低功耗_現(xiàn)代化車庫的智能守衛(wèi)者

1、<p><b>　　摘要（中英文） </b></p><p>　　該設(shè)備設(shè)計(jì)了一個用MSP430微控制器為控制中心的自動控制通風(fēng)系統(tǒng)，并提出了一個解決方案，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和調(diào)節(jié)地下車庫的溫度、濕度和一氧化碳的濃度。為了盡可能省電，該系統(tǒng)可以通過接在微控制器上的傳感器獲得地下車庫的環(huán)境參數(shù)，然后在適當(dāng)?shù)臅r間通過一個繼電器控制電動機(jī)，從而調(diào)節(jié)地下車庫的內(nèi)部環(huán)境。</p>&l

2、t;p>　　關(guān)鍵詞：地下車庫通風(fēng)系統(tǒng)，MSP430，CO測試，濕度測試，溫度測試</p><p><b>　　Abstract:</b></p><p>　　This equipment designs an Automatic Control Ventilation（ACV） system with the MSP430 MCU as the control

3、centre, and we put forward a solution to realize supervising and adjusting the temperature, humidity and the concentration of carbon monoxide of the underground garage. In order to save the energy, the system can do obta

4、in environmental parameters of the underground garage through a micro-controller linked to the sensors，then control the motor at the right time via a relay to regulate the inner</p><p>　　Key words: an ACV of

5、 the underground garage MSP430 CO test humidity test temperature test </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　題 目： 現(xiàn)代化車庫的智能守衛(wèi)者2</p><p><b>　　摘要（中英文）2<

6、/b></p><p><b>　　1.引言4</b></p><p>　　1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景4</p><p>　　1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和所要解決的問題4</p><p><b>　　2.系統(tǒng)方案4</b></p><p>　　3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)5&

7、lt;/p><p><b>　　3.1電源模塊6</b></p><p>　　3.2傳感器模塊7</p><p>　　3.2.1CO傳感器7</p><p>　　3.2.2溫度傳感器8</p><p>　　3.2.3濕度傳感器9</p><p>　　3.3風(fēng)機(jī)模塊1

8、0</p><p>　　4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)11</p><p>　　4.1單片機(jī)引腳的接線如圖11</p><p>　　4.2程序的流程圖11</p><p>　　4.3程序的主要代碼.............................................................................

9、.............13</p><p>　　5.系統(tǒng)創(chuàng)新14</p><p>　　6.評測與結(jié)論14</p><p><b>　　附錄15</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的背景</p>

10、<p>　　近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，城市機(jī)動車輛數(shù)量飛速地增長，停車成了城市交通的一大難題。而地下車庫的建設(shè)以其面積和空間大，節(jié)約土地，便于集中管理越來越受到人們的青睞。地下車庫的建設(shè)已經(jīng)成為人們選擇住房，工作所考慮的必要因素。對于地下車庫，溫度，濕度以及CO濃度是衡量空氣質(zhì)量的幾個重要參數(shù)，而地下車庫由于過于封閉，汽車尾氣含有多種可燃有毒氣體，這對人員的健康帶來威脅。另外，如果可燃

11、氣體的濃度超過安全數(shù)值，在無合適通風(fēng)設(shè)備的情況下，容易引發(fā)大型火災(zāi)，對小區(qū)的整體安全埋下隱患。</p><p>　　對于地下車庫來說，汽車尾氣的污染物質(zhì)有其不連續(xù)性及尖峰負(fù)荷明顯等特點(diǎn)，為了有效地調(diào)節(jié)車庫空氣質(zhì)量參數(shù)以及更好的節(jié)能，如何準(zhǔn)確地減少系統(tǒng)的開啟時段，同時不影響通風(fēng)效果就顯得尤為重要。傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)不能有效地對污染物質(zhì)進(jìn)行追蹤，從而不能有效地控制個別風(fēng)機(jī)的開啟，為了某一處達(dá)到良好的空氣質(zhì)量，只能采取連續(xù)開

12、啟的方法，勢必會造成能源的大量浪費(fèi)以及機(jī)器設(shè)備的磨損。而將本設(shè)備均勻分布在車庫之中，針對性地開啟設(shè)備，可快速稀釋較為集中的汽車尾氣，不必為排放部分點(diǎn)的污染物而開啟全部通風(fēng)設(shè)備，大大節(jié)約了能源。</p><p>　　1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和所要解決的問題</p><p>　　利用傳感器探測地下車庫空氣中的濕度、溫度以及一氧化碳的濃度，當(dāng)達(dá)到或超過一定的指標(biāo)時，自動開啟風(fēng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)排氣通風(fēng)功能，

13、降低有害氣體的濃度；在地下車庫中均勻分布該系統(tǒng)，在每臺風(fēng)機(jī)控制器中設(shè)置溫度傳感器、濕度傳感器以及CO傳感器，某一處的環(huán)境質(zhì)量達(dá)不到指標(biāo)時自動開啟相應(yīng)位置的風(fēng)機(jī)，針對性的改善空氣質(zhì)量，從而節(jié)約能源。風(fēng)機(jī)自動控制的目的就是為了有效節(jié)能，使排風(fēng)系統(tǒng)更安全可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行，改善人們的生活質(zhì)量。</p><p><b>　　系統(tǒng)方案 </b></p><p>　　該系統(tǒng)由濕度傳

14、感器，溫度傳感器，CO傳感器以及集成芯片MSP4302231等構(gòu)成。濕度傳感器采用HS1101，該元件具有高可靠性，長時間穩(wěn)定性，而且反應(yīng)時間快，成本低；溫度傳感器采用LM35，該傳感器在靜止溫度中自熱效應(yīng)低（0.08℃），單電源模式在25℃下靜止電流約50uA,在正常工作電壓下正常工作非常省電；CO傳感器采用MQ-7，成本低，對CO有很高的靈敏性，提高了測量的準(zhǔn)確性。</p><p>　　CO濃度采集電路模塊直

15、接采用傳感器電路，利用傳感器中電導(dǎo)率的變化，將氣體濃度轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的輸出信號，然后輸入到單片機(jī)的P1.0口，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　關(guān)鍵點(diǎn)是注意CO傳感器的特性以及工作電壓的選擇，使得傳感器能夠正常工作。</p><p>　　溫度采集電路模塊采用傳感器電路和放大器電路，利用溫度傳感器的工作原理，將傳感器輸出的電壓經(jīng)放大電路放大后，輸入到單片機(jī)的P1.1口進(jìn)行A/D

16、轉(zhuǎn)換，再利用程序進(jìn)行控制。</p><p>　　電路圖比較簡單，關(guān)鍵點(diǎn)是電源的選擇。</p><p>　　濕度采集電路模塊為典型的555非穩(wěn)態(tài)電路，HS1101作為電容變量接在555的THR和THG兩引腳上，OUT引腳的輸出信號輸入到單片機(jī)的P1.2口，P1.2口使用Timer A捕獲功能進(jìn)行頻率捕捉。</p><p>　　關(guān)鍵點(diǎn)是555非穩(wěn)態(tài)電路的設(shè)計(jì)，利用濕度傳

17、感器的電容值隨濕度增大而增大的關(guān)系，將電容的變化轉(zhuǎn)換為與之成反比的電壓頻率信號。</p><p>　　風(fēng)機(jī)電路模塊比較簡單，只需將繼電器串聯(lián)在風(fēng)機(jī)回路中，利用程序控制繼電器的通斷，從而控制風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　原理：利用CO傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器采集地下車庫中的CO濃度，

18、溫度，濕度作為數(shù)據(jù)，并與環(huán)境允許的臨界值相比較，如果超出臨界值的話就通過單片機(jī)MSP430控制繼電器，并啟動風(fēng)機(jī)，使地下車庫中空氣流通，各環(huán)境系數(shù)都在臨界值之內(nèi)，降低危險系數(shù)，提高安全指數(shù)。</p><p><b>　　原理框圖：</b></p><p><b>　　3.1電源模塊</b></p><p>　　電源模塊采用

19、12V直流電源轉(zhuǎn)穩(wěn)壓器7805，提供電給各傳感器。主芯片MSP430采用3.3V，利用一塊5V轉(zhuǎn)3.3V電源芯片。原理圖如下：</p><p><b>　　3.2傳感器模塊</b></p><p>　　3.2.1CO傳感器</p><p>　　系統(tǒng)中采用MQ-7作為CO傳感器，當(dāng)MQ-7檢驗(yàn)到車庫中CO有害氣體高于已定濃度時后，其內(nèi)部導(dǎo)電率將發(fā)

20、生變化，A,B電極間電阻減小，B端輸出電流也將發(fā)生變化，從而將輸出電流輸入到MSP430的P1.0端口，將其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，并由此得出CO濃度的變化，當(dāng)高于設(shè)定濃度時控制繼電器通斷啟動風(fēng)機(jī)，使得CO濃度降低到設(shè)定溫度。</p><p><b>　　其原理圖如下：</b></p><p>　　器件特點(diǎn)：MQ-7為CO氣體傳感器，對CO有很高的靈敏度和選擇性，并且具有長期

21、的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性。在低濃度中輸出變化大，靈敏度高；對毒性氣體和周圍惡劣的環(huán)境有較強(qiáng)的耐性。</p><p>　　器件應(yīng)用：MQ-7常應(yīng)用于家庭，環(huán)境的CO探測裝置，可用于檢測CO和煤氣等氣體</p><p><b>　　器件規(guī)格：</b></p><p>　　MQ-7氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖所示（結(jié)構(gòu)A或B），由微型AL2O3陶瓷管、S

22、nO2敏感層，測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。填充活性炭的過濾腔體，進(jìn)一步減弱了氮氧化物、烷類的氣體的干擾。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　傳感器的表面電阻為RS，是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻

23、上的有效電壓信號VRL輸出而獲得的。兩者之間的關(guān)系為：</p><p>　　RS/RL=（VC-VRL）/ VRL</p><p>　　MQ-7對不同種類們不同弄得的氣體有不同的電阻值，因此在使用時，需通過實(shí)際測試調(diào)整負(fù)載RL直至獲得對應(yīng)某個CO濃度時所需要的信號值，在實(shí)驗(yàn)中我們采取點(diǎn)燃香煙的根數(shù)來確定（假定為兩根）。并通過示波器來觀察輸出端電壓變化過程。</p><p

24、>　　3.2.2溫度傳感器</p><p>　　本作品采用LM35作為溫度傳感器，測量車庫中環(huán)境中的溫度，并將傳感器的輸出端接入到單片機(jī)的一個接口，通過設(shè)定溫度，使得當(dāng)車庫中環(huán)境溫度高于該溫度的情況下，經(jīng)由單片機(jī)的控制，啟動繼電器，接通風(fēng)機(jī)，使其工作，使得車庫中環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度。</p><p>　　器件特點(diǎn)：使用時無需外圍元件，也無需調(diào)試和較正，只要外接一個1V的表頭（如指針式

25、或數(shù)字式的萬用表），就成為一個測溫儀，使用非常方便。</p><p>　　器件功能：LM35D是把測溫傳感器與放大電路做在一個硅片上，形成一個集成溫度傳感器</p><p>　　LM35是一種輸出電壓與攝氏溫度成正比例的溫度傳感器，其靈敏度為10mV/℃；工作溫度范圍為0℃-100℃；工作電壓為4-30V，本作品中為12V；精度為±1℃。最大線性誤差為±0.5℃。<

26、;/p><p><b>　　即有：</b></p><p>　　V0=10mV/oCT oC</p><p>　　3.2.3濕度傳感器</p><p><b>　　器件特點(diǎn)：</b></p><p>　　采用HS1101作為濕度傳感器，HS1101濕度傳感器采用專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合

27、物結(jié)構(gòu)，具有響應(yīng)時間快、高可靠性和長期穩(wěn)定性特點(diǎn)，不需要校準(zhǔn)的完全互換性。</p><p><b>　　器件性能：</b></p><p>　　HS1101濕度傳感器在電路中等效于一個電容器Cx，其電容隨所測空氣的濕度增大而增大，在相對濕度為0%-100%RH的范圍內(nèi)，電容的容量由160pF變化到200pF，其誤差不大于±2%RH，響應(yīng)時間小于5s，溫度系數(shù)

28、為0.04pF/℃。 </p><p><b>　　實(shí)現(xiàn)方法：</b></p><p>　　本作品利用HS1101電容隨濕度增大而增大的線性關(guān)系，并使用555定時器，將濕敏電容C1置于555振蕩電路之中，將電容的變化轉(zhuǎn)換為與之成反比的電壓頻率信號，該頻率信號可以直接被單片機(jī)MSP430G2231采集，并根據(jù)設(shè)定濕度，當(dāng)車庫中的環(huán)境濕度高于該值時，控制繼電器啟動風(fēng)機(jī)，加

29、速水分的蒸發(fā)，使環(huán)境濕度降低。</p><p><b>　　實(shí)現(xiàn)原理圖如下：</b></p><p>　　NE555是一個能產(chǎn)生精確定時脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動電流可達(dá)200mA.。在多諧振蕩器工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時，其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定，它可以延時數(shù)微秒到數(shù)小時。其工作電壓范圍為

30、：4.5V16V。</p><p>　　NE555的框圖及電路如下：</p><p>　　把HS1101和NE555同時接入電路中的電路設(shè)計(jì)原理圖如圖所示。NE555電路功能的簡單概括為:當(dāng)6端和2端同時輸入為“1”時,3端輸出為“0”；當(dāng)6端和2端同時輸入為“0”時,3端輸出為“1”。在此電路中,555定時器根據(jù)這一功能用作多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出頻率信號</p><p>

31、;　　當(dāng)電源接通時,由于6和2端的輸入為“0”,則定時器3腳輸出為“1”；又由于HS1101（設(shè)其電容值為）兩端電壓為0,故 通過R1 和R2 對C1充電,當(dāng)C1 兩端電壓達(dá)到2/3 時,定時電路翻轉(zhuǎn),輸出變?yōu)椤?”。此時555定時器內(nèi)部的放電BJT的基極電壓為“1”,放電BJT導(dǎo)通,從而使電容C1 通過R2和內(nèi)部放電BJT 進(jìn)行放電,當(dāng)C1 兩端電壓降低到/3 時,定時器又翻轉(zhuǎn),使輸出變?yōu)椤?”,內(nèi)部放電BJT 截止,VCC 又開始通

32、過R1 和R2 對C1 充電,如此周而復(fù)始,形成振蕩。其工作循環(huán)中的充電時間為=0.7(R1+R2)C1；放電時間為 = 0.7R2*C1； 輸出脈沖占空比為q ＝(R1+R2)/(R1+2R2),為了使輸出脈沖占空比接近50％,R1應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R2。當(dāng)外界濕度變化時,HS1101 兩端電容值發(fā)生改變,從而改變定時電路的輸出頻率。因此只要測出555的輸出頻率,并根據(jù)濕度與輸出頻率的關(guān)系,即可求得環(huán)境的濕度。</p><

33、p><b>　　根據(jù)以上計(jì)算可得：</b></p><p>　　振蕩電路的兩個暫穩(wěn)態(tài)輸出頻率變化的方波信號（從3端口輸出）的高電平時間為：</p><p>　　tH=0.7(R1+R2)C1</p><p><b>　　輸出低電平時間為：</b></p><p>　　tL=0.7R2C1<

34、;/p><p>　　因此輸出方波信號的周期為:</p><p>　　T= tH+ tL=0.7(R1+2R2)C1</p><p><b>　　頻率為：</b></p><p>　　f=1/T=1.429/(R1+2R2)C1</p><p><b>　　3.3風(fēng)機(jī)模塊</b>&

35、lt;/p><p>　　采用220V風(fēng)機(jī)，使其接于繼電器兩端，通過繼電器的通斷來控制風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。</p><p>　　單片機(jī)的P1.7端口首先通過一個三極管將其放大后接入到繼電器中，已達(dá)到足夠的電流值使繼電器工作。</p><p><b>　　其工作圖如下：</b></p><p><b>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)&l

36、t;/b></p><p>　　4.1單片機(jī)引腳的接線如圖</p><p>　　P1.0口和P1.1口使用ADC10進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，P1.2口使用Timer A捕獲功能進(jìn)行頻率捕捉。</p><p>　　4.2程序的流程圖如下</p><p>　　程序在模數(shù)轉(zhuǎn)換的時候進(jìn)入LPM0低功耗，轉(zhuǎn)換完成后強(qiáng)制跳出LPM0。</p>

37、<p>　　在捕獲頻率時利用Timer A定時器，記錄方波的起始時間和結(jié)束時間，通過start和end計(jì)算方波的周期，進(jìn)而計(jì)算頻率。再利用器件手冊中的表格對照獲得相對濕度值。</p><p>　　在進(jìn)行邏輯判斷的時候，如果滿足開啟風(fēng)扇的條件，則調(diào)用TurnOnFan()函數(shù)，為了更符合實(shí)際的使用，函數(shù)內(nèi)部使用延時函數(shù)delay()進(jìn)行一定時間的延遲，而不是僅僅開啟風(fēng)扇，這樣就確保了風(fēng)扇不是一閃一閃的工作

38、。然后再判斷三個待測值是否在一定時延后滿足了安全要求，若否，則進(jìn)行下一輪判斷循環(huán)；若滿足，停止風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，再進(jìn)行下一輪循環(huán)。</p><p>　　在開啟風(fēng)扇的同時，我們使用了LED2作為醒目燈，符合現(xiàn)實(shí)生活的條件。也可作為現(xiàn)實(shí)車庫的警示燈。</p><p>　　受限于開發(fā)板功能的限制，我們只做出了地下車庫通風(fēng)系統(tǒng)的雛形。如果投入使用，我們將選擇多個傳感器采集數(shù)據(jù)，進(jìn)一步丟棄偶然數(shù)據(jù)從而獲得更

39、加準(zhǔn)確的測量值；采用數(shù)碼管分時顯示當(dāng)前的測試數(shù)據(jù)；多個風(fēng)扇組成誘導(dǎo)通風(fēng)系統(tǒng)；無線方式進(jìn)行靈活控制等現(xiàn)實(shí)改進(jìn)。</p><p>　　雖然我們的硬件比較簡單，但是我們旨在利用現(xiàn)有的科技做出更加人性化的產(chǎn)品，科技以人為本。</p><p>　　4.3程序的主要代碼如下：</p><p>　　/*********************ADC采用序列通道單次采樣******

40、*********************/</p><p>　　ADC10CTL1 = INCH_1 + CONSEQ_1; // A1/A0, single sequence</p><p>　　ADC10CTL0 = ADC10SHT_2 + MSC + ADC10ON + ADC10IE;</p><p>　　ADC10DTC1 =

41、0x02; // 2 conversions</p><p>　　ADC10AE0 |= 0x03; // P1.1,0 ADC10 option select</p><p>　　/*****************************************************

42、*******************/</p><p>　　/***************************TimerA捕獲頻率******************************/</p><p>　　P1DIR&=~BIT2;</p><p>　　P1SEL = BIT2; //

43、P1.2 for capture</p><p>　　TACTL = TASSEL1+TACLR+TAIE+MC1; /* Timer A clock source select 0 */</p><p>　　CCTL1 = CM_1+SCS+CAP+CCIE; //up mode,CCI0A為捕獲信號源</p><

44、;p>　　/************************************************************************/</p><p>　　/*************采樣P1.1、P1.0數(shù)據(jù)，并依次放到0X200,0X202*****************/</p><p>　　ADC10CTL0 &= ~ENC;</p&g

45、t;<p>　　while (ADC10CTL1 & BUSY); // Wait if ADC10 core is active</p><p>　　ADC10SA = (unsigned short)results; // Data buffer start</p><p>　　//ADC10SA=0x200;</

46、p><p>　　ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; // Sampling and conversion start</p><p>　　/************************************************************************/</p><p>　　/********

47、*********************計(jì)算實(shí)際頻率*******************************/</p><p>　　if(width!=0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　frequency=1000000/width;</p><p>　　frequency=fre

48、quency+(int)(0.04*frequency);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/************************************************************************/</p><p><b>　　系統(tǒng)創(chuàng)新</b></

49、p><p>　　本作品的主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：</p><p>　　1、地下車庫的主要有害物有CO，HC和NOx，它們的比例大約為7：1.5：0.2，因此CO是地下停車場的主要有害物，本作品的信息采集增加了一氧化碳濃度的監(jiān)測，利用相應(yīng)的傳感器檢測數(shù)據(jù)，控制風(fēng)機(jī)的工作。雖然增加了建設(shè)及維護(hù)費(fèi)用，但是采用MQ-7作為感應(yīng)元件，其對CO具有很高的靈敏度和良好的選擇性，而且具有長期的使用壽命和穩(wěn)定性。另外，

50、能夠在保證車庫內(nèi)一氧化碳濃度不高于規(guī)范要求前提下，獲得較好的節(jié)能效果。</p><p>　　2、通風(fēng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單，適用于不同地下車庫，通用性較高，有利于系統(tǒng)推廣和降低設(shè)計(jì)費(fèi)用；</p><p>　　3、對單片機(jī)開發(fā)板的供電是3.3V，保證了單片機(jī)的超低功耗，實(shí)現(xiàn)低功耗的特點(diǎn)；</p><p>　　4、硬件簡單實(shí)用，便于推廣；</p><p&g

51、t;　　5、本作品還可用于家庭里煤氣泄漏的監(jiān)測，成本低，方便簡單，便于大范圍使用。</p><p><b>　　評測與結(jié)論</b></p><p><b>　　溫度的測試:</b></p><p>　　將系統(tǒng)分別放在室內(nèi)與熱水袋附近，觀察風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。</p><p><b>　　濕度的

52、測試：</b></p><p>　　將系統(tǒng)分別放在室內(nèi)以及用浸濕的紙團(tuán)靠近傳感器，觀察風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)。</p><p><b>　　CO濃度的測試:</b></p><p>　　將系統(tǒng)分別放在室內(nèi)正常環(huán)境下以及在傳感器周圍點(diǎn)燃一只香煙產(chǎn)生煙霧，觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　由于缺少CO濃度、濕度、