（系统分析与集成专业论文）基于msp430的甲烷浓度无线采集系统的设计.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 一直以来，煤矿安全都是国家安全生产关注的重点。煤矿特大事故，几乎 全部是由瓦斯爆炸引起的。“瓦斯不治，矿无宁日。”实时检查瓦斯中甲烷浓度 是防止瓦斯事故的一项重要措施。如果采用人员现场采集的方法，人生安全难 以保证，且存在着数据滞后性、不能够及时的通知矿下作业人员等缺陷。本文 设计的基于m s p 4 3 0 甲烷浓度无线采集系统能够很好地解决这个问题。 系统硬件部分：红外甲烷传感器取代传统的催化元件，更安全、准确。新 型单片机m s p 4 3 0 ，功耗低，集成度高，方便系统的设计。z i g b e e 无线模块c c 2 4 2 0 集成度高，通信协议简单，组网简单方便。因此只需要很少的外围设备就能满 足系统设计的需求。 系统软件部分：利用4 3 0 c 语言编写功能软件，包括a d 转换程序，系统 主程序，以及与p c 机通讯程序。采用中断唤醒技术，实现了m s p 4 3 0 的低功耗 工作模式( l p m 3 ) 的设计。利用m s p 4 3 0 自带的硬件乘法器设计数字滤波，实现 了数据的精确的采集及处理。采用d e l p h i 编写上位机界面，简单、直观。 本装置采用的核心技术同样也适用于其他气体的检测，以及油田压力检测、 气象参数检测等其他远程采集设备，具有很好的经济性和实用性。 关键字：红外，m s p 4 3 0 ，c c 2 4 2 0 ，低功耗，串口 南京信息工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ec o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o no fn a t i o n a ls e c u r i t ya r et h ef o c u so fa t t e n t i o n s e r i o u sc o a lm i n ea c c i d e n t s ，a r ea l m o s tc a u s e db yg a se x p l o s i o n 2 q os o l u t i o n , n o s a f e ”m e t h a n ec o n c e n t r a t i o no fr e a l - t i m ec h e c k st op r e v e n tg a sa c c i d e n t si sa n i m p o r t a n tm e a s u r e i fp e o p l ec o l l e c ta tt h es c e n e ，i ti sd i f f i c u l tt og u a r a n t e et h es f f e t y o fp e o p l e ，t h ee x i s t e n c eo fr e s p o n s ee a s i yl a t e ，a n dc a nn o tt i m e l yn o t i c et ot h e w o r k e r sw h oa r ew o r k i n gu n d e rm i n e 。h lt h i s p a p e r , m s p 4 3 0 - b a s e dw i r e l e s s m e t h a n ec o l l e c t i o ns y s t e mc a ns o l v et h i sp r o b l e mv e r yw e l l h a r d w a r e ：i n f r a r e dm e t h a n es e n s o rt or e p l a c et h et r a d i t i o n a lc a t a l y t i cm e t h o d s m o r es e c u r ea n da c c u r a t e m s p 4 3 0i san e wk i n do fs i n g l e - c h i pw i t hl o wp o w e r c o n s u m p t i o n , h i 曲i n t e g r a t i o n , e a s ys y s t e md e s i g n c c 2 4 2 0i n t e g r a t i o nz i g b e e ， c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li ss i m p l e ，e a s ya n dc o n v e n i e n tn e t w o r k t h e r e f o r eo n l ya s m a l lp e r i p h e r a ld e v i c e sw i l lb ea b l et om e e tt h en e e d so fs y s t e md e s i g n s o f t w a r e ：4 3 0 cw e r eu s e do fl a n g u a g es o f t w a r e ，p r o g r a m m i n gt h ea d c o n v e r s i o np r o c e s s ，t h es y s t e mm a i np r o g r a m ，a sw e l la st h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s s w i t l lt h ep cm a c h i n e i n t e r r u p tw a k e u pt e c h n i q u e su s e dt oa c h i e v et h em s p 4 3 0 l o w - p o w e rm o d e ( l p m 3 ) d e s i g n m s p 4 3 0o w nu s eo ft h eh a r d w a r em u l t i p l i e r d e s i g nad i g i t a lf i l t e rt oa c h i e v eh i 曲一p r e c i s i o nd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g d e l p h ip r e p a r e du s i n gp ci n t e r f a c e ，s i m p l ea n di n t u i t i v e t h eu s eo ft h ed e v i c e sc o r et e c h n o l o g yi sa l s oa p p l i c a b l et oo t h e rg a sd e t e c t i o n , a n do i lp r e s s u r ed e t e c t i o n , w e a t h e rd e t e c t i o ne q u i p m e n t i tw i l lb em o r ee c o n o m i c a l a n dp r a c t i c a l k e y w o r d s ：i n f r a r e d ，m s p 4 3 0 ，c c 2 4 2 0 ，l o w - p o w e r , s e r i a l 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以搿求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有试验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已经发 表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，学校 有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书 馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 南京信息工程大学硕士学位论文 i 1 课题背景 第1 章绪论 煤炭作为我国的基本能源和重要生产原料，在国民经济中占有极其重要的战略地位。 在我国的能源结构中，煤炭占我国一次性能源生产和消费结构中的7 0 左右，预计到2 0 5 0 年还将占5 0 以上。因此，在相当长的时期内煤炭仍将是我国的主要能源，以煤炭为主的 能源结构在短期内将难以改变。但是，我国9 5 的煤矿开采都是地下作业，受自然条件限 制，作业环境狭窄、黑暗、高温、高湿，又存在强噪音、粉尘、有毒、有害气体等较多污 染性因素。首先，矿工常年工作在这种条件十分艰苦的环境中，劳动强度大，工作场所经 常变迁，容易发生事故。其次，在我国大中型煤矿中，高瓦斯矿井占2 0 3 4 ，突出矿井占 1 9 7 7 ，小型矿井中，高瓦斯矿井占1 5 左右。随着开采深度的不断增加，掘井速度加快， 开采方式、开采深度和工作面开采空间尺度变化，煤尘与瓦斯等突出的危险性也不断在增 加，突出危险区域也在不断扩大。近来，随着对煤炭需求量的增大，我国煤矿事故又有攀 升趋势，煤矿安全状况令人担忧。为此，我国必须重视煤矿安全生产，确保煤炭工业持续、 稳定、健康发展。矿井瓦斯就是在采掘过程中从煤层、岩层、采空区中放出的和生产过程 中产生的各种有害气体的总称。煤矿井下的有害气体有甲烷( 沼气) 、乙烷、二氧化碳、 一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氮氧化物、氢、氨等，其中甲烷所占比重最大，在8 0 以 上。煤矿瓦斯事故在重特大安全事故和死亡人数上均占到7 0 以上，因此煤矿瓦斯治理是 煤矿安全生产治理的核心，如何有效控制瓦斯事故是解决煤矿安全问题的关键。川许多发 达国家为了减少事故的发生，一般不开采高瓦斯灾害隐患严重的矿井。中国是一个能源饥 渴大国，不论是低瓦斯还是高瓦斯，都在积极创造条件，照采不误。一般说来，瓦斯爆炸 所需浓度范围为5 1 5 。因此，采掘空间内瓦斯浓度不允许超限( 很多煤矿规定不超过 1 ) 。为了检测矿井内某点的瓦斯浓度，大部分煤矿采取派专职人员巡检的形式，定期采集 指定地点的瓦斯信息。当瓦斯浓度超过警戒线时( 一般为1 ) ，则报警，以便采取措施来 降低瓦斯浓度，保证安全生产。然而，瓦斯在空气中含量高时可降低氧含量，引起窒息， 亲自到达信息采集点采集瓦斯信息，又存在采集人员的人身安全问题。如何既及时准确地 采集煤矿井下指定地点的瓦斯信息，又能保证巡检人员的人身安全成为研究的热点问题。 让3 如果能够将无线的数据传输技术应用到煤矿瓦斯信息采集上，就能成功地解决巡检人员 的人身安全问题，巡检人员不必亲自到达采集点就能采集到信息，更好地避免瓦斯事故的 出现。 i 2 传统的检测方法 由于瓦斯的主要成分是甲烷，检测矿井中的甲烷浓度，便可以推之瓦斯的含量。传统 南京信息工程大学硕士学位论文 的检测方法之一是采用热催化元件，利用气体燃烧产生热量使检测元件的阻值变化，气 体浓度越高， 阻值就越大。这种检测方式检测范围窄，测量精度低、易受到干扰、易受到 侵蚀，在某些工业现场读数不方便。为了解决以上问题，罗勇h 1 等设计了一种红外检测甲 烷传感器，使得信号基本上不受外界干扰，且不会产生传感器催化剂中毒现象，具有较高 的可靠性和稳定性，特别适合于煤矿等恶劣的工业环境现场，但是不具有通信功能。为提 高检测精度，保证人员安全。张长江聆1 等提出的红外检测甲烷系统，采用串口通信，但是 通信距离受到一定的约束，给检测还是带来了很多的不方便。 1 3 本文研究的主要工作 本课题的主要任务是利用德州仪器( t i ) 公司的超低功耗m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机作为主控 芯片，d e t c o n 公司的5 0 0 系列红外甲烷传感器，c h i p c o n 公司的z i g b e e 无线模块c c 2 4 2 0 ， 设计出一个无线甲烷浓度检测系统。该检测系统除了具有传统检测系统的功能之外，设计 中还充分考虑到系统的便携性、低功耗、抗干扰的问题及与p c 通信和显示的功能。本文 所选择的器件可以很好的满足设计的需要，m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机，拥有1 2 位的a d 转换 器a d c l 2 内包括采样保持功能的a d c 内核、转换存储逻辑、内部参考电平发生器、多种 时钟源、采样及转换时序电路。有8 个外通道，4 个内通道，高达2 0 0 k b p s 的采样速率， 多种采样方式。其内部具备l c d 驱动模块，最多可以驱动1 6 0 段的液晶，实现l c d 显示。 片内具有2 通道的串行数据通信接口( u s a r t 模块) ，使用s p i 与c c 2 4 2 0 通信，使用一个 u a r t 与上位机进行通信。无线模块c c 2 4 2 0 中的z i g b e e 技术是一种用于短距离范围内，低 传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。它是一种新兴的近距离、低复杂度、 低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的 技术提案。般而言，随着通信距离的增大，传输速率的增大，设备的复杂度、功耗以及 系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技术将是最低功耗和成本的 技术。因此本设计采用m s p 4 3 0 f 4 4 9 + c c 2 4 2 0 实现瓦斯信息的无线采集，从而能够满足设计 的需要，保证巡检人员的人身安全。 2 南京信息工程大学硕士学位论文 2 1 系统的组成 第2 章系统设计原理 依据成本，低功耗，高可靠性的原则，本系统主要组成部分如下： 1 现场采集( 转发) 节点：采用m s p 4 3 0 单片机作为控制系统的核心，实现信号的采集、 转换、l c d 液晶实时显示。每个节点都有一个唯一对应的i d 号，且可以实现数据的接收转 发功能。 2 数据终端接收节点：无线模块c c 2 4 2 0 接收到从现场传来的数据，传送到e s p 4 3 0 单 片机，m s p 4 3 0 单片机通过r s 2 3 2 和上位机进行通信。 3 上位机系统采用d e l p h i 编写，界面简洁、清晰，方便直观的显示各个监控点的甲烷 浓度。 无线甲烷浓度采集系统的现场采集( 转发) 节点框图如图( 2 - i ) 所示。采用m s p 4 3 0 f 4 4 9 作为核心处理器，前端传感器为红外甲烷传感器，输出4 - - - 2 0 m a 模拟信号，经过一系列的 信号处理和转换之后，送入m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机中。m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机利用其自带的硬件 乘法器对数据进行快速处理，同时把数据通过s p i 接口送入无线发送模块c c 2 4 2 0 。根据 z i g b e e 协议的特点，采集( 转发) 节点也可以根据需要接收其他节点发送过来的数据，然 后通过c c 2 4 2 0 转发给接收节点，起到中继器的作用。监控中心数据接收节点如图( 2 2 ) 所示。m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机通过s p i 接口读入无线接收模块c c 2 4 2 0 数据。利用其丰富的i o 管脚和片内集成功能模块，协调和控制各器件的工作。完成数据下载到外部存储中的任务， 并且通过r s 2 3 2 接口与上位机进行通信。 图2 一i 系统采集( 转发) 节点原理图 由原理框图可知，采集前端负责通过甲烷传感器实时采集所处环境的瓦斯浓度信息， 核心处理器将甲烷传感器采集到的信息处理后，打包数据，通过无线模块发送。接收端采 用无线技术建立与采集前端的无线通信，接收瓦斯浓度信息，存储到外部存储器中，同时 通过串口发送数据到上位机中。如果甲烷浓度超限则报警，以便及时采取措施，防止人身 事故发生。根据矿井的实际环境，为了避免井下环境对无线信号的干扰，所安置的采集( 转 3 南京信息工程大学硕士学位论文 发) 节点将自动组成一个通信网络，在布置节点的位置时，注意应使每个节点至少可与两 个以上的节点进行通信，即避免单线联系以保证网络通畅。甲烷浓度无线采集系统的主要 优点是，检测员不用亲自到达采集点，将信息存储在接收节点的存储器中。同时将检测信 息实时显示在电脑上，直观的反应现场情况，方便监控中心的整体调度。 2 2 本章小结 图2 - 2 数据接收节点原理图 本章介绍了无线采集系统的原理和整体设计方案。分别对数据采集端，数据接收端进 行了介绍。通过对整个数据采集、发送、接收过程的各个环节的介绍，说明了系统在日常 生活中的可行性和优越性。系统中涉及的k s p 4 3 0 f 4 4 9 、无线部分的详细设计将在第3 章和 第5 章分别详细介绍。上位机接口显示部分将在第6 章中介绍。 4 南京信息工程大学硬士学位论文 第3 章系统硬件设计 3 1 红外线气体传感器 红外气体检测技术”1 主要是根据不同气体在不同浓度下对红外光谱的吸收率不一样。 传感头由光源、采样气室、活动通道热电检测头和参考通道热电检测头组成。被检测气体 通过一个烧结的不锈钢阻火器进入气室。气室中有一盏灯提供循环的红外光源。光源在气 室中反射并终止于两个热电感应片上。两个感应片一个是“活跃感应片”，另一个是“参照 感应片”。每个热电感应片都各自输出一个电平以显示与其表面接触的红外光的强度。“活 跃感应片”上覆盖着一层滤光材料，它能透过红外光谱中被测气体所吸收的那一段光谱： 而“参照感应片”上覆盖着的滤光材料能透过红外光谱中被测气体不吸收的光谱。当被测 气体进入气室时，气体吸收了红外光辐射的一段，这样从活跃感应片上输出的信号也就相 应减弱。而尽管有被羽忾体存在，“参照感应片”上的信号电平保持不变。“活跃感应片” 和“参照感应片”上输出电平的比率就可用于计算被测气体的浓度。因为测量中用的是两 个感应片上的电平比率。光源强度及光源反射路径反导致的误差就可消去，保证了测量精 度。其结构如图( 3 1 ) 所示 红外线气体传感器的结构 图3 - 1 红外传感器的结构 物质都有特定的吸收光谱( 如甲烷气体在光波波长3 3 3 u m 处有一个极强的吸收峰，而 杂质( 水，c ，c o ) 在此处无明显吸收) ，因此根据气体光谱曲线上某些特定波长处吸收 峰值的变化就可以判断气体的浓度。当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长 的红外光有吸收作用， 吸收规律遵循朗泊一比尔定律； i = i oe x p ( 一k c l ) 式中i 透射光的能量，l ( m o l c m ) ： i _ 一红外辐射被气体吸收的能量，l ( m o l c m ) ： k 与气体及辐射波长有关的常数， l m o l1 曲一： c _ 被测气体的浓度， m o l l ： 南京信息工程大学硕士学位论文 i 广稍射通过气体层的厚度， c m 。 从式中可以看出，当l 和i o 一定时，而k 对某种待测组分而言又是一个确定的常数时， 这样状况下，i 仅是c 的单值函数，并且i 随着待测组分浓度的增加而以指数规律下降， 因此在一般红外分析仪器中，为了保证仪表的读数与浓度之间成线性关系，当被测气体固 定后，k 即固定，只能使c ，l 值较小。因此，须要测量的c 不同，选用的l 就不同。 对于l 台制造好了的红外线分析器，其样气组分已定亦即k 一定，i 一定，l 一定，那 么气体中甲烷组分的浓度只决定于i 。，直接或间接地测出i o ，便可知道样气中甲烷组分的 浓度。 本文采用的d e t c o n 公司5 0 0 系列红外线气体传感器1 ，是基于先进的光学传感技术设 计，用以探测可燃性烷烃类气体。这种传感器以无干扰、智能化为特征。简单的菜单式校 准及模块化设计和组装，简化了安装、维护和调试。5 0 0 系列提供标准的4 2 0 m a 输出。 这种独特的红外线气体传感器经实践证明工作稳定、可靠且所需的阶段性维护最少，加热 的光学设计避免了冷凝现象，同时具有故障自诊断功能，且低能耗，此外d e t c o n 公司的产 品质量保证，决定了使用产品的低成本。 由于传感器输出电流是4 - - 2 0 m a 为了使信号不受干扰采用t i 的2 7 l 2 c 埔集成运放，该 运放能够很好的抑制零点飘移且受温度影响极小。图( 3 2 ) 中4 7 k 大阻值电阻稳定电路且 对信号没有影响，0 1 u f 电容用来滤波防止信号干扰。经实践证明该电路组合工作稳定可 靠且所需的阶段性维护最少。调理电路结构如图( 3 2 ) 所示。 3 2m s p 4 3 0 单片机的选型 f 图3 - 2 采集端信号调理电路 m s p 4 3 0 系列单片机旧1 是德州仪器( t i ) 2 0 世纪9 0 年代中期开始开发并推广的的一种1 6 位带有精密指令集的超低功耗的混合信号处理器m s p ( m i x e ds i g n a lp r o c e s s o r ) 。本文选 用t i 公司的m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，训它属于一种中低端的单片机，使用非常灵活，具有2 k 字节 的r a m ， 6 4k 字节的f l a s h ，除了正常工作模式外，还有5 种低功耗工作模式，使其可 以实现很低的工作功耗。其工作电压1 8 3 6v ，超低功耗掉电模式仅0 1pa ，待机模 式1 1ua 。活动模式也只有2 8 0na ( 2 2 v ，1 沁z ) 。片内集成了丰富的外设，它可在线 编程，不用外部编程电压，使用十分方便，而且开发工具很多，易于完成软件的设计、 6 南京信息工程大学硕士学位论文 调试及测试，大大缩短了开发周期。m s p 4 3 0 f 4 4 9 片内集成的l c d 驱动模块，有静态，2 m u x ， 3 m u x ，4 m u x 这4 种驱动方式，有2 0 个字节的显示缓冲器。在4 m u x 方式下，所有的显示 缓冲器位都用于段驱动，可以达到1 6 0 段显示。使用时可将l c d 直接与单片机的引脚相连， 电路简单，使用方便，同时也减少了外部干扰源，降低了干扰。m s p 4 3 0 f 4 4 9 内部的两个 u a r t ，为串行通信提供了很大方便。再外接一个电平转换模块就可以采用r s 2 3 2 总线和计 算机进行远距离通信了。本系统应用其l c d 接口，u a r t 串行口，大大减小了产品的体积。 m s p 4 3 0 f 4 4 9 各管脚如图u ( 3 - 3 ) 三羞三三暑暑嚣历舞嚣5 嚣嚣裔爱嚣量蜃。；置基墨基暮嚣 釜兰蒸 互五_ 图3 _ 3m s p 4 3 0 f 4 4 9 各管脚图 本文中相关部分引脚及其功能说明如表( 3 1 ) 端 口功能 p l 、p 2 i 0 、中断能力、其他片内外设功能 p 3 、p 4 、p 5 、p 6i o 、其他片内外设功能 s 、c o m i o 、驱动液晶 3 3 电源的设计 表3 - 1 部分弓 脚及其功能说明 一个系统要想工作最起码要有供电电源，我们通常所说的电源一般分为两类：线性电 源和开关电源。设计者多习惯采用线性稳压器件( 如7 8 x x 系列三端稳压器件) 作为电压调 节和稳压器件来将较高的直流电压转变为m c u 所需的工作电压。这种线性稳压电源的线性 调整工作方式在工作中会有大的“热损失”( 其值为v 压降i 负荷) ，其工作效率仅为3 0 5 漏。加之工作在高粉尘等恶劣环境下往往将嵌入式工业控制系统置于密闭容器内的聚集也 7 巍蠡囊尹器鎏三辫瓣季瑟黧 南京信息工程大学硕士学位论文 加剧了m c u 的恶劣工况，从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。而开关电源调节器 件则以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、 要么是完全截止无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达7 0 9 0 。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损 失”。因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和p c b 板的面积，甚至在大多数情况下不 需要加装散热片，从而减少了对m c u 工作环境的有害影响。采用开关稳压电源来替代线性 稳压电源作为m c u 电源的另一个优势是：开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用 对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外，由于开关稳压电源“热损失”的减 少，设计时还可提高稳压电源的输入电压，这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。 l m 2 5 7 6 系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件( 如7 8 x x 系列端稳压集成电路) 的替 代品，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为m c u 的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。 l m 2 5 7 6 副系列开关稳压集成电路的主要特性如下：最大输出电流：3 a ；最高输入电压： l m 2 5 7 6 为4 0 v ，l m 2 5 7 6 h v 为6 0 v ；输出电压：3 3 v 、5 v 、1 2 v 、1 5 v 和a g j ( 可调) 等可选； 振动频率：5 2 k h z ；转换效率：7 5 8 8 ( 不同电压输出时的效率不同) ；控制方式：p 雕； 工作温度范围：- 4 0 。c + 1 2 5 。工作模式：低功耗正常两种模式可外部控制；工作模式 控制：1 v r l 电平兼容：所需外部元件：仅四个( 不可调) 或六个( 可调) ；器件保护：热关 断及电流限制。l m 2 5 7 6 内部包含5 2 k h z 振荡器、1 2 3 v 基准稳压电路、热关断电路、电流 限制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。为了产生不同的输出电压，通常将比较器 的负端接基准电压( 1 2 3 v ) ，正端接分压电阻网络。这样可根据输出电压的不同选定不同 的阻值，其中r l = l k q ( 可调- 仰j 时开路) ，r 2 分别为1 7k q ( 3 3 v ) 、3 1k q ( 5 v ) 、 8 8 4k q ( 1 2 v ) 、1 1 3k q ( 1 5 v ) 和0 ( 枷j ) ，上述电阻依据型号不同已在芯片内部做 了精确调整，因而无需使用者考虑。由于系统需要5 v 和3 3 v 两种电压。本文主要从系统 设计的简便性，可靠性和实用性角度出发采用了二级稳压的方案。 首先2 2 0 v 交流电经过变压器转换为2 4 v 交流电再经过整流，电容滤波后得到直流电， 选择电容的时候要充分考虑它的耐压值。 图( 3 - 5 ) 中l m 2 5 7 6 第一级电压转换芯片采用l m 2 5 7 6 - a d j ，开关稳压集成电路采用了 可调节输出芯片( l m 2 5 7 6 一a d j ) ，开关稳压集成电路的输出电压v o u t 与r l 和r 2 的关系如 下：v o u t = 1 2 3 x ( 1 + r 2 r 1 ) ，要输出5 v 电压，只需要设计r 2 r i 的值就可了。本文中 r i = 3 k ，r 2 = i k ，完全满足输出电压v d d = 5 v 的需要。对于2 4 v 电压输出而言，使用耐压值为 5 0 v 的电容器。二极管d 1 的额定电流值应大于最大负载电流的1 2 倍，考虑到负载短路的 情况，二极管的额定电流值应大于l m 2 5 7 6 的最大电流限制。二极管的反向电压应大于最大 输入电压的1 2 5 倍，本系统使用d 2 为m b r 3 6 0 稳压二级管。 图( 3 - 5 ) 中第二级输入为v i n = 5 v ，电压转换芯片采用l m i l l 7 - 3 3 v ，经过电压转换转 换输出v c c = 3 3 v 。电容c 铁耐压值应大于额定输出电压的1 5 2 倍。对于5 v 电压输出而 言，使用耐压值为2 4 v 的电容器。 采用l m 2 5 7 6 系列开关稳压集成电路作为m c u 稳压电源的核心器件不仅可以提高稳压电 8 南京信息工程大学硕士学位论文 源的工作效率，减少能源损耗，减少对m c u 的热损害，而且可减少外部交流电压大幅波动 对m c u 的干扰，同时可降低经电源窜入的高频干扰，这对保障m c u 的安全和可靠运行能起 到事半功倍的作用。 图中0 1 u f 电容起到滤出纹波的效果，v c c 经过1 0 u h 电感l 2 输出同样大小的模拟电 压a v c c 。 3 4 晶振电路设计 图3 - 5 系统的电源电路 时钟模块是m s p 4 3 0 系列单片机不可缺少的模块，时钟模块可以使单片机实现不同的低 功耗应用m s p 4 3 0 f 4 4 9 的基础时钟模块有3 个时钟源引：( 1 ) l f x t i c l k 低频高频时钟源它 可以用低频钟表晶体、标准晶体、陶瓷谐振器或外接时钟源工作。( 2 ) x t 2 c l k 高频时钟源 它可以用标准晶体、陶瓷谐振器或外接4 5 0 l ( h z 8 唧z 的时钟源工作( 3 ) d c o c l k 时钟源这 是一个可以实现数控( d c o ) 的r c 振荡器，高速晶体、低速晶体等器件通过m s p 4 3 0 f 4 4 9 时钟 模块产生3 个不同的时钟供不同的模块使用，产生的时钟为辅助时钟、主系统时钟和子系 统时钟。由于时钟模块产生3 个不同的时钟信号，这样可以采用不同的时钟从而达到低功 耗的目的。l f x t l 振荡器在发生有效的p u c 信号后开始工作它被设计成低电流工作并使用 3 2 7 6 8 h z 的钟表品振，这时l f x t i 工作在低频模式，工作时只需将钟表晶振连接到振荡器 的两个引脚，不必接其他外部元件，其他的振荡器元件都已集成在芯片内l f x t l 振荡器也 可以外接高速品振或陶瓷谐振器工作在高速模式，晶振或陶瓷谐振器连接在x i n 管脚和 x o u t 管脚，同时每个引脚还要外接电容，容量按晶振或陶瓷谐振器的特性来选择。本数据 采集系统就是外接4 m 高频晶振，由此产生主系统时钟，l f x t l 当振荡器失效时d c o 振荡器 会自动被选作产生主系统的时钟源，电容c 1 和c 2 的值均取3 3 p f 。电路图n 耵如图( 3 - 6 ) 所示。 3 5 复位电路的设计 m s p 4 3 0 单片机复位电路可以生产输出两个复位信号，分别是p o r 和p u c 。n 6 3 而这两个 信号所生的条件和作用都有所不同的。p o r 产生主要由两个条件产生的：( i ) 芯片上电。( 2 ) n m i 引脚低电平生产。这都是外部产生的条件。而p u c 主要由：( 1 ) 内部w d t 。( 2 ) 内部 9 南京信息工程大学硕士学位论文 p o r 生产。( 3 ) 内f l a s h 写入错误。( 4 ) n m i 产生低电平。p u c 的产生大部分来自内部信号。 总的来说，p o r 与p u c 这两个信号的产生将会导至内部部分寄存器不同的复位情况。p o r 和 p u c 两者的关系：p o r 信号的产生会导致“系统复位”并“产生p u c 信号”。而p u c 信号不 会引起p o r 信号的产生。无论是p o r 信号还是p u c 信号触发的复位，都会使m s p 4 3 0 从地址 o x f f f e 处读取复位中断向量，程序从中断向量所指的地址处开始执行。触发p u c 信号的条 件中，除了p o r 产生触发p u c 信号外，其他的都通过读取相应的中断向量来判断是何种原 因引起的p u c 信号，以便作出相应的处理。系统复位( 指p o r ) 后的状态为：( 1 r s t 瑚i 管脚功能被设置为复位功能：( 2 ) 所有i o 管脚被设置为输入：( 3 ) 外围模块被初始化， 其寄存器值为相关手册上的默认值：( 4 ) 状态寄存器s r 复位：( 5 ) 看门狗激活，进入工作 模式：( 6 ) 程序计数器p c 载入o x f f f e 处的地址，微处理器从此地址开始执行程序。 本文设计的上电复位电路如图( 3 - 7 ) 所示：实行r c 电路复位，开关、上电都可以使 系统复位。上拉i o k 电阻起到保护单片机端口的作用。系统刚上电时，r e s e t n m i 端为低 电平，系统复位，随着电容充电的完成r e s e t n m i 端为高电平，复位完成。同理，当按下 开关电容放电，r e s e t n m i 端为地平，系统复位，随着电源对电容充电的完成r e s e t n m i 端为高电平，复位完成。 图3 - 6m s p 4 3 0 f 4 4 9 晶体振荡电路图3 - 7h s p 4 3 0 f 4 4 9 复位电路 3 6l c d 显示的设计 l c d 液晶显示器件作为智能仪表的信息显示界面，具有低电压、微功耗、显示清晰等 特点，如今广泛应用于低功耗型的智能仪器中，本文采用的是l s d 0 4 8 液晶。t i 公司m s p 4 3 0 单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不用的应用由 不同的模块组成，带有液晶显示器的控制驱动的m s p 4 3 0 将简化液晶显示器的显示。不同 型号的液晶驱动能力不同，本文采用的m s p 4 3 0 f 4 4 9 ，有1 2 8 段驱动能力。其液晶的驱动有 4 种方法：静态，2 m u x 或1 2 占空比、3 删x 或1 3 占空比、4 m u x 或1 4 占空比。对于不同 系列、不同型号的液晶驱动原理，控制方法都是一样的，不同点在于驱动液晶段数不一样， l o 南京信息工程大学硕士学位论文 或可显示信息的多少不一样。液晶的偏压。必须根据液晶的工作模m s p 4 3 0 进行偏压设置， 具体的操作是：s t a t i c 模式下，r 3 3 开路，r 0 3 一r 2 3 接地，2 m u x 或者3 m u x 模式下，分别在 r 3 3 、r 1 3 以及r 1 3 、r 0 3 之间接上1 0 k 的电阻；本系统选择在4 m u x 模式下，分别在r 3 3 、 r 2 3 之间，r 2 3 、r 1 3 以及r 1 3 、r 0 3 之间接上3 3 0 k 的电阻，这样就能保证c o m o - c o m 3 出来 供给液晶块的电压符合要求n 钔。 在驱动电路中，液晶可以等效为电容。两个电极分别为公共极与段极。公共极由伽o i l 信号驱动，段极由s e g n 信号驱动。由此可以得到4 种驱动方法。 ( 1 ) 静态驱动：使用一个引脚作为液晶公共端c o m o ，而每一段段极需要另一个引脚 驱动。 ( 2 ) 2 m u x 驱动：使用两个引脚作为液晶公共端c o m o 、c o m l 每两段段极需要另一引脚 驱动。 ( 3 ) 3 m u x 驱动：使用三个引脚作为液晶公共端c o m o 、c o m i 、c o m 2 ，每3 段段极需要 另一引脚驱动。 ( 4 ) 4 m u x 驱动：使用4 个引脚作为液晶公共端c o m o 、c 伽1 、c o m 2 ，每4 段段极需要 另一引脚驱动。 为了节约端口，本文采用4 m u x 驱动，这种方式也最简单。其s o s 4 ，c o m o c o m 3 分 别与m s p 4 3 0 f 4 4 9 的s 0 s 1 4 、c o m o c o m 3 相连，电路如图( 3 - 8 ) 。 3 7r s 2 3 2 串行接口电路 目前几乎所有的微控制器都提供串行接口，m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机内部集成了2 个u s a r t 模块，适合用于同其它计算机系统、以及同单片机外部扩展独立的外设芯片之间进行串行 通信。本文中我们利用m s p 4 3 0 f 4 4 9 单片机的u s a r t 接上位机，用来把采集的数据输送到监 控的电脑中。文中使用电子工业协会推荐的e i a r s - 2 3 2 c 标准，这是一种很常用的串行数 据传输总线标准。本系统采用的是标准d b - 9 接口。e i a - r s - 2 3 2 c 线路传输协议规定：逻辑 “l ”的电压为一3 v 一1 5 v ：逻辑“0 ”的电压为+ 3 y + 1 5 v ：一3 v + 3 v 之间的电压为非法信 号。而t t l 的高、低电平定义则与e i a r s 一2 3 2 c 标准完全不同，t t l 的标准逻辑“1 ”对应 2 v 一- 3 5 v 电平，标准逻辑“0 ”对应0 v - - 一0 4 v 电平。因为e i a - r s - 2 3 2 c 接口标准与t t l 接 口标准的不一样，所以为了能够实现微型计算机和单片机之间的双向通信，就必须在 e i a - r s 一2 3 2 c 接口电路与t ，r l 接口电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的 方法可以采用分立元件，也可以使用集成单芯片线路驱动器( 如m a x 3 2 3 2 c 、m c l 4 8 8 、s n 7 5 1 5 0 芯片等) ，为使线路简洁，现在一般的设计都使用集成单芯片线路驱动器实现逻辑电平和线 路电压之间的相互转换。本系统采用的是常见的电压转换芯片m a x 3 2 3 2 c ，1 它是由德州仪 器公司( t i ) 推出的一款兼容r s 2 3 2 标准的芯片。该器件包含2 驱动器、2 接收器和一个 电压发生器电路，提供t i a e i a 一2 3 2 - c 电平。该器件符合t i a e i a 一2 3 2 一c 标准，每一个接 收器将t i a e i a 2 3 2 t 电平转换成5 vt t l c m 0 s 电平。每一个发送器将t t l 硎0 s 电平转换 成t i a e i a - 2 3 2 - c 电平，姒x 3 2 3 2 c 的串口接口电路如图( 3 9 ) 所示。 南京信息工程大学硕士学位论文 图3 - 8m s p 4 3 0 f 4 4 9 与l s d 0 4 8 连接电路 图3 - 9m s p 4 3 0 f 4 4 9 的r s 2 3 2 接口电路 3 8 现场报警电路的设计 图( 3 - 1 0 ) 中，蜂鸣器工作电压为5 v ，发光二极管导通电压降稍微不同，大约在1 7 v 左右。依照图中的参数，当c p u 输出低电平时，三极管截止。当单片机输出高电平时， 三 极管工作在饱和状态，而且深度饱和，由于三极管深度饱和，集电极和射极之间的电压接 近于零，蜂鸣器两端电压近似为5 v ，蜂鸣器可以正常工作。同理，三极管工作在饱和状态， 发光二极管电压降近似为l7 v ，流过的电流约为l o m a ，这正是发光二极管的工作电流，所 以发光二极管可以正常工作。图中1 k 电阻是为了防止电流过大烧坏单片机的端口，起到端 口保护的作用。当控制现场的甲烷浓度超出正常范围时候，通过m s p 4 3 0 f 4 4 9 的i o 端口 p 1 o 、p l - 2 的输出高电平，启动声光报警，发出警报，提醒人员注意安全。 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 3 9e e p r o m 接口电路 本系统所采用的e e p r o m 为a t e e l 公司的2 4 l c 0 1 芯片，其具有以下特点： ( 1 ) 与4 0 0 k h z1 2 c 总线兼容： ( 2 ) 1 8 到6 o 伏工作电压范围； ( 3 ) 低功耗c m o s 技术； ( 4 ) 写保护功能当w p 为高电平时进入写保护状态； ( 5 ) 页写缓冲器； ( 6 ) 自定时擦写周期； ( 7 ) 1 ，0 0 0 ，0 0 0 编程擦除周期： ( 8 ) 可保存数据1 0 0 年； ( 9 ) 8 脚d i ps o i c 或t s s o p 封装： ( 1 0 ) 温度范围商业级工业级和汽车级。 该芯片使用1 2 c 总线协议进行读写。1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) n 铂总线是p h iii p s 公司开发的一种用于内部i c 控制的简单的双向两线串行总线。由于接口直接接在组件之 上，因此1 2 c 总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互 联成本。总线的长度可高达2 5 英尺，并且能够以l o o k b i t s 的最大传输速率支持4 0 个组 件。1 2 c 总线的另一个优点是支持多主控( m u l t i m a s t e r i n g ) ，其中任何能够进行发送和接收 的设备都可以成为主控设备，在任何时间点上只能有一个主控设备。 1 2 c 总线是一个十分完善的多主系统总线，总线上可以挂接多个m c u ，因此有4 种工作 方式，即主发送、主接收、从发送、从接收。但实际的1 2 c 总线应用系统绝大多数都是单 主系统，只用到1 2 c 总线的主方式，即主发送与从接收。 因为m s p 4 3 0 f 4 4 9 没有集成1 2 c 总线接口。所以系统采用i 0 端口p 4 6 ，p 4 7 分别控 制s c l ，s d a 。其硬件电路连接如图n 刚( 3 - 1 1 ) 所示。2 4 l c 0 1 芯片管脚描述 ( 1 ) s c l ：串行时钟，串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接收的时钟这 是一个输入管脚。 ( 2 ) s d a ：串行数据地址，2 4 l c 0 1 双向串行数据地址管脚用于器件所有数据的发送 或接收s d a 是一个开漏输出管脚可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线。 ( 3 ) a o 、a i 、a 2 - 器件地址输入端，这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址当 这些脚悬空时默认值为0 。当使用2 4 l c 0 1 时只连接1 个器件所有地址管脚a o 、a 1 、a 2 都 未用管脚可以连接到v s s 或悬空。 ( 4 ) w p ：写保护，如果w p 管脚连接到v c c 所有的内容都被写保护只能读当w p