基于MSP430的温度采集报警系统的毕业设计.docx

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基于MSP430的温度采集报警系统的毕业设计

XXXXXXXXXX

本科生毕业设计（论文）

学院：

XXXXXXXXXXXXXXX

专业：

自动化

学生：

XXX

指导教师：

XXXXXXXX

完成日期：

XXXXXXXXXXXXXXX

基于MSP430单片机的室内煤气与天然气泄漏报警系统设计

总计毕业设计（论文）47页

表格6个

插图19幅

摘要

随着天然气的大量使用,每一座居民大楼都被天然气所“笼罩”。

天然气的普及给公共生活带来了方便,减少了城市的污染,提高了生活质量和效率,但是同时,天然气也是潜在的“危险品”,一旦发生大面积泄漏,处置不及时就可能引发大爆炸,给居民的生命财产安全带来巨大的威胁。

面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，我们需要一个解决办法。

使用天然气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。

本论文以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器可实现声光报警功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的气体报警器，具有一定的实用价值。

其中选用MQ-2传感器实现对气体的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。

经msp430单片机处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态，而且在此设计中我们通过DS18B20温度传感器和msp430单片机进行连接，将温度信号转换成单片机可识别的数字信号，经过单片机处理并对其进行分析，最终将温度还有气体的浓度显示1602液晶显示器中。

关键词气敏传感器报警器msp430单片机温度传感器

Abstract

Withthewideuseofnaturalgas,eachresidentialtowerswere"enveloped"bythegas.Thepopularityofnaturalgastopubliclifebroughtconvenient,reducethecity'spollutionandimprovethelifequalityandefficiency,butatthesametime,naturalgasisalsopotential"dangerous",onceproducelargeleak,disposalnottimelycouldtrigger,thebigbangtopeople'slifeandpropertysafetybroughtgreatthreat.Facingthegasleakallkindsofaccidentscausedbythreats,weneedasolution.Useofnaturalgasalarmisdealwithgasinvisiblekilleroneoftheimportantmeans.

Thispaperstothesemiconductorgassensorsandsinglechipmicrocomputerasthecoredesigncanrealizethegasalarmsound-lightalarmfunctions,isakindofsimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensiveandintelligentgasalarm,hascertainpracticalvalue.

AmongthemwechooseMQ-2ofgasdetectionsensor,ithasahighsensitivity,fastresponse,stronganti-jammingcapabilityetc,andthepriceislow,servicelifelong.bymsp430forprocessingthedataandanalysis,whetherisequaltoorgreaterthantheadefaultvalue（thatis,thealarmlimit）,ifbeyondthelimitthanitwillautomaticallystartalarmcircuitwarningvoice,otherwiseconverselyfornormalstate.Inthisdesign,weconnectedDS18B20temperaturesensorandthemsp430micr-ocontroller,itturnsthetemperaturesignalsintothedigitalsignalwhichthemicrocontrollercanidentify.FinallythetemperatureofgaswillbedisplayedontheLEDdisplaytube.

Keywords：

gassensoralarmmsp430singlechipmicrocomputertemperaturesensor

第1章绪论

本章简要介绍单片机技术在工业上生活中的主要应用，MSP430单片机的概述及特点，以及课题研究的主要内容及论文安排。

1.1MSP430单片机概述

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。

称之为混合信号处理器，主要是其针对实际应用需求，把许多模拟电路，数字电路和微处理器集成在一个芯片上。

德州仪器1996年到2000年初，先后推出了31X、32X、33X等几个系列，这些系列具有LCD驱动模块，对提高系统的集成度较有利。

每一系列有ROM型（C）、OTP型（P）、和EPROM型（E）等芯片。

EPROM型的价格昂贵，运行环境温度范围窄，主要用于样机开发。

这也表明了这几个系列的开发模式，即：

用户可以用EPROM型开发样机；用OTP型进行小批量生产；而ROM型适应大批量生产的产品。

2000年推出了11X/11X1系列。

这个系列采用20脚封装，内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少，但是价格比较低廉。

这个时期的MSP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点，但也有不尽如人意之处。

它的许多重要特性如：

片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等，只有33x系列才具备。

33x系列价格较高，比较适合于较为复杂的应用系统。

当用户设计需要更多考虑成本时，33x并不一定是最适合的。

而片内高精度A/D转换器又只有32x系列才有。

2000年7月推出了F13x/F14x系列，在2001年7月到2002年又相继推出F41x、F43x、F44x。

这些全部是Flash型单片机。

F41x系列单片机有48个I/O口，96段LCD驱动。

F43x、F44x系列是在13x、14x的基础上，增加了液晶驱动器，将驱动LCD的段数由3xx系列的最多120段增加到160段。

并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址,为以后的发展拓展了空间。

MSP430系列的部分产品具有Flash存储器，在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。

TI公司推出具有Flash型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110，将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。

这种以Flash技术与FET开发工具组合的开发方式，具有方便、廉价、实用等优点，给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。

2001年TI公司又公布了BOOTSTRAPLOADER技术，利用它可在烧断熔丝以后只要几根线就可更改并运行内部的程序。

这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。

BOOTSTRAP具有很高的保密性，口令可达到32个字节的长度。

TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15x和F16x系列的产品。

在这一新的系列中，有了两个方面的发展。

一是从存储器方面来说，将RAM容量大大增加，如F1611的RAM容量增加到了10KB。

二是从外围模块来说，增加了I2C、DMA、DAC12和SVS等模块[13]。

1.2MSP430的特点[1]

1、处理能力强

MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址，4种目的操作数寻址），简介的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算；还有高效的查表处理命令。

这些特点保证了可以编制出高效的源程序。

2、运算速度快

MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合,能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

3、超低功耗

MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。

因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。

其次，独特的时钟系统设计。

在MSP430系列中有两个不同的时钟系统：

基本时钟系统、锁频环（FLL和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。

可以只使用一个晶体振荡器（32768Hz），也可以使用两个晶体振荡器。

由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。

并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。

在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA。

4、片内资源丰富

MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。

它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-ΔADC、DMA、I/O端口、基本定时器（BasicTimer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。

MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

5、方便高效的开发环境

MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。

对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的、FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。

这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要仿真器和编程器。

开发语言有汇编语言和C语言。

1.3课题研究的主要内容

1.3.1研究内容

本设计以实现基于MSP430单片机的室内煤气与天然气泄漏报警系统设计为主要目标，主要内容有：

1、介绍MSP430单片机的结构及工作原理；

2、实现对可燃性气体进行检测，可燃气体浓度达到报警设定值时，应能报警。

3、控制系统所需的控制电路，设计控制系统；控制电路主要由MSP430F149单片机、MQ-2气敏传感器、LCD1602.

4、系统原理图、方框图和线路图等。

1.3.2论文安排

（1）原理部分：

第1章主要介绍了MSP430单片机的特点，结构和工作原理。

（2）硬件电路部分：

第3章详细介绍了系统的硬件电路图，MSP430的结构图及外围电路。

（3）软件部分：

介绍了系统的软件流程图。

第2章系统总体方案设计

本章主要介绍系统的原理图以及测量原理，然后介绍本设计的核心部件MSP430F149单片机和MQ-2气敏传感器。

2.1控制系统的原理图

本设计的控制系统主要包括五部分：

采集模块，键盘输入模块，电源及复位模块，报警模块，显示模块，具体结构如图2-1所示。

图2-1控制系统原理图

2.2气体传感器的选型

气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路，将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。

气体传感器作为燃气泄漏报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。

由此可见，气体传感器的选型是非常重要的。

2.2.1气体传感器介绍

1.气体传感器的分类

（1）.半导气体传感器

这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型.

（2）.固体电解质气体传感器

　固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。

其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。

由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。

如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。

开发新的气体传感器，特别是开发和完善智能气体传感系统，使之可以在气体泄漏事故中起到报警、检测、识别、智能决策等方面的作用。

大大提高气体泄漏事故处置的工作效率和安全性，对于控制事故损失具有重要的作用。

（3）.接触烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。

其工作原理是：

气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量电阻变化从而测量气体浓度。

这种传感器只能测量可燃气体，对不燃性气体不敏感。

例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，即可以检测各种可燃气体。

接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警。

（4）.高分子气体传感器

国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合等特点，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测具有重要作用。

高分子气体传感器根据气敏特性主要可分为下列几种：

　　l）高分子电阻式气体传感器

　　该类传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的体积分数，目前的材料主要有欧菁聚合物、LB膜、聚毗咯等。

其主要优点是制作工艺简单、成本低廉。

但这种气体传感器要通过电聚合过程来激活，这既耗费时间，又会引起各批次产品之间的性能差异。

　　2）浓差电池式气体传感器

　　浓差电池式气体传感器的工作原理是：

气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量输出的电动势就可测量气体体积分数，目前主要有聚乙烯醇-磷酸等材料。

3）声表面波（SAW）式气体传感器

SAW气体传感器制作在压电材料的衬底上，一端的表面为输入传感器，另一端为输出传感器。

两者之间的区域淀积了能吸附VOC的聚合物膜。

被吸附的分子增加了传感器的质量，使得声波在材料表面上的传播速度或频率发生变化，通过测量声波的速度或频率来测量气体体积分数。

主要气敏材料有聚异丁烯、氟聚多元醇等，用来测量苯乙烯和甲苯等有机蒸汽。

其优势在于选择性高、灵敏度高、在很宽的温度范围内稳定、对湿度响应低和良好的可重复性。

SAW传感器输出为准数字信号，因此可简便地与微处理器接口。

此外，SAW传感器采用半导体平面工艺，易于将敏感器与相配的电子器件结合在一起，实现微型化、集成化，从而降低测量成本。

（5）.电化学传感器

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。

典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。

　　气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达电极表面。

采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。

　　穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。

这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。

　　通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。

测量该电流即可确定气体浓度。

由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。

（6）.热传导传感器

热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。

它的测量原理是：

将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。

温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体，热传导率是它固有的物理特性。

（7）.红外传感器

利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。

红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。

光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。

检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。

热敏元件应用最多的是热敏电阻。

热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。

光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。

例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。

2.2.2气体传感器的选定

天燃气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。

天燃气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。

使用接触燃烧式气敏传感器，其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。

阻缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。

虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。

中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。

当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。

因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。

一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。

半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。

半导体气敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。

经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点更加突出：

灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。

因此，本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。

而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ-2型气敏传感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。

2.3MSP430F149单片机

本设计采用MSP430F149单片机作为核心部件。

2.3.1MSP430F149的组成

●基础时钟模块，包括一个数控振荡器（DCO）、一个高速晶体振荡器（最高8MHz）和一个低速晶体振荡器（32768Hz）。

●看门狗定时器WatchTimer，可用作通用定时器。

●带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A3。

●带有7个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_B7。

●两个具有中断功能的8位并行端口;P1与P2。

●四个8位并行端口;P3、P4、P5与P6。

●模拟比较器compator_A。

●2位200kbps的A/D转换器ADC12，自带采样保持。

●两通道串行通信接口可用于异步或同步（USART0、USA1T1）。

●一个硬件乘法器。

[2]

2.3.2MSP430F149的特点

●低电压（电压范围是1.8v-3.6v}，超低功耗（2.2v1MHz280uA）。

●超低功耗。

在休眠条件下上作电流只有0.8uA;;就是在（2.2v、1MHz）条件下电流只有280uA。

●使用中断请求将CPU从低功耗模式下唤醒时间：

6us

●快速的指令执行时间。

MSP430F149为16位RISC结构，指令周期为150ns。

●片内有12位A/D转换器，片内提供参考电压。

A/D转换器具有采样保持和自动扫描特点。

●具有灵活的时钟设计。

●方便的调试功能。

●单片机是FLASH型的，可以实现写入和擦除，再加上次单片机提供JTAG口，能实现能很好的在线调试仿真功能。

通过集成的IDE开发环境，使用户很容易调试程序。

●片内提供模拟信号比较器、较多的储存器。

●串口通信模块，USART0USART1。

●提供Pl.0--P