氧化物、烷类的气体的干扰。
封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。
工作原理：
传感器的表面电阻为RS，是通过与其串联的负载电阻上的有效电压信号VRL输出而获得的。
两者之间的关系为：
RS/RL=（VC-VRL）/VRL
MQ-7对不同种类们不同弄得的气体有不同的电阻值，因此在使用时，需通过实际测试调整负载RL直至获得对应某个CO浓度时所需要的信号值，在实验中我们采取点燃香烟的根数来确定（假定为两根）。
并通过示波器来观察输出端电压变化过程。
3.2.2温度传感器
本作品采用LM35作为温度传感器，测量车库中环境中的温度，并将传感器的输出端接入到单片机的一个接口，通过设定温度，使得当车库中环境温度高于该温度的情况下，经由单片机的控制，启动继电器，接通风机，使其工作，使得车库中环境温度低于设定温度。
器件特点：
使用时无需外围元件，也无需调试和较正，只要外接一个1V的表头（如指针式或数字式的万用表），就成为一个测温仪，使用非常方便。
器件功能：
LM35D是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器
LM35是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为10mV/℃；工作温度范围为0℃-100℃；工作电压为4-30V，本作品中为12V；精度为±1℃。
最大线性误差为±0.5℃。
即有：
V0=10mV/oC
ToC
3.2.3湿度传感器
器件特点：
采用HS1101作为湿度传感器，HS1101湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性。
器件性能：
HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器Cx，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为0%-100%RH的范围内，电容的容量由160pF变化到200pF，其误差不大于±2%RH，响应时间小于5s，温度系数为0.04pF/℃。
实现方法：
本作品利用HS1101电容随湿度增大而增大的线性关系，并使用555定时器，将湿敏电容C1置于555振荡电路之中，将电容的变化转换为与之成反比的电压频率信号，该频率信号可以直接被单片机MSP430G2231采集，并根据设定湿度，当车库中的环境湿度高于该值时，控制继电器启动风机，加速水分的蒸发，使环境湿度降低。
实现原理图如下：
NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA.。
在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。
其工作电压范围为：
4.5V
16V。
NE555的框图及电路如下：
5V
HS1101
把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图所示。
NE555电路功能的简单概括为:
当6端和2端同时输入为“1”时,3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为“0”时,3端输出为“1”。
在此电路中,555定时器根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号
当电源接通时,由于6和2端的输入为“0”,则定时器3脚输出为“1”；又由于HS1101（设其电容值为）两端电压为0,故
通过R1和R2对C1充电,当C1两端电压达到2
/3时,定时电路翻转,输出变为“0”。
此时555定时器内部的放电BJT的基极电压为“1”,放电BJT导通,从而使电容C1通过R2和内部放电BJT进行放电,当C1两端电压降低到
/3时,定时器又翻转,使输出变为“1”,内部放电BJT截止,VCC又开始通过R1和R2对C1充电,如此周而复始,形成振荡。
其工作循环中的充电时间为
=0.7（R1+R2）C1；放电时间为
=0.7R2*C1；输出脉冲占空比为q＝（R1+R2）/（R1+2R2）,为了使输出脉冲占空比接近50％,R1应远远小于R2。
当外界湿度变化时,HS1101两端电容值发生改变,从而改变定时电路的输出频率。
因此只要测出555的输出频率,并根据湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿度。
根据以上计算可得：
振荡电路的两个暂稳态输出频率变化的方波信号（从3端口输出）的高电平时间为：
tH=0.7（R1+R2）C1
输出低电平时间为：
tL=0.7R2C1
因此输出方波信号的周期为:
T=tH+tL=0.7（R1+2R2）C1
频率为：
f=1/T=1.429/（R1+2R2）C1
3.3风机模块
采用220V风机，使其接于继电器两端，通过继电器的通断来控制风机的工作状态。
单片机的P1.7端口首先通过一个三极管将其放大后接入到继电器中，已达到足够的电流值使继电器工作。
其工作图如下：
4.系统软件设计
4.1单片机引脚的接线如图
P1.0口和P1.1口使用ADC10进行电压转换，P1.2口使用TimerA捕获功能进行频率捕捉。
4.2程序的流程图如下
程序在模数转换的时候进入LPM0低功耗，转换完成后强制跳出LPM0。
在捕获频率时利用TimerA定时器，记录方波的起始时间和结束时间，通过start和end计算方波的周期，进而计算频率。
再利用器件手册中的表格对照获得相对湿度值。
在进行逻辑判断的时候，如果满足开启风扇的条件，则调用TurnOnFan（）函数，为了更符合实际的使用，函数内部使用延时函数delay（）进行一定时间的延迟，而不是仅仅开启风扇，这样就确保了风扇不是一闪一闪的工作。
然后再判断三个待测值是否在一定时延后满足了安全要求，若否，则进行下一轮判断循环；若满足，停止风扇转动，再进行下一轮循环。
在开启风扇的同时，我们使用了LED2作为醒目灯，符合现实生活的条件。
也可作为现实车库的警示灯。
受限于开发板功能的限制，我们只做出了地下车库通风系统的雏形。
如果投入使用，我们将选择多个传感器采集数据，进一步丢弃偶然数据从而获得更加准确的测量值；采用数码管分时显示当前的测试数据；多个风扇组成诱导通风系统；无线方式进行灵活控制等现实改进。
虽然我们的硬件比较简单，但是我们旨在利用现有的科技做出更加人性化的产品，科技以人为本。
4.3程序的主要代码如下：
/*********************ADC采用序列通道单次采样***************************/
ADC10CTL1=INCH_1+CONSEQ_1;//A1/A0,singlesequence
ADC10CTL0=ADC10SHT_2+MSC+ADC10ON+ADC10IE;
ADC10DTC1=0x02;//2conversions
ADC10AE0|=0x03;//P1.1,0ADC10optionselect
/************************************************************************/
/***************************TimerA捕获频率******************************/
P1DIR&=~BIT2;
P1SEL=BIT2;//P1.2forcapture
TACTL=TASSEL1+TACLR+TAIE+MC1;/*TimerAclocksourceselect0*/
CCTL1=CM_1+SCS+CAP+CCIE;//upmode,CCI0A为捕获信号源
/************************************************************************/
/*************采样P1.1、P1.0数据，并依次放到0X200,0X202*****************/
ADC10CTL0&=~ENC;
while（ADC10CTL1&BUSY）;//WaitifADC10coreisactive
ADC10SA=（unsignedshort）results;//Databufferstart
//ADC10SA=0x200;
ADC10CTL0|=ENC+ADC10SC;//Samplingandconversionstart
/************************************************************************/
/*****************************计算实际频率*******************************/
if（width!
=0）
{
frequency=1000000/width;
frequency=frequency+（int）（0.04*frequency）;
}
/************************************************************************/
5.系统创新
本作品的主要创新点如下：
1、地下车库的主要有害物有CO，HC和NOx，它们的比例大约为7：
1.5：
0.2，因此CO是地下停车场的主要有害物，本作品的信息采集增加了一氧化碳浓度的监测，利用相应的传感器检测数据，控制风机的工作。
虽然增加了建设及维护费用，但是采用MQ-7作为感应元件，其对CO具有很高的灵敏度和良好的选择性，而且具有长期的使用寿命和稳定性。
另外，能够在保证车库内一氧化碳浓度不高于规范要求前提下，获得较好的节能效果。
2、通风控制系统实现简单，适用于不同地下车库，通用性较高，有利于系统推广和降低设计费用；
3、对单片机开发板的供电是3.3V，保证了单片机的超低功耗，实现低功耗的特点；
4、硬件简单实用，便于推广；
5、本作品还可用于家庭里煤气泄漏的监测，成本低，方便简单，便于大范围使用。
6.评测与结论
温度的测试:
将系统分别放在室内与热水袋附近，观察风机的工作状态。
湿度的测试：
将系统分别放在室内以及用浸湿的纸团靠近传感器，观察风机的工作状态。
CO浓度的测试:
将系统分别放在室内正常环境下以及在传感器周围点燃一只香烟产生烟雾，观察系统的运行状态。
由于缺少CO浓度、湿度、温度的精确检测设备，只能定性的确定系统的工作状态，待系统大量推广使用时可以在此基础上通过实验得出精确值，这是相对容易的。
附录
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