基于單片機的室內(nèi)甲醛檢測系統(tǒng)設(shè)計——畢業(yè)論文

1、<p>　　西 南 交 通 大 學(xué)</p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　基于單片機的室內(nèi)甲醛檢測系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　如今，隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們在不斷追求高生活質(zhì)量的同時，也開始越發(fā)地關(guān)注個人健康與環(huán)境衛(wèi)生。而如今人們最關(guān)注和

2、擔(dān)心的是無處不在的空氣污染，尤其是從新家具中的粘合劑、油漆等涂料中揮發(fā)出來的致癌物質(zhì)—甲醛。因此本課題將重點放在設(shè)計制作一種簡易、精確、易用、低成本的室內(nèi)甲醛檢測系統(tǒng)。</p><p>　　本文的設(shè)計以單片機為核心，搭配傳感器、液晶屏等外圍模塊，在程序的控制之下，實現(xiàn)對空氣中甲醛濃度的精確定量檢測并在液晶屏上顯示，同時可將檢測結(jié)果通過無線的方式發(fā)送至用戶手機軟件中方便遠(yuǎn)程查看，此外，可通過手機軟件對單片機的顯示內(nèi)

3、容以及液晶顯示屏的開關(guān)進行遠(yuǎn)程控制。本文主要的研究重點在于甲醛檢測系統(tǒng)的綜合實現(xiàn)方式，以及如何在空氣甲醛檢測精度、檢測效率及易用性、系統(tǒng)成本開銷三者之間進行權(quán)衡。</p><p>　　論文首先簡要介紹了當(dāng)今市面上的室內(nèi)甲醛檢測系統(tǒng)的分類、工作原理，以及每一種甲醛檢測系統(tǒng)的優(yōu)缺點，然后對系統(tǒng)整體設(shè)計的需求進行分析，從檢測精度、檢測效率及易用性、系統(tǒng)成本開銷等方面，對檢測系統(tǒng)的主要器件進行選型。之后介紹了使用Alti

4、um Designer 17軟件對整體硬件電路部分的設(shè)計細(xì)節(jié)，在此基礎(chǔ)上，對單片機的整體程序設(shè)計結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)方式以及流程進行闡述，并細(xì)致介紹每一個模塊的實現(xiàn)原理。</p><p>　　經(jīng)過軟、硬件綜合運行的功能驗證測試，本系統(tǒng)實現(xiàn)了通過液晶屏和手機遠(yuǎn)程監(jiān)測方式的室內(nèi)空氣甲醛檢測功能 ，并實現(xiàn)了通過手機藍(lán)牙對檢測系統(tǒng)液晶屏的開啟與關(guān)閉、液晶屏顯示內(nèi)容的控制等功能，滿足系統(tǒng)總體低功耗的要求。</p>&l

5、t;p>　　關(guān)鍵詞：甲醛檢測；MSP430單片機；低功耗藍(lán)牙；手機端應(yīng)用程序</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Nowadays, with the rapid development of the national economy, people are striving to improve their quality

6、 of life, and they also begin to pay more attention to personal health and sanitation. And now what people are most concerned about is the air pollution, especially those formaldehydes distributed from new furniture and

7、paints. Therefore, this thesis will focus on the design of a simple, accurate, easy to use, low-cost indoor formaldehyde detection system.</p><p>　　In this thesis, the design is based on the microcontroller,

8、 with sensors, LCD and other peripheral modules. Under the control of the software, the concentration of formaldehyde in the air can be accurately measured and displayed on the LCD screen, while the test results can be w

9、irelessly sent to the application on a user's mobile phone for remote viewing. In addition, the application on a mobile phone can control the content displayed on the LCD screen and even turn off the LCD screen remot

10、ely. </p><p>　　In this thesis, the classification and working principle of indoor formaldehyde detection system, and the advantages and disadvantages of each formaldehyde detection system are briefly introdu

11、ced. Then, the requirements of the whole system to be designed are analyzed. After considering the detection accuracy, detection efficiency, ease of use, the cost and so on, the models of these main modules are determine

12、d. After that, the thesis comes to the introduction of Altium Designer 17 software and t</p><p>　　After the hardware and software running through the functional verification test, this system implements all

13、the functions mentioned above, and achieved the control of the LCD screen on and off and the content displayed on LCD through the mobile phone Bluetooth, which meet the overall system requirements of low power consumptio

14、n.</p><p>　　Keywords: formaldehyde detection; MSP430; BLE Bluetooth; mobile application; </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒 論1</b></p><p>　

15、　1.1背景與意義1</p><p>　　1.1.1 甲醛的危害及主要來源1</p><p>　　1.1.2 課題研究的意義1</p><p>　　1.2現(xiàn)有檢測空氣中甲醛的方法2</p><p>　　1.2.1 氧化物氣體傳感器2</p><p>　　1.2.2 聲表面波氣敏傳感器2</p>

16、<p>　　1.2.3 氣體電子鼻3</p><p>　　1.2.4 電化學(xué)傳感器3</p><p>　　1.3市面上幾種甲醛檢測儀的現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4論文章節(jié)安排4</p><p>　　第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計及硬件選型6</p><p>　　2.1系統(tǒng)需求分析6</p>

17、;<p>　　2.2系統(tǒng)整體設(shè)計方案6</p><p>　　2.3單片機選型8</p><p>　　2.3.1 80C51單片機8</p><p>　　2.3.2 STM32系列單片機8</p><p>　　2.3.3 MSP430系列單片機9</p><p>　　2.4甲醛傳感器原理及選擇1

18、2</p><p>　　2.4.1 DART甲醛傳感器12</p><p>　　2.4.2 ZE0-CH2O甲醛傳感器14</p><p>　　2.5本章小結(jié)16</p><p>　　第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計及制作17</p><p>　　3.1 MSP430G2553單片機17</p><p

19、>　　3.1.1 MSP430G2系列單片機簡介17</p><p>　　3.1.2 MSP430G2553 單片機的最小系統(tǒng)20</p><p>　　3.2 12864 LCD顯示電路25</p><p>　　3.3 ZE08-CH2O甲醛檢測模塊電路28</p><p>　　3.4 DHT11溫濕度傳感器電路29</

20、p><p>　　3.5 BLE4.0藍(lán)牙模塊電路31</p><p>　　3.6本章小結(jié)33</p><p>　　第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計34</p><p>　　4.1軟件開發(fā)環(huán)境34</p><p>　　4.2軟件系統(tǒng)總體設(shè)計34</p><p>　　4.3 系統(tǒng)初始化35</p&

21、gt;<p>　　4.3.1時鐘初始化36</p><p>　　4.3.2 UART初始化36</p><p>　　4.3.3 定時器初始化37</p><p>　　4.3.4 ADC初始化38</p><p>　　4.3.5 12864 LCD初始化38</p><p>　　4.4統(tǒng)一精確延時

22、函數(shù)39</p><p>　　4.5 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換40</p><p>　　4.6藍(lán)牙通信程序41</p><p>　　4.7手機端應(yīng)用程序43</p><p>　　4.7.1 藍(lán)牙設(shè)備搜索44</p><p>　　4.7.2 藍(lán)牙設(shè)備連接45</p><p>　　4.7.3 數(shù)據(jù)

23、傳輸及處理45</p><p>　　4.7.4 交互界面布局45</p><p>　　4.8本章小結(jié)46</p><p>　　第5章 裝配及測試47</p><p>　　5.1甲醛檢測儀的制作及裝配47</p><p>　　5.2測試方式及目標(biāo)48</p><p>　　5.3測試結(jié)果

24、48</p><p>　　5.4本章小結(jié)51</p><p><b>　　結(jié) 論52</b></p><p><b>　　致 謝54</b></p><p><b>　　參考文獻55</b></p><p>　　附錄1 PCB原理圖56<

25、;/p><p>　　附錄2 PCB設(shè)計圖57</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1背景與意義</b></p><p>　　如今，室外各種空氣污染的問題越來越成為人們關(guān)注的對象和焦點。然而隨著國家的飛速發(fā)展，建設(shè)制造業(yè)的規(guī)模不斷擴大，以及化學(xué)工業(yè)技術(shù)的不

26、斷進步，室內(nèi)各種家具、涂料中殘留的化學(xué)物質(zhì)對室內(nèi)空氣的污染情況也十分嚴(yán)峻，尤其是那些無色無味、我們難以感知的潛在氣態(tài)化學(xué)物質(zhì)對人類的健康造成了巨大的威脅[1,2]。甲醛，作為室內(nèi)空氣污染的主要污染源之一，也越發(fā)地收到人們的重視。因此本課題將致力于追求室內(nèi)甲醛檢測設(shè)備的高精確性、低成本、小型化、低功耗化、智能化，盡可能地加大其實用價值。</p><p>　　1.1.1 甲醛的危害及主要來源</p>&

27、lt;p>　　甲醛，常溫下是一種具有刺激氣味的無色氣體，也是一種潛在的致癌物質(zhì)，對人體健康有巨大的危害，許多疾病的誘發(fā)都與甲醛有關(guān)，如哮喘，白血病等。甲醛對健康危害出要有以下方面：刺激作用、致敏作用以及致突變作用。當(dāng)室內(nèi)空氣中甲醛含量為0.1mg/m3時，就有異味和不適感。達到0.5mg/m3時，就會使得眼睛刺激，引起流淚[3]，甲醛對人體健康的危害不容忽視。</p><p>　　目前，中華人民共和國國家標(biāo)

28、準(zhǔn)《居室空氣中甲醛的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定：居室空氣中甲醛的最高容許濃度為0.08毫克/立方米（0.08mg/m3）[4]。檢測方法：分光光度計化學(xué)分析法，在現(xiàn)場進行空氣采樣，然后在實驗室進行分析。其特點是數(shù)值準(zhǔn)確、抗干擾性強，是目前國家室內(nèi)空氣甲醛的唯一標(biāo)準(zhǔn)檢測方法。</p><p>　　當(dāng)前我們每個人家庭中的甲醛污染源主要來源于四個方面：一方面，甲醛是用來制作室內(nèi)裝飾的膠合板等人造板材的原料。因為甲醛具有較強的

29、黏合性，還同時具有強化板材的硬度，以及防止蛀蟲、防止腐蝕的能力，所以目前我國在生產(chǎn)各種人造板材所使用的粘合劑是以甲醛為主要成分的樹脂；第二方面，甲醛可殘留于各種人造板制造的家具；第三方面是含有甲醛成分的其他各類裝飾材料，如白乳膠、泡沫塑料、油漆和涂料等。尤其要注意的是，乳膠粘合劑在裝飾裝修中被廣泛應(yīng)用于木器工程和墻面處理方面，特別是封閉在墻面的乳膠中的甲醛很難清除；四是室內(nèi)裝飾紡織品、包括床上用品、墻布、墻紙、化纖地毯、窗簾和布藝家具。

30、在紡織生產(chǎn)中，為了增加抗皺性能、防水性能、防火性能，常加入一些含有甲醛助劑[5]。</p><p>　　1.1.2 課題研究的意義</p><p>　　在我們平日的生活里，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法雖然準(zhǔn)確，但很難滿足日常甲醛檢測便利性、時效性。傳統(tǒng)的甲醛檢測設(shè)備不僅體積過于龐大，操作過于繁瑣，對檢測人員專業(yè)度要求較高，而且整體檢測成本非常高，因此并不能使得甲醛檢測設(shè)備在普通百姓家庭中得以普及應(yīng)用

31、。正是因為如此，人們需要一種既能滿足結(jié)果相對準(zhǔn)確，又能確保檢測過程的快速簡潔，同時竟可能地做到檢測設(shè)備壽命長久、低功耗、微型化，以滿足對檢測設(shè)備的隱蔽性、便攜性的實用性需求。</p><p>　　1.2現(xiàn)有檢測空氣中甲醛的方法</p><p>　　在眾多檢測空氣中甲醛含量的方法中，傳統(tǒng)的方法主要是化學(xué)方法。也就是通過將空氣中采樣獲得的氣體樣本與某種化學(xué)物質(zhì)進行反應(yīng)，由反應(yīng)結(jié)果來測得樣本中甲

32、醛含量，最后通過計算得出空氣中甲醛濃度。例如乙酰丙酮分光光度法、氣相色譜法、電化學(xué)傳感器法等等[1]。這些傳統(tǒng)的方法操作繁瑣，分析時間長且測量精度低，因此傳統(tǒng)的甲醛化學(xué)測量方式并不適合應(yīng)用于普通用戶居家使用。</p><p>　　然而近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，市面上半導(dǎo)體傳感器的種類變得越來越豐富，同時測量的精度也越來越高。其體積小、測量效率高、對操作人員專業(yè)度要求低、檢測精度相比傳統(tǒng)化學(xué)檢測方法有過之而

33、不及的種種優(yōu)點，使得各類半導(dǎo)體傳感器在市面上擁有了廣闊的發(fā)展前景。在甲醛檢測傳感器方面，主要有氧化物氣體傳感器、電化學(xué)傳感器、甲醛聲表面波氣體傳感器、甲醛氣體電子鼻等[5]。</p><p>　　1.2.1 氧化物氣體傳感器</p><p>　　氧化物氣體傳感器，是一種利用金屬氧化物氣敏元件作為敏感元件的氣體傳感器。 其工作原理是利用被測氣體的吸附作用，從而改變半導(dǎo)體氣敏元件的電導(dǎo)率，從而

34、改變通過傳感器半導(dǎo)體元件的電流大小[7]。由于氧化物氣體傳感器測量時收周邊環(huán)境影響較大，例如環(huán)境的溫度、濕度等參數(shù)變化都會導(dǎo)致其檢測結(jié)果的輸出不穩(wěn)定，因此難以對檢測結(jié)果進行精確量化。然而正是因為其反應(yīng)十分靈敏的原因，氧化物氣體傳感器被廣泛應(yīng)用在檢測氣體微小泄漏的裝置上。</p><p>　　1.2.2 聲表面波氣敏傳感器</p><p>　　聲表面波氣敏傳感器較為復(fù)雜，其由壓電材料、叉指換

35、能器以及振蕩電路構(gòu)成。由于聲表面波器件的波速和頻率會隨著周圍環(huán)境變化而改變，聲表面波氣敏傳感器利用了這一特性，在壓電晶體表面涂覆了一層具有氣體選擇特性的吸附薄膜。當(dāng)薄膜與對應(yīng)氣體相互作用時，薄膜的導(dǎo)電率發(fā)生變化，從而引起聲表面波的頻率偏移。通過測量聲表面波頻率變化即可精確得到對應(yīng)檢測氣體濃度的變化[8]。</p><p>　　與其他種類的傳感器相比起來，聲表面波傳感器具有成本低，精度、分辨率高，抗干擾能力強的特點

36、。由于其輸出信號為頻率參量，方便與計算機接口組成處理系統(tǒng)。傳感器采用集成電路平面工藝，使得其體積與重量得以大大的減小。</p><p>　　1.2.3 氣體電子鼻</p><p>　　氣體電子鼻是通過模擬動物嗅覺器官的一種新型傳感器，它是一種利用氣體傳感器陣列的綜合響應(yīng)圖來識別出氣體的電子系統(tǒng)。氣體電子鼻主要由氣體取樣操作器、氣體傳感器陣列以及信號處理系統(tǒng)組成，其工作原理是通過在陣列中每個

37、傳感器對被測氣體都有不同的靈敏度，從而使陣列對被測氣體產(chǎn)生響應(yīng)圖案。通過對響應(yīng)圖案的分析，得出被測氣體的氣味與濃度。氣體電子鼻的引用范圍十分廣泛，例如環(huán)境監(jiān)測、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測、爆炸物檢查等。</p><p>　　1.2.4 電化學(xué)傳感器</p><p>　　電化學(xué)傳感器是一種通過被測氣體與電極上的氣體對應(yīng)反應(yīng)物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生流經(jīng)外部線路的電流的傳感器。其構(gòu)造通常為二到三個與電解

38、液接觸的電極，電極以及電解液與周圍空氣相接處，儲存在有氣體通孔的塑料盒內(nèi)。電化學(xué)傳感器的特點在于其生成的測量信號極為微小，幾乎無法直接對其進行處理，須先進行信號放大和其他信號加工。電化學(xué)傳感器輸出電流信號與被測氣體濃度的線性關(guān)系較好，靈敏度也十分高，且成本低因此十分經(jīng)濟。但因為電化學(xué)傳感器是通過氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的微電流信號來判斷被測氣體濃度，在檢測過程中可能會受到其他種類的帶有氧化性質(zhì)氣體的干擾[9]，因此可在氣體通孔附近使用化學(xué)過濾消

39、除其他干擾氣體。</p><p>　　由于電化學(xué)傳感器是一種通過化學(xué)反應(yīng)生成檢測信號的傳感器，其壽命是非常有限的。在目標(biāo)氣體中暴露時間越長，其壽命越短。一般電化學(xué)傳感器的有效壽命為一到三年，因此需要定期的維護以及校準(zhǔn)。</p><p>　　1.3市面上幾種甲醛檢測儀的現(xiàn)狀</p><p>　　目前，我國國內(nèi)市面上甲醛檢測儀種類繁多，質(zhì)量層次不齊，價格從一百多元至上千

40、元不等。雖然檢測空氣中甲醛含量的方式有很多種，但基本上大多儀器的傳感器模塊還是基于電化學(xué)傳感器。表格1是對市面上銷售的多種甲醛檢測儀的參數(shù)進行比較分析[5]。</p><p>　　表1-1 市面甲醛檢測儀</p><p><b>　　1.4論文章節(jié)安排</b></p><p>　　本課題將重點放在設(shè)計并實現(xiàn)對室內(nèi)空氣中甲醛氣體含量的檢測，目標(biāo)群

41、體為普通用戶，設(shè)計出一款小巧、易用、精確、高效、低能耗的甲醛檢測設(shè)備，并通過液晶顯示模塊將檢測到的數(shù)值顯示出。當(dāng)甲醛濃度超過國家標(biāo)準(zhǔn)時通過報警模塊對用戶進行告警。為滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控測量的需要，通過藍(lán)牙BLE模塊將甲醛檢測數(shù)值上傳到手機應(yīng)用程序中查看。同時在滿足盡可能多的功能，盡可能高的精確度前提條件下，降低成本，論文共分為以下五章。</p><p>　　本文的第一章節(jié)為緒論，這一章簡要分析介紹當(dāng)今市面上的室內(nèi)甲醛檢測

42、系統(tǒng)的分類、工作原理，以及每一種甲醛檢測系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較，并對正文每一章節(jié)內(nèi)容進行簡要的概述。</p><p>　　在第二章節(jié)中，本文從檢測精度、檢測效率及易用性、系統(tǒng)成本開銷這三個方面，對設(shè)計的檢測系統(tǒng)的單片機、傳感器、外圍器件等各類硬件選型進行分析。</p><p>　　在第三章中，本文介紹了通過Altium Designer 17軟件對整體硬件電路部分的設(shè)計以及制作，并包含了整個PC

43、B制作的流程，尤其著重稱述對各類具體元器件的選型進行分析。</p><p>　　第四章中，本文對單片機的整體程序設(shè)計結(jié)構(gòu)、理念，以及實現(xiàn)方式進行稱述，并細(xì)致介紹每一個模塊的實現(xiàn)原理。在這一章節(jié)中，展示了本檢測系統(tǒng)總體的低功耗的實現(xiàn)原理。</p><p>　　第五章則給出了最終軟、硬件綜合運行的實際效果，并與專業(yè)檢測設(shè)備的檢測結(jié)果進行比對。最后分析調(diào)試期間所遇到的問題。</p>

44、<p>　　第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計及硬件選型</p><p>　　對于一個系統(tǒng)來說，選的硬件能滿足設(shè)計需求，并且應(yīng)用合適，則事半功倍。若硬件與硬件之間搭配不協(xié)調(diào)，則會影響到整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致部分功能的缺失。因此本章節(jié)將對系統(tǒng)的整體功能需求進行分析，并根據(jù)其具體的需求，確定系統(tǒng)的整體設(shè)計框架，且對主要硬件部分進行選型。</p><p><b>　　2.1系統(tǒng)需求

45、分析</b></p><p>　　本系統(tǒng)主要需要實現(xiàn)的功能是：甲醛傳感器檢測當(dāng)前室內(nèi)空氣甲醛氣體濃度，將檢測的數(shù)據(jù)輸出至單片機。由溫度濕度檢測模塊將周圍環(huán)境的溫濕度值，并將其回傳至單片機的I/O引腳。單片機將得到的甲醛濃度、溫度、濕度值顯示在LCD液晶屏上不斷更新，同時將數(shù)值通過低功耗BLE藍(lán)牙上傳至手機應(yīng)用程序中。當(dāng)室內(nèi)空氣中甲醛濃度值超過國家標(biāo)準(zhǔn)，即超過0.08毫克每立方米時，以閃爍紅色LED指示

46、燈進行報警。同時需要實現(xiàn)手機端應(yīng)用程序?qū)z測系統(tǒng)的顯示界面翻頁控制功能，并在不需要使用液晶顯示器的時候控制其關(guān)閉以減小電能損耗，使得整體系統(tǒng)在電池供電的使用場景下能達到連續(xù)數(shù)十天的續(xù)航水平。</p><p>　　為了實現(xiàn)以上的功能需求，甲醛濃度檢測系統(tǒng)需要甲醛電化學(xué)傳感器、溫度濕度傳感器、單片機、藍(lán)牙通信模塊、穩(wěn)壓電源等模塊。對于甲醛電化學(xué)傳感器、溫度濕度傳感器的要求有體積小、穩(wěn)定性及測量精度高、功耗低的要求；對

47、單片機的要求有封裝尺寸小、性能及外設(shè)配置夠用以及超低的功耗；對藍(lán)牙通信模塊的要求具有信號強度高、支持低功耗睡眠模式，以及全雙工雙向通信的能力；對電源要求其能提供穩(wěn)定的電壓供應(yīng)，具有盡可能小的電壓波動，能濾除數(shù)字電路的高頻噪聲，以及盡可能低的電力轉(zhuǎn)換損耗。</p><p>　　2.2系統(tǒng)整體設(shè)計方案</p><p>　　整體的硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2-1所示。</p><p

48、>　　圖2-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　從上框圖可見，本硬件系統(tǒng)設(shè)計采用了以單片機為核心的方案，分為甲醛傳感器、溫度濕度傳感器、液晶顯示及告警模塊、藍(lán)牙通信模塊以及單片機，五大部分分別設(shè)計。其中甲醛傳感器模塊作用在通過電化學(xué)方式將甲醛濃度轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過電路對信號的放大、濾波處理后輸入到單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中采集轉(zhuǎn)換為濃度真值。溫度濕度傳感器模塊則是通過容性空氣溫度和濕度傳感器對環(huán)境的溫度和

49、濕度進行檢測，并通過單總線雙向以問答模式的工作方式與單片機通信。液晶屏及告警模塊負(fù)責(zé)將檢測的各項數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，同時當(dāng)甲醛濃度值超標(biāo)時通過點亮紅色LED發(fā)光二極管進行告警。藍(lán)牙通信模塊實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)與手機端應(yīng)用程序之間的交互功能，系統(tǒng)采用一顆以德州儀器CC2540為核心的BLE低功耗藍(lán)牙模塊，經(jīng)由UART通用異步收發(fā)傳輸器與單片機雙向通信，使得手機端應(yīng)用程序能夠遠(yuǎn)程獲得檢測系統(tǒng)上傳的甲醛濃度數(shù)據(jù)，并能夠在手機應(yīng)用程序中發(fā)送指令，控制

50、甲醛檢測系統(tǒng)液晶屏等模塊的開啟與關(guān)閉，從而盡可能地追求低功耗的設(shè)計目標(biāo)。</p><p>　　由于系統(tǒng)中的各類傳感器為模擬信號設(shè)備，單片機、LCD液晶屏和通信電路為數(shù)字信號，為了盡可能減小數(shù)字電路的噪聲對傳感器模擬信號的干擾，電源電路部分的合理設(shè)計是十分重要的。</p><p>　　手機端應(yīng)用程序設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 手機端應(yīng)用

51、程序結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　在手機端應(yīng)用程序的設(shè)計上主要分為四個界面，分別為藍(lán)牙設(shè)備搜索界面、功能選擇界面、設(shè)置界面以及操作交互界面。其中藍(lán)牙設(shè)備搜索界面實現(xiàn)將周圍所有可搜索到的BLE協(xié)議設(shè)備的名稱、信號強度等信息在一個列表中顯示，并不斷刷新。功能選擇界面中顯示了已連接的甲醛檢測系統(tǒng)的所有功能項目，例如數(shù)值顯示、繪制圖表、遠(yuǎn)程控制等。設(shè)置界面則實現(xiàn)了對不同藍(lán)牙模塊的UUID等信息的修改，使得該應(yīng)用程序能支持

52、更多的BLE低功耗藍(lán)牙模塊。操作交互界面則實現(xiàn)了將接收到的甲醛濃度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，并可通過界面上的功能按鍵對甲醛檢測儀各模塊的開關(guān)、液晶屏翻頁等功能進行遠(yuǎn)程控制。</p><p><b>　　2.3單片機選型</b></p><p>　　室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測系統(tǒng)，作為一個完整的系統(tǒng)，可能需要用到模數(shù)轉(zhuǎn)換對傳感器回傳的信號進行數(shù)字化處理，為了在液晶屏模組上顯示檢測結(jié)果

53、，可能需要用到相應(yīng)的串行通訊。與藍(lán)牙BLE模塊之間的通信，又需要系統(tǒng)的核心元件對UART通用異步收發(fā)進行支持。要支持如此豐富的外設(shè)功能，F(xiàn)PGA核心芯片硬件設(shè)計并沒有提供足夠的支持，雖然能通過IO端口進行UART模擬，也可以通過外接獨立ADC模塊進行傳感器信號的預(yù)處理以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，但要其實現(xiàn)起來，時間、人力、物料成本的開銷并不經(jīng)濟。因此，單片機，一種采用了超大規(guī)模集成電路，將具備數(shù)據(jù)計算能力的中央處理器、隨機存儲器、閃存、中斷系統(tǒng)、定時

54、器、模數(shù)-數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊集成到一塊小小的芯片上的微系統(tǒng)，滿足了本課題室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測系統(tǒng)的絕大多數(shù)功能需要的同時，在物料開銷、開發(fā)時間的開銷上十分經(jīng)濟。</p><p>　　2.3.1 80C51單片機</p><p>　　51單片機的大名相信很多人在很久以前就有所耳聞。其最早是由大名鼎鼎的Intel公司開發(fā)的MCS-51，基于早前的8048的架構(gòu)進行改進，增加了例如乘、除、減、比較等運

55、算指令，以及串行通信的能力[9]。80C51采用DIP40 雙列直插式四十引腳封裝，配置為8位CPU，4KB的ROM，128B的RAM，32條I/O端口，1個全雙工串行通訊口。工作電壓5V，片內(nèi)時鐘電路最佳振蕩頻率為6MHz-12MHz。后續(xù)改進幸好有8031、8051和8071等產(chǎn)品。MCS-51典型工作功耗約630mW，約為89C51的五倍，51單片機的生產(chǎn)商也不僅僅只有Intel，Atmel的AT89C51、AT89S51同樣屬于

56、51單片機，所有教科書、教程以及程序在這些不同的51單片機上都可以使用，向下兼容。</p><p>　　對于本課題要求而言，51系列單片機性能足夠，外設(shè)也足夠豐富，但是由于51系列單片機年代較為久遠(yuǎn)，制作工藝較為落后，造成其封裝體積過大，需要占用大面積電路板有效面積，不利于室內(nèi)空氣甲醛檢測系統(tǒng)的微型化，同時其5V供電以及其較大的典型工作功耗，不利于整個系統(tǒng)的低功耗的目標(biāo)。</p><p>

57、　　2.3.2 STM32系列單片機</p><p>　　STM32系列單片機是一種新新單片機家族，其定位是專門與高性能、低成本、低功耗的ARM架構(gòu)單片機，使用ARM Cortex-M3內(nèi)核。其基本型時鐘頻率為36MHz，增強型系列的時鐘頻率達到了72MHz，在同類型產(chǎn)品中性能表現(xiàn)都是最高的[7]。STM32系列單片機以16位單片機的價格成本實現(xiàn)了32位單片機的性能，性價比極高。從功耗上來看，其72MHz時鐘頻率

58、工作狀態(tài)下，典型工作電流約為36mA，也是當(dāng)今市場上單位頻率功耗最低的32位產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz。</p><p>　　以其代表型號STM32F5來舉例，得益于ARM公司的高性能以及高能耗比的Cortex-M3內(nèi)核，其單位頻率計算能力達到1.25DMips/MHz，相比于上一代的ARM7TDMI內(nèi)核僅0.95DMips/MHz的單位頻率計算能力有著大幅度提升，從而進一步地提升了內(nèi)核的能耗比。除此之外ST

59、M32F5還擁有著一流的外設(shè)，其擁有雙12位ADC，速率高達4Mbps的全雙工UART，18Mbps的SPI，以及18MHz的I/O翻轉(zhuǎn)速度。</p><p>　　從各項性能指標(biāo)來看，STM32系列單片機毋庸置疑是一款十分出色的單片機。無論是其強大的運算性能還是豐富的片上外設(shè)，如今都沒有什么系列的低功耗單片機能與之相比。但對于滿足本課題室內(nèi)空氣甲醛檢測系統(tǒng)而言，STM32的性能過于強大，片上外設(shè)更是過于豐富。若采

60、用STM32來實現(xiàn)本課題的目標(biāo)，就會導(dǎo)致大量片上外設(shè)空閑，造成不必要的浪費。同時由于STM32強大的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，其工作功耗相比改進型51單片機，以及下文將介紹的MSP430系列相比都要高很多。因此STM32系列單片機對于本課題的室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測系統(tǒng)來說并不是一個十分合適的選擇。</p><p>　　2.3.3 MSP430系列單片機</p><p>　　MSP

61、430系列單片機是由美國德州儀器公司，于1996年投入市場的一種16位、超低功耗、精簡指令集（RISC）的混合信號處理器[21]。之所以稱之為混合信號處理器，是因為MSP430將多個不同的模擬、數(shù)字電路模塊，以及處理器集成在同一個芯片上，是一款名副其實的“單片機”。這一系列的單片機得益于其高集成度以及超低的工作能耗，多應(yīng)用于使用電池供電的手持式儀表中。</p><p>　　MSP430系列單片機作為一款16位單片

62、機，采用精簡指令集，且具有十分豐富的尋址方式，因而其能實現(xiàn)七種源操作數(shù)尋址以及四種目的操作數(shù)尋址。除此之外，其簡潔的27條內(nèi)核指令以及眾多種類的模擬指令、高效率的查表處理指令等等因素，使其可編譯出高效率的源程序。</p><p>　　MSP430系列單片機相比其他系列家族的單片機最大的特點，也是其最大的優(yōu)點，就是其具有超低的功耗，因而MSP430在電池供電的應(yīng)用中十分的受歡迎。MSP430可以通過限制電池流耗從而

63、有效地延長具體應(yīng)用中電池的使用壽命。在如今鋰離子、鋰聚合物等電池技術(shù)發(fā)展緩慢的背景下，如何降低整體系統(tǒng)功耗來使得系統(tǒng)達到最佳電池使用壽命，越來越成為人們關(guān)注的對象。</p><p>　　MSP430實現(xiàn)如此低的功耗有著多方面的原因，一方面MSP430的硬件制造采用了低功耗低漏電工藝，另一方面MSP430將低功耗模式（Low Power Mode）擴展為7種，以分別對應(yīng)滿足不同任務(wù)、不同場合的低功耗應(yīng)用需求[18]

64、。在外圍設(shè)備上，MSP430集成了ADC、電源管理、時鐘管理等功能，使得在應(yīng)用時無需添加額外的外部設(shè)備。無論是硬件還是軟件上，低功耗都明確成為了MSP430的設(shè)計目標(biāo)。</p><p>　　由圖2-3可見，MSP430具有寬泛的工作電壓。隨著要求工作頻率的不同，MSP430的工作電壓可在1.8V至3.6V之間選擇，這為如今許多通過電池供電的應(yīng)用提供了極大的方便，這使得其使用方式可簡單到直接將MSP430連接至電池

65、供電。例如我們可以直接使用兩節(jié)1.5V的堿性紐扣電池為MSP430供電，3V的電壓就可以使得MSP430在幾乎所有的工作頻率下穩(wěn)定運行。</p><p>　　圖2-3 MSP430頻率與電壓需求關(guān)系</p><p>　　我們再來看在不同工作頻率下，MSP430工作電壓與流耗之間的關(guān)系。由圖2-4可見，在同一個工作頻率下，工作電壓越高，會導(dǎo)致其流耗增大。這說明為了達到整體系統(tǒng)低功耗的目的，在

66、滿足MSP430工作頻率所對應(yīng)的最低電壓情況下，可以竟可能的降低工作電壓，從而降低單片機的電流損耗。</p><p>　　很多人可能不在意這一點點的電流損耗，在這里舉個例子。若MSP430在3.3V的電壓下以1MHz的頻率運行，查表得其工作電流約為390uA。但由圖2-3以及圖2-4可知，若無需對編程閃存進行操作，MSP430在1MHz工作頻率下的工作電壓可以為1.8V至3.6V之間任意數(shù)值。若將電壓從3.3V下

67、調(diào)至2.2V，電流損耗就會下降到270uA，相比之前3.3V工作電壓下的電流損耗減少了超過30%，可見這會對整體功耗起到多么巨大的影響。</p><p>　　圖2-4 MSP430電壓與流耗關(guān)系</p><p>　　MSP430的極限性能與最近發(fā)展勢頭較猛的Cortex-M系列內(nèi)核相比的確遜色一些。然而在低功耗的控制方面，MSP430系列的那片機為實現(xiàn)盡可能低的功耗，提供了豐富詳細(xì)的解決方

68、案，其優(yōu)勢依舊是無可匹敵的。 在如今的單片機領(lǐng)域，大家都在朝著32位、高性能、低功耗發(fā)展，原先的16位單片機變得越發(fā)冷清，但是任何一款單片機都有其獨特的生存空間。在微控制應(yīng)用上，有的簡單指令在16位單片機上運行就只需要一個指令周期，而放到32位單片機上，由于引入了流水線處理，在處理短指令時反而需要兩三個周期才能實現(xiàn)，這使得32位單片機盡管速度更快了，但是有的時候運行效率反而沒有早前的16位單片機高。</p><p&g

69、t;　　綜合考慮本課題室內(nèi)空氣甲醛檢測系統(tǒng)的需要，滿足外部數(shù)個甲醛、其他傳感器的數(shù)據(jù)采集，以及通過LCD液晶模塊顯示，通過UART與BLE低功耗藍(lán)牙模塊通信以滿足手機端的數(shù)據(jù)接收和遠(yuǎn)程控制功能，同時滿足超低功耗、低成本，以及封裝尺寸小巧，引腳端口數(shù)量夠用，MSP430G2系列單片機最為滿足本課題的應(yīng)用需求?；趯ο到y(tǒng)整體代碼量的預(yù)計，以及對端口、引腳數(shù)量需求的規(guī)劃，本系統(tǒng)的核心芯片最終確定為MSP430G2553，其具體參數(shù)見表2-1，

70、封裝圖見圖2-5。</p><p>　　圖2-5 G2553芯片封裝</p><p>　　表2-1 G2553詳細(xì)參數(shù)</p><p>　　2.4甲醛傳感器原理及選擇</p><p>　　上文緒論中例舉了數(shù)種檢測空氣中甲醛濃度的方法，這些方法各有各的優(yōu)缺點。采用傳統(tǒng)化學(xué)甲醛檢測方法的檢測精度雖然較為準(zhǔn)確，但其檢測步驟繁瑣，檢測時間周期較長，對

71、普通用戶來說使用難度較大。因此市面上大多甲醛檢測設(shè)備都是使用傳感器檢測法。而甲醛傳感器又主要分為金屬氧化物傳感器和電化學(xué)傳感器，其中金屬氧化物傳感器受環(huán)境影響較大，而且輸出線形不穩(wěn)定，對檢測設(shè)備的環(huán)境保持能力以及信號處理能力要求較高。而電化學(xué)傳感器對檢測環(huán)境沒有太多要求，無需環(huán)境保持系統(tǒng)，因而其體積小，方便實現(xiàn)檢測設(shè)備的小型化。因此本課題主要對甲醛電化學(xué)傳感器進行分析以及對比來做出選擇。</p><p>　　2.

72、4.1 DART甲醛傳感器</p><p>　　DART電化學(xué)甲醛模塊是一個通用型模組，由英國DART公司生產(chǎn)。其利用電化學(xué)原理對空氣中存在的CH2O進行探測，此模塊與英國達特甲醛傳感器相結(jié)合，具有良好的穩(wěn)定性。此模塊帶有NTC溫度傳感器，可進行溫度補償。該模塊是將成熟的電化學(xué)檢測技術(shù)與精良的電路設(shè)計緊密結(jié)合，設(shè)計制造出的通用型氣體模組[9]。主要應(yīng)用于便攜式儀表、空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備、空氣凈化機、新風(fēng)換氣系統(tǒng)、空調(diào)

73、、智能家居設(shè)備等場所，傳感器實物圖與尺寸圖如圖2-6，2-7所示。</p><p>　　圖2-6 DART傳感器實物圖</p><p>　　圖2-7 DART傳感器外形尺寸</p><p>　　DART傳感器是一種兩電極的電化學(xué)傳感器，通過擴散原理實現(xiàn)，因此外部不需要采樣器件。當(dāng)空氣中含有甲醛氣體時，甲醛會從傳感器表面的通透膜擴散到內(nèi)部，并與浸泡在電解液中，具有催化

74、性能的電極發(fā)生氧化還原反應(yīng)。反應(yīng)過程中產(chǎn)生的微弱電流由傳感器的兩個電極輸出，電流強度大小與甲醛濃度成正比。具體的反應(yīng)過程為[16]：</p><p><b>　　感應(yīng)電極反應(yīng)式：</b></p><p><b>　　（2-1）</b></p><p><b>　　計數(shù)電極反應(yīng)式：</b></p&

75、gt;<p><b>　　（2-2）</b></p><p><b>　　總反應(yīng)式：</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　因此DART甲醛傳感器本生是一個無源器件，其傳感器特性如表2-2所示。由于DART傳感器的輸出信號非常微弱，因此需要使用高放大

76、倍數(shù)的運放來將信號放大，放大電路的設(shè)計以及相關(guān)器件的選擇就變得非常關(guān)鍵。甲醛數(shù)值校準(zhǔn)需通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)，以及對軟件的公式和參數(shù)調(diào)整來實現(xiàn)。傳感器的輸出電流在其量程內(nèi)近似線性，因此傳感器的輸出電流大小可有下列公式計算得出：</p><p><b>　　（2-4）</b></p><p>　　表2-2 DART甲醛傳感器參數(shù)</p><p&g

77、t;　　有此可見，DART甲醛傳感器是一種最基本的甲醛檢測傳感器，其輸出信號為模擬信號，模擬信號電流強度與甲醛濃度成正比。但由于DART甲醛傳感器是沒有經(jīng)過具體數(shù)值標(biāo)定的，因此若使用該種傳感器，不僅對室內(nèi)空氣甲醛檢測系統(tǒng)的電路設(shè)計帶來很大的難度，還會給后期進行傳感器的測量值與真實值之間的匹配標(biāo)定帶來非常大的工作量。</p><p>　　2.4.2 ZE0-CH2O甲醛傳感器</p><p>

78、;　　ZE0-CH2O甲醛傳感器，是一種小型化的電化學(xué)傳感器。其通過電化學(xué)模塊中電極上的反應(yīng)物與甲醛進行氧化還原反應(yīng)是生成的微弱電流進行放大兵數(shù)字化，同時傳感器內(nèi)部集成了溫度傳感器，能在測量甲醛濃度的同時獲取周圍環(huán)境的溫度信息，根據(jù)經(jīng)驗算法，對甲醛濃度值進行溫度補償，使得該型傳感器所輸出的甲醛濃度檢測值十分的穩(wěn)定[19]，傳感器實物及尺寸圖如圖2-8, 2-9所示。</p><p>　　圖2-8 ZE0-CH2O

79、傳感器實物</p><p>　　圖2-9 ZE0-CH2O傳感器尺寸圖</p><p>　　ZE0-CH2O型甲醛傳感器的檢測值輸出方式有多種，分為數(shù)字輸出和模擬輸出兩大類，方便各類型的單片機所使用。由于ZE0-CH2O型傳感器內(nèi)置了信號放大以及ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，其對使用時的周圍電路設(shè)計要求并不高。當(dāng)然，ZE0-CH2O型甲醛傳感器依然保留了經(jīng)過信號放大之后的模擬數(shù)值輸出功能。ZE0-C

80、H2O型甲醛傳感器的詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表2-3所示。</p><p>　　表2-3 ZE0-CH2O型傳感器技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　由上表可見，ZE0-CH2O型甲醛傳感器是一種高度集成的混合信號輸出傳感器。該型傳感器基板上不光集成了信號放大電路，還集成了ADC模塊、溫度檢測模塊，并且經(jīng)由微型處理器對甲醛濃度檢測結(jié)果進行檢測值到真實值的換算，從而免去了用戶對其標(biāo)定的步驟，大大降低了系統(tǒng)開

81、發(fā)的難度，其數(shù)字輸出方式為經(jīng)過UART通用異步收發(fā)傳輸器與單片機之間進行數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　ZE0-CH2O型甲醛傳感器具有對甲醛氣體較好的化學(xué)選擇性，表2-4為ZE0-CH2O型甲醛傳感器對各類氣體的交叉干擾特性。</p><p>　　表2-4 ZE0-CH2O型傳感器的氣體交叉干擾特性</p><p>　　根據(jù)本課題的設(shè)計目標(biāo)，ZE0-CH2O型電化

82、學(xué)傳感器從測量精確度、零點漂移率、交叉干擾特性、經(jīng)濟等方面更適合于本課題所采用。</p><p><b>　　2.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章節(jié)主要對系統(tǒng)需求進行了詳細(xì)分析，并基于系統(tǒng)的實際需求對硬件系統(tǒng)進行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對室內(nèi)空氣甲醛濃度監(jiān)測系統(tǒng)的核心單片機以及甲醛電化學(xué)傳感器進行充分的分析比較并最終確定選型。具體來說，本章先通過分別比較各大家族

83、的單片機的個自特點，例如性能、片上外設(shè)種類、功耗等方面，確定了MSP430系列單片機最為適合本課題室內(nèi)空氣甲醛檢測系統(tǒng)的需要，然后根據(jù)足夠系統(tǒng)外設(shè)的需要以及對封裝尺寸盡量小的需求，并滿足片內(nèi)程序閃存空間、運存空間足夠的前提條件，MSP430G2553單片機最終確定為本課題所采用。在甲醛傳感器的選擇上，根據(jù)本課題對檢測精度、量程，以及穩(wěn)定度方面的考量，對多種甲醛傳感器的工作原理、性能參數(shù)等方面作了詳細(xì)的分析與比較，最終經(jīng)過綜合考量，本課題

84、確定采用ZE0-CH2O型電化學(xué)傳感器作為本系統(tǒng)的甲醛傳感器。</p><p>　　第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計及制作</p><p>　　硬件系統(tǒng)部分的設(shè)計主要是對室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)以及對每個硬件功能模塊的電路設(shè)計，具體包含了電源設(shè)計、電路設(shè)計等。本章將對系統(tǒng)的電源等每一個模組的電路設(shè)計進行詳細(xì)的介紹。</p><p>　　硬件系統(tǒng)的工作主要流程是：甲

85、醛傳感器檢測當(dāng)前室內(nèi)空氣甲醛氣體濃度，以模擬電壓的形式輸出至單片機內(nèi)置的ADC進行采樣保持并且量化為數(shù)字值。與此同時，由溫度濕度檢測模塊將周圍環(huán)境的溫濕度值，以全雙工的單總線通訊形式，將檢測出的溫度以及濕度的數(shù)字量回傳至單片機的I/O引腳。單片機將得到的甲醛濃度、溫度、濕度值進行軟件濾波，去除測量數(shù)據(jù)中的毛刺信號之后，將檢測值顯示在LCD液晶屏上不斷更新，同時將數(shù)值通過低功耗BLE藍(lán)牙模塊上傳至手機應(yīng)用程序中。當(dāng)室內(nèi)空氣中甲醛濃度值超過

86、國家標(biāo)準(zhǔn)，即超過0.08毫克每立方米時，以閃爍紅色LED指示燈進行報警。</p><p>　　因此整體硬件系統(tǒng)主要分為：甲醛傳感器模塊、溫度濕度傳感器模塊、單片機控制部分、LCD顯示部分、藍(lán)牙BLE通信模塊、電源模塊，以及按鍵復(fù)位電路部分。硬件系統(tǒng)的完整綜合原理圖可參考附錄。下面本章將對以上各模塊及其外部電路的設(shè)計進行詳細(xì)的說明。</p><p>　　3.1 MSP430G2553單片機&

87、lt;/p><p>　　3.1.1 MSP430G2系列單片機簡介</p><p>　　室內(nèi)空氣甲醛檢測系統(tǒng)的控制核心，采用了德州儀器的MSP430G2553單片機芯片。這一系列的單片機是超低功耗的混合信號微控制器，片上集成了兩個16位定時器、20個支持觸摸檢測的I/O引腳、一個10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以及一個強大的16位采用精簡指令集的CPU。為實現(xiàn)各種場景應(yīng)用下的極低功耗，MSP430G255

88、3提供了多達5種的節(jié)能模式，并能在不到1us的時間內(nèi)快速地從待機模式中喚醒[20]。</p><p>　　雖然MSP430G2553在整個系列里屬于較低的配置型號，但豐富的時鐘源依舊提供VLOCLK（12KHz）內(nèi)部超低功耗低頻振蕩器、DCO內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器，以及一個外部的低頻晶振LFXT1CLK。這三種時鐘源可通過寄存器，獨立設(shè)定、分頻為主時鐘MCLK、子系統(tǒng)時鐘SMCLK，以及輔助時鐘ACLK的來源[21]

89、，結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 MSP430G2553時鐘結(jié)構(gòu)</p><p>　　其中MCLK為主時鐘，可通過調(diào)整寄存器來選擇VLOCLK、LFXT1CLK、 DCOCLK三者之一，經(jīng)過分頻后得到，且MCLK是CPU工作時鐘的唯一來源，也可配置為其他片上外設(shè)的時鐘源。上電默認(rèn)選擇DCOCLK為其時鐘源。</p><p>　　SMCLK為子系統(tǒng)

90、時鐘，也可通過配置相應(yīng)寄存器來選擇VLOCLK、LFXT1CLK、DCOCLK三者之一經(jīng)過分頻作為其時鐘源，一般用作高速外設(shè)的時鐘來源，可通過引腳輸出到其他外設(shè)上進行時鐘同步，上電默認(rèn)選擇DCOCLK為其時鐘源。</p><p>　　ACLK為輔助時鐘，可通過配置寄存器來從VLOCLK、LFXT1CLK兩者之一經(jīng)過分頻作為其時鐘源，一般用于低速外設(shè)的時鐘，可通過相應(yīng)的引腳輸出至片外的模塊進行時鐘同步，上電后默認(rèn)選

91、擇VLOCLK作為其默認(rèn)時鐘源，當(dāng)芯片的XIN和XOUT外接了低速晶振后，ACLK會選擇LFXT1CLK作為其時鐘源。</p><p>　　相比絕大多數(shù)其他家族的單片機而言，MSP430的時鐘模塊顯得有點復(fù)雜。但正是因為其時鐘源如此豐富，使得各種應(yīng)用能按照自己的需要使用不同的時鐘源，從而達到低功耗的目的。</p><p>　　具備了如此豐富的時鐘源可供選擇，MSP430G2553的多達5種

92、的低功耗模式就能游刃有余地控制使用不同時鐘源的片上、片外模塊的開啟與關(guān)閉，進入與退出低功耗模式都可以在程序中進行設(shè)定。其LPM低功耗的操作模式如表3-1所示。</p><p>　　MSP430G2553單片機片上還集成了一個8個外部通道，10位ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC模塊的運行可獨立于CPU，全程自動進行采樣、保持、模數(shù)轉(zhuǎn)換，甚至將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入內(nèi)存，無需CPU進行干預(yù)，這再一次地體現(xiàn)了MSP430混合信號微控制器

93、的低功耗設(shè)計理念。</p><p>　　表3-1 MSP430G2553低功耗模式</p><p>　　片上的ADC10可從ADC10OSC獨立的內(nèi)部晶振時鐘（最高達5MHz）、MCLK、SMCLK、以及ACLK中選擇一個作為其時鐘源。ADC10模塊的參考電壓源可通過配置寄存器，選擇內(nèi)部1.5V或2.5V的參考源，以及單片機外部的VCC、VDD等參考源。理論上電壓參考源不能高于單片機工作電

94、壓3.3V，對于本課題的甲醛檢測模組輸出的模擬電壓信號而言完全合適，為保證電壓參考源穩(wěn)定，盡可能使用內(nèi)部參考源。</p><p>　　MSP430G2553單片機的ADC10工作模式一共有四種，分別為單通道單次采樣、序列通道采樣、單通道重復(fù)采樣，以及序列通道重復(fù)采樣，不同的ADC工作模式可滿足不同應(yīng)用的需求。例如本課題的室內(nèi)空氣甲醛檢測，空氣中甲醛濃度變化速度相對較為緩慢，為達到檢測系統(tǒng)低功耗的目的，無需讓ADC

95、持續(xù)轉(zhuǎn)換工作。又因為只有一個傳感器模擬電壓信號需要采樣量化，因此本系統(tǒng)適合采用單通道單次采樣模式。</p><p>　　除此之外，MSP430G2553還包含了兩個16位定時器，兩個寄存器功能基本相同。定時器的功能十分多，除了最基本的定時計數(shù)功能之外，還能作為比較器、PWM波形生成等功能。本課題甲醛檢測系統(tǒng)主要使用到定時器的定時功能，因此將著重介紹定時器的詳細(xì)工作原理。</p><p>　

96、　通過配置相應(yīng)的寄存器，能選擇計時器的工作模式、定時中斷等。定時器大致分為四個模塊，計數(shù)器、比較/捕獲寄存器0、比較/捕獲寄存器1，以及比較/捕獲寄存器2，其中計數(shù)器為整個定時器的核心。16位計數(shù)器具有四種不同的工作模式，分別為停止、增計數(shù)、減計數(shù)，以及連續(xù)計數(shù)模式。每當(dāng)計數(shù)器中的數(shù)值達到比較/捕獲寄存器中的數(shù)值時便會觸發(fā)一次計數(shù)中斷，當(dāng)16位計數(shù)器溢出時也會產(chǎn)生一個溢出中斷。因此可以通過配置三個比較/捕獲寄存器的值，以及選擇相應(yīng)的計時

97、器時鐘源，就可以精確地產(chǎn)生定時中斷。</p><p>　　3.1.2 MSP430G2553 單片機的最小系統(tǒng)</p><p>　　MSP430G2553 單片機的最小系統(tǒng)是本課題室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測系統(tǒng)的核心部分。甲醛檢測模塊的模擬電壓輸入并行模數(shù)轉(zhuǎn)換、周圍環(huán)境的溫度濕度檢測模塊輸入的檢測值、甲醛濃度的計算以及軟件濾波、LCD界面以及檢測數(shù)值的顯示、通過BLE藍(lán)牙模塊進行數(shù)據(jù)上傳等功能都

98、是通過最小系統(tǒng)實現(xiàn)的。</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)時鐘</b></p><p>　　MSP430G2553單片機的系統(tǒng)時鐘為MCLK，可由DCO內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器、VLOCLK內(nèi)部超低功耗低頻振蕩器，以及外部的低頻晶振LFXT1CLK作為時鐘源。在運行時可根據(jù)需要，對時鐘源進行切換。通過配置相關(guān)寄存器，對時鐘頻率進行調(diào)整。這樣一來即可滿足系統(tǒng)在高運算負(fù)載的

99、情況下保持高速運行，也能保持在低運算負(fù)載的狀態(tài)下的低功耗。</p><p>　　MSP430G2553的CPU時鐘MCLK，在當(dāng)單片機掉電復(fù)位之后，默認(rèn)選擇DCO內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器作為時鐘源，時鐘頻率默認(rèn)1MHz。DCO可根據(jù)相應(yīng)寄存器的配置，將頻率設(shè)定在0.6至16MHz之間。芯片內(nèi)部ROM預(yù)存取了1MHz、2MHz、8MHz以及16MHz頻率的DCO寄存器配置信息，方便用戶簡單對DCO頻率進行調(diào)整。</

100、p><p>　　本系統(tǒng)單片機的CPU時鐘源選擇為DCO內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器，且頻率設(shè)定為1MHz，這樣一來即滿足了較低的運算負(fù)擔(dān)，也同時是的整體的功耗得以降低。同時保證系統(tǒng)整體的低功耗且工作穩(wěn)定，且具有較強的抗干擾性，難以因外部干擾造成頻率偏移。參考LPM低功耗模式的詳細(xì)資料可見，DCO作為CPU的時鐘源方便系統(tǒng)在空閑時同時關(guān)閉DCO內(nèi)部數(shù)字控制振蕩器與CPU核心，且工作在1MHz頻率下的DCO，從睡眠狀態(tài)中喚醒的時間

101、非常短暫，盡可能地達到低功耗的目的。</p><p>　　考慮到室內(nèi)空氣甲醛濃度檢測系統(tǒng)還需要使用到MSP430G2553單片機上的ADC轉(zhuǎn)換電路、UART通用異步收發(fā)傳輸器，以及Timer_A定時器，這些同集成在一塊芯片上，卻獨立工作于CPU之外的模塊，給這些對時鐘頻率要求不高的模組選用合適的時鐘源是十分重要的。</p><p>　　按照系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃，ADC轉(zhuǎn)換電路需要每1秒內(nèi)采樣32次

102、數(shù)據(jù)并做相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理即可，UART通用異步收發(fā)傳輸器工作在9600Bps的低速率下與BLE藍(lán)牙模塊之間全雙工通信，Timer_A定時器工作在連續(xù)增計數(shù)模式下，實現(xiàn)每1秒、2秒便觸發(fā)一次定時中斷，因此為了實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，在ADC采樣量化、UART雙向通訊、Timer定時器工作的時候盡可能的不要使用CPU。</p><p>　　按照LPM4低功耗模式等級四的特性，在處于LPM4的模式時，MSP430G2553單片

103、機除了ACLK輔助時鐘工作之外其他時鐘全部處于待機不工作狀態(tài)，CPU也處于關(guān)閉保持狀態(tài)?？紤]到定時器Timer以及UART通用異步收發(fā)傳輸器對時鐘精度、穩(wěn)定度有較高的要求，因此ACLK輔助時鐘的時鐘源不宜采用片內(nèi)對環(huán)境溫度十分敏感的VLOCLK內(nèi)部超低功耗低頻振蕩器，而應(yīng)該采用外部32.768KHz低頻晶振作為時鐘源。</p><p>　　對于硬件電路設(shè)計方面，外部低頻時鐘晶振應(yīng)當(dāng)盡可能地靠近單片機的XIN和XO

104、UT引腳之間，如圖3-2所示。根據(jù)32.768KHz晶振數(shù)據(jù)手冊指引，在晶振兩個引腳與GND之間需并聯(lián)兩個12.5pF大小的電容。MSP430G2553的數(shù)據(jù)手冊上則表明，單片機芯片XIN和XOUT引腳內(nèi)部可通過配置相應(yīng)寄存器，將內(nèi)部電容使能，最大12.5pF。雖然單片機內(nèi)部提供了32.768KHz手表晶振的電容，但為了保證系統(tǒng)電路對各類型晶振的兼容性，在PCB設(shè)計時依然預(yù)留外部電容位，如圖3-3所示。</p><p

105、>　　圖3-2 晶振鏈接原理圖 圖3-3 晶振鏈接PCB圖</p><p>　　在PCB電路設(shè)計的時候，根據(jù)晶振的Datasheet數(shù)據(jù)手冊要求，晶振的下方封裝范圍之內(nèi)不允許有走線，且不允許在晶振下方鋪銅，晶振盡量靠近XIN與XOUT引腳，同時負(fù)載電容也需盡量靠近晶振的引腳，縮短走線，減小噪聲對晶振起振，以及工作穩(wěn)定性的影響。</p><p>&l

106、t;b>　?。?）復(fù)位電路</b></p><p>　　MSP430有多種復(fù)位方式，但在系統(tǒng)工作時為防止意外而設(shè)立的復(fù)位方式，則是外部Reset引腳復(fù)位。MSP430對Reset復(fù)位引腳的復(fù)位信號檢測是低電平有效，平時正常運行時為保證Reset復(fù)位引腳不會因外部干擾從而產(chǎn)生低電平，造成虛假復(fù)位信號生成，Reset復(fù)位引腳應(yīng)當(dāng)處于上拉狀態(tài)。同時，為保證外部按鍵按下時可能產(chǎn)生的按鍵抖動問題，在復(fù)位按