基于MSP430单片机的室内煤气与天然气泄漏报警系统设计毕业设计

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1、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 基于MSP430单片机的室内煤气与天然气泄漏报警系统设计摘 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

2、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 msp

3、430单片机 温度传感器 AbstractWith the wide use of natural gas, each residential towers were enveloped by the gas. The popularity of natural gas to public life brought convenient, reduce the citys pollution and improve the life quality and efficiency, but at the same time, natural gas is also potential dange

4、rous, once produce large leak, disposal not timely could trigger, the big bang to peoples life and property safety brought great threat. Facing the gas leak all kinds of accidents caused by threats, we need a solution. Use of natural gas alarm is deal with gas invisible killer one of the important m

5、eans. This papers to the semiconductor gas sensors and single chip microcomputer as the core design can realize the gas alarm sound-light alarm functions, is a kind of simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive and intelligent gas alarm, has certain practical value. Among them we

6、 choose MQ-2 of gas detection sensor, it has a high sensitivity, fast response, strong anti-jamming capability etc, and the price is low, service life long. by msp430 for processing the data and analysis, whether is equal to or greater than the a default value (that is, the alarm limit), if beyond t

7、he limit than it will automatically start alarm circuit warning voice, otherwise conversely for normal state. In this design, we connected DS18B20 temperature sensor and the msp430 micr- ocontroller ,it turns the temperature signals into the digital signal which the microcontroller can identify. Fin

8、ally the temperature of gas will be displayed on the LED display tube.Keywords ：gas sensor alarm msp430 single chip microcomputer temperature sensor目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 MSP430单片机概述11.2 MSP430的特点21.3课题研究的主要内容41.3.1研究内容41.3.2论文安排4第2章 系统总体方案设计52.1控制系统的原理图52.2温度测量原理52.3 MSP430F149单片机62.3.1 MSP430

9、F149的组成62.3.2 MSP430F149的特点72.3.3 MSP430F149的定时器及转换模块72.4 单线数字温度传感器DS18B2082.4.1 DS18B20的技术性能：92.4.2 DS18B20的应用范围92.4.3 DS18B20产品型号与规格102.4.4 温度传感器DS18B20特点：102.4.5 DS18B20使用中注意事项102.4.6温度传感器DS18B20内部结构112.5数据采集系统13第3章 硬件部分153.1 硬件电路图153.2 电源及复位模块163.3 键盘输入模块183.4报警模块193.4.1 功率放大器LM386193.4.2 LM386内

10、部原理213.5 显示模块233.5.1 LCD1602 基本参数及引脚功能233.5.1.1 1602LCD主要技术参数243.5.1.2引脚功能说明24第4章 软件部分294.1 最小系统设计294.2采集模块304.3键盘输入模块314.4显示模块344.5报警模块37总结38致谢39参考文献40附 录41 IV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。 1.1 MSP430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（Mixed Sig

11、nal Processor）。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、

12、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

13、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BO

14、OTSTRAP LOADER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。1.2 MSP430的特点11、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

15、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

16、.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165A左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1A。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

17、LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5A，在RAM保持模式下，最低可达0.1A。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- ADC、DMA、I/O端口、基本定时器（Basic Timer）、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

18、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

19、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

20、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

21、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.

22、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

23、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

24、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

25、，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

26、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

27、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

28、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

29、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

30、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

31、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

32、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。2.3 MSP430F149单片机本设计采用MSP430F149单片机作为核心部件。2.3.1 MSP430F149的组成l 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）。l 看

33、门狗定时器Watch Timer，可用作通用定时器。l 带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A3。l 带有7个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_B7。l 两个具有中断功能的8位并行端口;P1与P2。l 四个8位并行端口;P3、P4、P5与P6。l 模拟比较器compator_A。l 2位200kbps的A/D转换器ADC12，自带采样保持。l 两通道串行通信接口可用于异步或同步(USART0、USA1T1)。l 一个硬件乘法器。22.3.2 MSP430F149的特点l 低电压(电压范围是1.8v-3.6v，超低功耗(2.2v 1MHz 280uA ) 。l 超低功耗。在

34、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。l 使用中断请求将CPU从低功耗模式下唤醒时间：6usl 快速的指令执行时间。MSP430F149为16位RISC结构，指令周期为150ns。l 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。l 具有灵活的时钟设计。l 方便的调试功能。l 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。l 片内提供模拟信号比较器、较多的储存器。l 串口通信模块，USART0 USA

35、RT1。l 提供Pl.0-P6.0六个数据端口，能为用户提供更多的处理功能。l 安全熔丝的程序代码保护。2.3.3 MSP430F149的定时器及转换模块在MSP430F149中有一个16位定时器和一个12位转换模块ADC12。 16位定时器可以用作看门狗定时器，实现在秒数量级上的定时。其中有2个中断向量，便于处理各种定时中断。另外，定时器还具有捕获模式，我们可以通过定时器的捕获功能实现各种测量，比如脉冲宽度测量。12位A/D转换用到2个参考电平，即Vr+和Vr-，作为转换范围的上下限和读数的量程值和0值。转换数值在输入信号大于等于Vr+时为满量程，小于等于Vr-时为0。ADC12有4种工作模

36、式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换，也可以在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换，采样顺序完全由用户定义。转换的结果保存在16个转换寄存器中，这样ADC12可以进行多次转换而不需要软件干顶，这一点提高了系统性能，也减少了软件开销2。MSP430F149单片机管脚如图2-2所示：图2-2MSP430F149单片机管脚 2.4半导体气敏传感器2.4.1半导体的基本介绍半导体传感器是一种采用半导体气敏为主要使用材料的传感装置，它利用与其气体接触时使半导体的导电率等物理性质发生变化来检测待测气体的成分和浓度。并且，它具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长及价格低等优点，成为

37、世界上产量最大、使用最广的传感器之一。2.4.2半导体的分类半导体气敏传感器有多种分类方法，主要一种是将其分为两类电导控制型气敏传感器和电压控制气敏传感器。其中电导控制型一般以金属氧化物半导体材料如SnO、ZnO、FeO系为基体，加入合适的催化金属和添加剂，采用烧结、厚膜或薄膜工艺制成。半导体气敏传感器包括硫化氢气敏传感器和一氧化碳气敏传感器两个敏感器件。硫化氢气敏传感器是采用MOS场效应晶体管结构,利用过渡金属作栅极的气敏元件,当空气中存在硫化氢时,场效应晶体管的开启电压发生变化,变化的幅度与硫化氢的浓度成比例。一氧化碳气敏传感器是利用以二氧化锡为基体的铂锑二氧化锡敏感材料制成的表面电阻控制

38、型敏感器件,当空气中有微量的一氧化碳存在时,器件的电阻急剧下降。该两种敏感器件灵敏度均10ppm;响应时间均0秒;感应时间均1秒。2.4.3半导体气敏传感器的原理当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力时，则吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。具有负离子吸附倾向的气体，如O2和NON,等被称为氧化型气体或电子接收型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，则吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸

39、附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO,碳氢化合物和醇类等，被称为还原型气体或电子供给型气体半导体气敏传感器的参数1）工作电压：5VDC2）静态功耗：15mW3）工作温度：10504）相对湿度：95%5）初期稳定时间：3min.6）检测浓度范围：02000ppm（一氧化碳）2.4.4 MQ-2的相关参数采用的MQ-2气体传感器，MQ-2气敏传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在可燃性气体时，传感器的电导率随空气中可燃性气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。（1） 灵敏度特性：图3.1传感器典型的灵敏

40、度特性曲线注：图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值Ro 表示传感器在1000ppm不同气体中的电阻值（2）温/湿度的影响：图3.2 传感器典型的温度、湿度特性曲线图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含1000ppm 甲烷、不同温/湿度下传感器的电阻值Ro表示在含1000ppm 甲烷、20/65%RH环境条件下传感器的电阻值表3.3 传感器的相关的参数（3） 规格：（4） A.标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压24VDCVH加热电压5.0V0.2VACorDCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加

41、热功耗900mW B. 环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-1050Tas储存温度-2070R相对湿度小于95% RO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于 C. 灵敏度特性符号参数名称 技术参数 备注Rs敏感体表面电阻2K-20K(2000ppm C3H8 )适用范围： 5000-20000ppm天然气(R3000ppm/R1000ppm C3H8)浓度斜率0.6标准工作条件温度： 202 Vc:5.0V0.1V相对湿度： 65%5% VH: 5.0V0.1V预热时间不少于48小时敏感体功耗（Ps）值：Ps=Vc2Rs/(Rs+RL)2 传感器电阻（Rs）

42、值：Rs=(Vc/VRL-1)RL2.4.5结构，外形MQ-2气敏元件的结构和外形如图4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。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（Ni-Cr）5陶瓷管三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢（SUB316）7卡环镀镍铜材（Ni-Cu）8基座胶木或尼龙9针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）图3.4图3.4 MQ-2/MQ-2S气敏

43、元件的结构和外形MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。此次的MQ-2传感器因为在protues的元器件库中无法找到，然后只能利用protel进行设计。元器件选择电源采用输入AC：220V 50Hz，输出DC：稳压5V的电源变压器；烟雾传感器MQ2；一个50K 的电位器；一个1 K 的电阻；一个三脚的开关；晶体管采用9013型号；继电器采用JRC4100F 5V的型号；通电指示灯采用3.5V的淡绿发光二极管；风扇FAN为5V的单转向小型风扇。其原理图如下图3.5：图3.5 MQ-2

44、原理图电路如图3.5所示， MQ2为烟雾传感器，FAN为5V电机。电路采用交流供电，220V交流市电从插头引入电路，经电源变压器降压后变为直流，直流电压直接供传感器MQ2的加热丝H-H工作，加热丝给传感器MQ2预热一定时间后，才能正常检测烟雾。 稳压电压同时供控制电路工作，接在继电器、通电指示灯和风扇上。当MQ2所处的环境烟雾在允许范围内时，其两端输出电极H-H间导电率很低，则加在电极间两端HH电压很低，则输出电压升高，晶体管9013导通，此时加在继电器JRC4100F两端的电压达到它的启动电压（V），继电器跳转，通电指示灯熄灭；风扇FAN电路接通，风扇工作，开始吸收烟雾。风扇产生吸力将烟雾吸

45、入装有活性炭过滤筛的壳体，先经过一层活性炭过滤后，再经过负离子发生器，从而除掉有害物质。过滤筛可以拆下来清理或更换，活性炭也可以更换。当烟雾逐渐减少，传感器MQ2导电率升高，加在电极间两端HH的电压升高，输出电压变小，晶体管9013截止，则继电器JRC4100F两端电压为零，继电器跳转为常态，风扇FAN停止转动，通电指示灯变亮。注：为了使到在烟敏器件电路发生故障的时候烟灰缸还能工作，我们另外接了一个手动的开关（如电路图中的开关K），这样，当电路发生故障的时候，我们可以手动的开启电机，一样能达到抽烟过滤的功能。调试电路主要通过调试可变电阻 ，可以调节烟雾传感器的灵敏度，以获得满意的烟雾浓度风扇启

46、动点。 2.5数据采集系统该系统采用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20来采集温度数据，作为单片机MSP430149的温度传感器，该芯片有很多优点，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。由于每片DS18B20含有唯一的硅串行数，从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息，仅需要一根口线（单线接口）。由于该系统采用DS18B20作为温度采集传感器，这部分电路就比较简单了，图2-5为温度采集电路。 图 2-5温度采集电路通过图2-5可以看出该集成电路具有简单，实用等特点。I/O口可以与MSP430F149的P2.6口直接相连，来完成数据的传送。第3章 硬件部

47、分本章主要介绍硬件部分的各个模块，这些模块包括电源模块及复位模块，键盘输入模块，报警模块，显示模块。电源模块采用TI公司的TPS76033芯片，保证MSP430F149单片机的工作电压。复位模块采用MAX809芯片。键盘输入模块主要是用来输入数据，从而实现人机交互。报警模块采用LM386芯片，实现报警控制。显示模块采用LCD1602显示温度。3.1 硬件电路图单片机的最小系统如图3-1所示：图3-1 单片机最小系统电路单片机电路作为整个系统的核心控制部分，主要完成与其他电路的接口，从而获得数据进行处理，将处理的结果采用某种方式表现出来，比如显示或报警。从单片机最小系统电路可以看出，单片机接口电

48、路非常简单，分别采用单片机的一般I/O口实现与其他电路的连口，在单片机的时钟设计上与其他单片机有一定的区别，MSP430F149单片机采用两个时钟的输入，一个32kHz的时钟信号，一个8MHz的时钟信号。该系统的时钟部分是采用晶体振荡器实现的7。考虑到电源的输入纹波对单片机的影响，在电源的管理脚增加一个0.1uF的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。另外单片机还有模拟电源的输入端，因此在这里需要考虑干扰问题，在该系统中的干扰比较小，因此模拟地和数字地共地，模拟电源输入端增加一个滤波电容以减少干扰。3.2 电源及复位模块本模块采用TPS76033（低功耗 50mA 低压降 (LDO) 稳压器

49、 ）芯片实现，如图3-2所示：图3-2TPS76033实物图电压电路：由于MSP430F149单片机的工作电压一般是1.8v3.6v,并且功率极低。为了方便起见，本系统采用电池（如2节普通5号电池）供电，因此输出电压为3V。而整个系统采用3.3V供电。考虑到硬件系统对电源要求具有稳压功能和纹波小等特点，另外也考虑到硬件系统的低功耗特点，因此该硬件系统的电源部分采用TI公司的TPS76033芯片实现，该芯片能很好的满足该硬件的系统的要求，另外该芯片具有很小的封装，因此能有效的节约PCB板的面积8。为了使输出电源的纹波小，在输出部分用了一个2.2uF和0.1uF的电容，另外在芯片的输入端也放置一个

50、0.1uF的滤波电容，减少输入端受到的干扰。电源电路具体如图3-3所示。图3-3 电源电路复位电路：在单片机系统里，单片机需要复位电路，复位电路可以采用RC复位电路，也可以采用复位芯片实现的复位电路，RC复位电路具有经济性，但可靠性不高，用复位芯片实现的复位电路具有很高的可靠性，因此为了保证复位电路的可靠性，该系统采用复位芯片实现的复位电路，该系统采用MAX809芯片1。为了减小电源的干扰，还需要在复位芯片的电源的输入端加一个0.1uF的电容来实现滤波，以减小输入端受到的干扰。复位电路如图3-4所示：图3-4 复位电路3.3 键盘输入模块键盘输入电路主要是用来输入数据，从而实现人机交互。该系统

51、的键盘设计是采用扫描方式实现的矩阵键盘。该系统的键盘电路图如图3-5所示。图3-5 键盘输入电路该矩阵扫描键盘由行线和列线组成，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3构成键盘的行线，P1.4、Pl.5、Pl.6和Pl.7构成键盘的列线。键盘的行线作为键盘的控制输出端，键盘的列线作为键盘的输入端。在设计时为了程序设计的方便性，键盘的列线采用的是Pl.4、Pl.5、P1.6 、Pl.7，这样可以利用该管脚的中断功能。这样在没有按键按下的情况下，该四个管脚的电平为高电平，如果有按键按下时，则相应的列线管脚为低电平，这时通过设置Pl.4、Pl.5、P1.6、P1.7为低电平触发中断方式，低电平就触发中

52、断而进入中断服务程序，从而获得输入的数据。键盘的工作原理具体如下:首先将P1.0、P1.1、P1.2、P1.3.设置为输出，将P1.4、P1.5、P1.6、P1.7设置为输入，并将P1.4、P1.5、P1.6、P1.7设置为低电平触发中断方式;将P1.3设置为低电平，如果该行上有按键按下的话，则P1.4、P1.5、P1.6或者P1.7上为低电平10，就会触发中断，进入中断服务程序，获得输入的数据。如果没有按键按下的话，则Pl.4、Pl.5、P1.6和P1.7上为高电平，不会进入中断服务程序。依次将P1.0、P1.1、P1.2、P1.3设置为低电平来判断该行是否有输入，如果没有输入的话，P1.4

53、、P1.5、P1.6、P1.7均为高电平，如果有输入的话，P1.4、P1.5、P1.6、P1.7上为低电平，就会触发中断，进入中断服务程序，获得输入数据。键盘的扫描时间很短，仅仅几微秒的时间，然而按键的时间一次至少需要几十毫秒，所以只要有按键按下的话是都可以被扫描到的。另外还要考虑键盘的抖动处理。3.4报警模块该部分电路主要是驱动一个蜂鸣器，这样只需要将蜂鸣器的一端接地，另一端以单片机进行相接就可以了。而驱动该蜂鸣器需要LM386功率放大器。3.4.1 功率放大器LM386LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，

54、广泛应用于录音机和收音机之中。LM386具有以下特性,LM386如图3-6所示：（1）静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。（2）工作电压范围宽，4-12v或5-18v。（3）外围元件少。（4）电压增益可调，20-200。（5）低失真度。图3-6LM386LM386内部电路原理图如图3-7所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。图3-7LM386内部原理图3.4.2 LM386内部原理1、第一级为差分放大电路T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输

55、入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。 2、第二级为共射放大电路T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。 引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。 电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。如图3-7所示,引脚

56、2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10F。 查LM386的datasheet，电源电压4-12V或5-18V(LM386N-4)；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200dB；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。 尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。下面介绍改进措施：（1）通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接

57、电容+极）来改变增益，断开时增益为20dB。因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处-噪音减少 （2）PCB设计时，所有外围元件尽可能靠近LM386；地线尽可能粗一些；输入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此。（3）选好调节音量的电位器。质量太差的不要，否则受害的是耳朵；阻值不要太大，10K最合适，太大也会影响音质！（4）电源的处理，也很关键。如果系统中有多组电源，由于电压不同、负载不同以及并联的去耦电容不同，每组电源的上升、下降时间必有差异。非常可行的方法：将上电、掉电时间短的电源放到+12V处，选择上升相对较慢的电源作为LM386的Vs，但不要低于4V。（5）尽可能

58、采用双音频输入/输出。好处是：“”、“”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。（6）第7脚（BYPASS）的旁路电容不可少！实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。工作稳定后，该管脚 电压值约等于电源电压的一半。增大这个电容的容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。（7）在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致。（8）减少输出耦合电容。此电容的作用有二：隔直+耦合。隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；太低

59、还会使截止频率提高。分别测试，发现10uF/4.7uF最为合适。图3-8为放大增益为20接线图。 图3-8放大器增益=20图3-9报警电路由图3-9可知LM386的IN+(3)口与MSP430F149的P2.5端口通过一个100欧姆的电阻相连接，来完成相应的控制。3.5 显示模块系统的显示电路采用LCD液晶显示器显示，这样的方式能满足该系统的要求，也可很容易的完成。本设计采用的是LCD1602，他有很多优点：（1）显示质量高（2）数字式接口（3）体积小、重量轻（4）功耗低3.5.1 LCD1602 基本参数及引脚功能1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光

60、的比不带背光厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如图3-10所示：图3-10LCD1602尺寸图1、1602LCD主要技术参数l 显示容量:162个字符l 芯片工作电压:4.55.5Vl 工作电流:2.0mA(5.0V)l 模块最佳工作电压:5.0Vl 字符尺寸:2.954.35(WH)mm2、引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-1所示:（1）第1脚VSS为地电源。（2）第2脚VDD接5V正电源。（3）第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。（4）第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。（5）第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写