基于单片机的co监测系统的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的co监测系统的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

采样。 处理芯片的选择 处理芯片承担着所有数据的传输、处理、储存和计算等任务，可以说是本系统的核心部分。 市场上的处理芯片总类较多，单就我们学生所接触的就包括STC89C51 系列、 MSP430 系列等。 STC89C51 是笔者最先接触的一款单片机，也是学校的课程要求掌握的一款。 STC89C51 是一种 8 位的单片机 片 ， 内含 8K Bytes 的可反复擦写 1000 次的Flash 只读 程序存储器。 STC89C51 一般简称为 51 单片机，主要是因为 器件兼容了 标准 MCS51 指令系统 及 80C51 引脚 结构。 芯片内集成了通用 8 位 中央处理器 和 ISP Flash 存储单元 ，具有在系统可编程（ ISP）特性。 51 单片机的开发平台是 keil_uvision，使用 C 语言作为开发语言，调试完之后生成 HEX 文件，然后使用 PC 机上的下载软件将 HEX 文件烧入单片机中，这样 用户的程序代码 就 下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。 51 单片机价格便宜，但在使用时端口较少，虽然本系统使用的端口并不多，但如果使用 51 单片机则必须要进行外部端口的扩展。 而且使用 51 系列单片机所有电路如最小系统、 AD采样电路等必须重新搭建，使用较为 复杂。 MSP430 系列单片机是一个 16 位的 单片机 ， 它采用冯诺依曼结构， RAM、ROM 以及所有外围模块都位于同一地址空间，同时它还 采用了 精简 指令集 12 （ RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 此外，学校实验室竞赛使用的都是 MSP430 系列单片机 ，资源比较丰富，从 TI 公司可以申请到 430 样片，这样就减少了成本。 而在软件调试方面， MSP430 使用 C 语言为开发语言，使用 IAR Embedded Workbench 作为开发平台，具有很好的可操作性，调试程序更为方便。 同时，在 MSP430 的核心板上集成了 12 位 AD，避免了重新搭建 AD 采样的电路，减少了硬件的复杂程度。 虽然就成本而言 MSP430 单片机比 51 单片机高，而且在程序的调试和下载需要单独的编程器；但是就整体而言 MSP430 使用方便，核心板上资源丰富，需要的外围硬件较少，综合考虑 MSP430 单片机更胜一筹。 以下是 MSP430f169 单片机的引脚图 37。 图 37 MSP430f169 单片机的引脚图 无线传输模块的选择 无线 传输 模块 是利用无线技术进行无线传输的一种模块。 它被广泛地应用于电脑无线网络，无线通讯，无线控制等领域。 无线数传模块主要由发射器，接收器和控制器或通用分组无线服务技术 GPRS（ General Packet Radio Service)模块组成。 目前，市面上较常见的是 nRF 系列无线通讯模块、蓝牙 模块以及近几年兴起的 WIFI 转 RS232 无线通信模块 ；虽然 WIFI 通讯模块功能强大，但费用太高，平均价格在 100 元以上，不予考虑。 蓝牙，是一种支持设备短距离通信的 无线电 技术 ， 能在包括移动电话、 PDA、无线耳机 、 笔记本电脑 、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。 目前，市场上的蓝牙模块相对比较便宜，使用也不是很复杂。 例如，一块带底板的 HC06蓝牙模块只需要 25 元左右， 使用该模块无需了解复杂的蓝牙底层协议，只要简单的几个步骤即可享受到无线通信的便捷 ；同时，使用 AT 命令集能够改变蓝牙的波特率，使用起来也比较方便。 一般来说蓝牙的通讯距离在 10m 左右，而使用功率较大的蓝牙虽然可以达到 30m 的距离，不过相 对的成本和耗电量也增加 13 了，这也成为使用蓝牙的局限；而为了增加蓝牙的通讯距离也有使用 增加功率或其它外设的方法 ，不过这种方法成本太高，使用复杂，一般使用前需要进行初始化和配对。 nRF 系列的通讯模块有很多种类，本系统考虑市场上使用比较常见的nRF2401 或者 nRF905。 nRF2401 是一款工作在 ~ 世界通用 ISM 频段的单片无线收发器芯片 ，在市场上应用较为广泛，在 无线数据传输 系统、 无线鼠标 、遥控开锁、遥控玩具等 方面均有应用。 此外， nRF2401 是 极低的电流消耗 的芯片，功耗相当低。 合理对 nRF2401 进行初始化之后， 可以 达到 使用同一天线而 同时接收两个不同频道的数据 的效果，所以功能比较强大，应用范围比较广泛，适用于多种无线通信的场合。 在市面上，根据制造的工艺不同一对 nRF2401 通讯模块价格在 10— 20 元不等，在通讯距离方面一般可以达到十米以上。 在程序调通两块 nRF2401 无线收发器 之后，在以 后的使用过程中只需要将两块 nRF2401无线收发器 通上电之后即可进行通讯，不需要类似于蓝牙的配对，使用更加稳定。 nRF905 无线芯片是有挪威 NORDIC 公司出品的低于 1GHz 无线数传芯片。 nRF905 抗干扰性强、灵敏度高、功耗小、对 MCU 储存器的要求很低，所以在工业控制方面使用得比较多，在 车辆监控、门禁系统、工业数据采集系统、身份识别、非接触 RF 智能卡、安全防火系统、机器人控制、数字音频、数字图像传输 等领域均有应用。 在市场上 nRF905 无线 模块比 nRF2401 无线 模块稍微贵一点，价格在一对 40 元左右；不 过在传输距离上 nRF905 无线 模块更强，在空旷的环境中能够达到 100 多米，而在存在障碍时仍然能够达到 30 多米的效果。 当然， nRF2401 无线 模块如果换用更好的天线或者用 外接 鞭状天线 代替原来的PCB 天线，那么 nRF2401 无线模块可以传输更长的距离，不过使用起来也比较麻烦。 考虑到本系统主要针对的为民用，在使用过程中存在较多的障碍，所以选用 nRF905 更 加合理。 以下是 nRF905 硬件连接图 38。 图 38 nRF905 硬件连接图 14 二者的硬件连接图虽然一样，但是二者的功能却不一样。 其中一块和处理芯片 1 相连接，主要负责发送芯片 1 处理完 AD 采样的数据，作为发送器；另外一块主要负责接收第一块发送过来的数据并交给处理芯片 2 进行处理，作为接收器。 液晶显示的选择 作为一个民用的一氧化碳监测系统，显示这方面没有必要做的十分绚丽，要求的只不过就是廉价和使用方面。 液晶显示显示的内容主要有：一氧化碳的浓度、报警阈值、预报警阈值，还可能会有湿度和温度的显示。 综上考虑， 使用 12864液晶显示再适合不过了； 12864 是 128*64 点阵 液晶模块的点阵数简称 ，它的成本较低，适用于各类小型设备的显示。 它既能够完全显示以上数据，而且使用方便，和处理芯片 MSP430 相配合使用显得高大上。 以下是 12864 和 430 单片机拓展板效果图 39 和硬件连接图 310。 图 39 12864 和 430 单片机拓展板效果图 15 图 310 12864 液晶显示硬件连接图 以上处理芯片引脚图和 12864硬件连接图均是从斯玛特通用 MSP430扩展板原理图中截下。 其中，处理芯片引脚图与实际芯片相符；而 12864在使用过程中第 20引脚直接接地即可。 在探测到一氧化碳超出报警范围之后，接下来的报警装置就显得尤为重要。 为了能在第一时间通知使用者一氧化碳超标的消息，报警装置必须醒目。 本系统的报警装置选择了传统声光的报警方式。 使用蜂鸣器和红色的 LED 灯，能够有效地提醒使用者。 当一氧化碳浓度超过使用者设定的预报警和报警阈值时，蜂鸣器便会发出声音， LED 变便会闪烁。 当然，在一氧化碳浓度处于预报警和报 警阈值时，蜂鸣器发出的声音以及 LED 闪烁的频率会明显不一样，从而提醒用户一氧化碳浓度达到何种浓度。 以下为报警电路硬件电路图 310。 16 图 310 报警电路硬件电路图 系统采用的报警系统为声光报警装置。 由以上原理图可以看出 P26 是控制整个报警装置的引脚，处理芯片通过比较一氧化碳的浓度和用户设定的预报警和报警阈值来控制 P26 信号的输出，从而达到控制整个报警系统的效果。 同时，因为蜂鸣器的鸣叫和 LED 灯的闪烁都是由 P26 一个 IO 口控制的，所以 LED 灯闪烁的频率和蜂鸣器的频率是一致的，这一点可以更好的便于用户判断一 氧化碳达到报警阈值或预报警阈值。 根据设计，当浓度达到预报警阈值时，蜂鸣器鸣叫的频率为 20HZ 左右；而当浓度达到报警阈值时，蜂鸣器鸣叫的频率为 100HZ 左右；通过二者的频率以及显示的浓度，能够清晰的判断一氧化碳的浓度。 本系统所针对的是目标是家用，对系统要求能够长时间使用，能够对环境进行持续监控，所以要求系统能有一个能够持续供电的稳定电源而并非使用干电池。 根据使用要求，系统需要供电的硬件电路主要有：处理芯片 、一氧化碳传感器模块 5V、无线传输模块 、 12864 液晶显示屏 5V、蜂鸣器 等。 综合考虑，电源电路所必须提供的电压为 5V 和 ，而在 MSP430 的核心板上集成了 的电源电路，而是用 电压的模块电流均不大，所以直接可以是用核心板上的 电压。 所以，需要设计的只是 5V 电压而已，而在 5V电压的转化方面已经很成熟了。 本系统使用的方法很常见，显示利用变压器将家用电220V 电压降压成为 的交流电，然后再通过四个稳压二极管 IN4007 组成一个稳压电路，这样交流电就变成了直流电；通过稳压芯片 LM7805 的稳压，最后输出了 5V 的直流电。 将处理芯片的核心板直接 接上 5V 电，核心板上的稳压芯片 可以将 5V电压降为 电压，然后即可将 5V电压和 的电压给各个模块使用。 以下是电源电路的硬件电路图 311。 17 图 311 电源电路硬件连接图 第 4 章 软件设计 系统软件设计 本系统以 IAR Embedded Workbench 作为开发平台，采用 c 语言进行程序设计，大大提高了开发调试工作的效率，便于理解，同时 便于移植其他模块化的程序。 本系统控制分为采集和处理两方面，以下是整个程序的流程图 41。 MSP430 处理 1: MSP430 处理 2: Y N 高 低 高 开始 MSP430 初始化 开始 MSP430 初始 化 AD 采样 预报警及报警阈值设定 MSP430 处理 nRF2401 无线传输（发射器） nRF2401 无线传输（接收器） 返回 MSP430 处理 与预报警值比较 显示 报警 与报警值比较 报警 18 图 41 程序流程图 MSP430 芯片 1 主要用于采样和发送数据。 在一氧化碳传感器检测到空气中的一氧化碳之后产生与之浓度相对应的模拟信号之后，处理芯片 1 上的 AD 对该模拟信号进行滤波和采样，之后对采集到的信号进行计算并对其进行温度和湿度的补偿，得 到真实准确的一氧化碳浓度之后通过 nRF2401 将数据发送给 MSP430芯片 2。 MSP430 芯片 2 主要用于浓度的显示及报警。 在进行初始化时，用户可以根据个人情况以及使用环境对默认的预报警及报警阈值进行设置，当设置完毕之后就可以和 MSP430 芯片 1 发送过来的数据进行比较，相应的进行预报警及报警。 同时，发送过来的一氧化碳的浓度将在 12864 液晶显示器上进行实时的显示，保证用户能够实时掌握被测环境的一氧化碳的浓度。 时钟模块的设计 单片机的工作需要一个标准参考来控制，而能提供这种参考的就是时钟模块了，所以时 钟是单片机的心脏。 MSP430X1XX 系列的单片机基础时钟模块有 3个时钟输入源：低频时钟源 LFXT1CLK、高频时钟源 XT２ CLK 和数字控制 RC振荡器。 高频时钟源 XT２ CLK 外接标准高速晶振，通常为 8MHZ，而将其作为时钟源，对于本系统而言是绰绰有余的。 模数转换模块的设计 MSP430 核心板上集成了 AD12 模块，所以可以很方便的使用而无需重新搭建 AD 采样电路。 MSP430 核心板上的 AD12 模块是一种精度为 12 位的 AD 采样器，主要有以下 部分构成： 输入的 16 路模拟开关 (外部 8 路，内部 4 路 )， ADC内部电压参考源， ADC12 内核， ADC 时钟源部分，采集与保持 /触发源部分，ADC 数据输出部分， ADC 控制寄存器等。 它提供 四种采样模式： ① 单通道单次转换模式 ② 序列通道单词转换模式 ③ 单通道多次转换模式 ④ 序列通道多次转换模式 ；而在本系统存在多个传感器的多次采样，所以选用 序列通道多次转换模式。 此外，采样完之后重。