曾憲陽(yáng)1,楊紅莉2,郁漢琪1,褚南峰1

　　(1.南京工程學(xué)院 工業(yè)中心，江蘇 南京 211167；2.南京工程學(xué)院 數(shù)理部，江蘇 南京 211167)

       摘要：根據(jù)市場(chǎng)上甲醛檢測(cè)裝置存在誤差大、功耗高等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以MSP430單片機(jī)作為控制核心，多子機(jī)網(wǎng)點(diǎn)輔助監(jiān)測(cè)，無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的甲醛檢測(cè)儀。使用單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊將傳感器采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再經(jīng)卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波，保證了采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度高、功耗低、穩(wěn)定性好，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，能很好地滿足消費(fèi)者需求。

　　關(guān)鍵詞：低功耗；MSP430單片機(jī)；甲醛監(jiān)測(cè)儀；卡爾曼濾波；多網(wǎng)點(diǎn)

0引言

　　當(dāng)前，空氣環(huán)境污染嚴(yán)重，特別是新裝修的房間含有甲醛等有害物質(zhì)［1-5］，影響到人們的身體健康。市面現(xiàn)有的甲醛檢測(cè)系統(tǒng)多為單點(diǎn)測(cè)試，體積大、功耗高、檢測(cè)單一、價(jià)格昂貴，且不能自動(dòng)對(duì)甲醛含量高的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［6-7］，因此本文設(shè)計(jì)了一種新的甲醛含量監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個(gè)子機(jī)系統(tǒng)及一個(gè)主機(jī)系統(tǒng)，將每個(gè)子機(jī)系統(tǒng)分散安置在各個(gè)房間的某個(gè)區(qū)域，主機(jī)系統(tǒng)放置在臥室或客廳等住戶常活動(dòng)的位置，主機(jī)與子機(jī)之間采用NRF24L01無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。子機(jī)系統(tǒng)定時(shí)將采集到的甲醛含量信息通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給主機(jī)，主機(jī)通過中斷接收各子機(jī)發(fā)來的信息并進(jìn)行分析處理，同時(shí)根據(jù)需要將數(shù)據(jù)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)PC，給用戶帶來方便。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

　　系統(tǒng)選用MSP430F149單片機(jī)作為主控制芯片，以減少功耗，提高效率。采用具有精度高、功耗低的AQM201傳感器來檢測(cè)甲醛含量。采用多個(gè)430單片機(jī)作為子機(jī)模塊分別測(cè)量對(duì)應(yīng)區(qū)域甲醛含量，然后各子機(jī)實(shí)時(shí)將采集到的甲醛含量信息傳送給430主機(jī)模塊，子機(jī)與主機(jī)之間采用NRF24L01無(wú)線模塊進(jìn)行通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

       子機(jī)系統(tǒng)中的甲醛傳感器檢測(cè)空氣中的甲醛含量，經(jīng)處理以模擬信號(hào)形式輸出，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后傳送給CPU，考慮到傳感器非線性因素，CPU將數(shù)據(jù)修正后轉(zhuǎn)換為實(shí)際甲醛含量濃度百分比，通過各自無(wú)線通信模塊通道傳輸給主機(jī)。以上過程每隔5 s重復(fù)采集發(fā)送一次，該采樣時(shí)間可通過主機(jī)發(fā)送給子機(jī)的命令參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

　　主機(jī)通過外部中斷及時(shí)采集各子機(jī)發(fā)來的信息，并根據(jù)子機(jī)發(fā)來的地址碼將各子機(jī)發(fā)來的信息進(jìn)行歸類，同一子機(jī)發(fā)來的信息存放在對(duì)應(yīng)房間號(hào)的數(shù)組中。主機(jī)通過數(shù)組數(shù)據(jù)及時(shí)分析各房間的甲醛含量值，對(duì)于甲醛含量長(zhǎng)時(shí)間未呈減少趨勢(shì)的房間區(qū)域，主機(jī)將自動(dòng)通知子機(jī)調(diào)整采樣時(shí)間來進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。當(dāng)甲醛含量連續(xù)多天一直超過設(shè)定上限值時(shí)，主機(jī)還會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，用以提示用戶甲醛超標(biāo)。在實(shí)際測(cè)量過程中，傳感器接收到的信號(hào)包括環(huán)境干擾信號(hào)，因此各子機(jī)采用卡爾曼濾波器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，更大程度地保證了采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)［8-9］

        本系統(tǒng)選用MSP430F149單片機(jī)作為主控單元，其最小系統(tǒng)包含了時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試電路，如圖2所示。單片機(jī)的引腳VeREF+為內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換參考電壓，接3.3 V。為保證參考電壓穩(wěn)定，該引腳及單片機(jī)電源引腳DVCC均對(duì)地增加了濾波電容C8、C6以濾掉環(huán)境電磁干擾。由于430單片機(jī)為低電平復(fù)位，由R1、C5組成復(fù)位電路，系統(tǒng)上電后電容C5充電，相當(dāng)于短路，RST端為低電平，充電完畢后RST變?yōu)楦唠娖?，完成上電自?dòng)復(fù)位功能。按鍵S2為系統(tǒng)增加了手動(dòng)復(fù)位功能。JTAG電路為系統(tǒng)程序調(diào)試下載接口,連接MSP-FET430UIF仿真器即可實(shí)現(xiàn)程序調(diào)試下載工作。在主機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，增加了按鍵電路如圖2中S3、S4、S5、S6所示。S3鍵為功能鍵,用于選擇采樣時(shí)間、顯示模式、報(bào)警上下限等功能；S4、S5分別為增加、減少按鍵，用于參數(shù)調(diào)整；S6鍵作為備用按鍵，便于后期功能拓展開發(fā)。按鍵接至單片機(jī)具有外部中斷功能的P1口，CPU可隨時(shí)進(jìn)入按鍵中斷服務(wù)子程序?qū)ο鄳?yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定調(diào)整。

　　2.2甲醛傳感器模塊電路設(shè)計(jì)［10］

　　所設(shè)計(jì)的甲醛傳感器模塊電路如圖3所示。由于甲醛傳感器AQM201輸出模擬量，需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量方可送給單片機(jī)處理。考慮到MSP430單片機(jī)內(nèi)部自帶高精度12位A/D轉(zhuǎn)換器，滿足設(shè)計(jì)要求，因此直接采用430單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后供單片機(jī)CPU處理。由于甲醛傳感器輸出模擬量電壓范圍為0～5 V，而單片機(jī)A/D采樣滿量程電壓為3.3 V，因此傳感器輸出的模擬量還需進(jìn)行電壓量程匹配轉(zhuǎn)換。如圖3所示，R2、R3組成分壓電路，阻值分別為1.7 kΩ、3.3 kΩ。3.3 kΩ電阻兩端的電壓作為模擬電壓輸出，此時(shí)該模塊輸出模擬電壓范圍將為0～3.3 V，與單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換量程匹配，該輸出信號(hào)接至單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口P6.0。

　　2.3無(wú)線通信模塊電路設(shè)計(jì)

　　無(wú)線通信采用NRF24L01模塊［11-12］,電路如圖4所示，N1為無(wú)線通信模塊，其中第8腳為中斷請(qǐng)求輸出端，接至單片機(jī)的外部中斷P1.4口。各無(wú)線通信模塊在接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存在自身存儲(chǔ)器中，然后向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，以便單片機(jī)及時(shí)讀取保存在自身存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，防止該數(shù)據(jù)被新接收的數(shù)據(jù)覆蓋。

　　主機(jī)中的無(wú)線通信模塊IRQ引腳接至單片機(jī)外部中斷接口，以便主機(jī)及時(shí)響應(yīng)各子機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中各子機(jī)將定義各自的地址碼，代表各子機(jī)所在的不同房間。子機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)連同自身的地址碼一并發(fā)出，主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，通過地址碼來區(qū)分各個(gè)子機(jī)的數(shù)據(jù)信息，從而得到對(duì)應(yīng)房間區(qū)域的甲醛含量濃度。主機(jī)采集到信息后在液晶顯示屏上顯示當(dāng)前各個(gè)區(qū)域的甲醛濃度百分比，以及甲醛含量隨時(shí)間變化的曲線圖，便于用戶分析甲醛濃度分布及走向。

　　2.4報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)

       選用蜂鳴器作為報(bào)警發(fā)生裝置，采用PNP三極管9012作為驅(qū)動(dòng)，如圖5中Q1所示?？紤]到I/O口的驅(qū)動(dòng)能力，單片機(jī)將以灌電流形式控制蜂鳴器發(fā)聲，控制I/O口由單片機(jī)的P5.5引腳提供，當(dāng)I/O口為低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，為高電平時(shí)，蜂鳴器停止發(fā)聲。

　　2.5顯示模塊電路設(shè)計(jì)

　　如圖6所示，顯示模塊采用LCD12864HZ液晶顯示器，其自帶漢字字庫(kù)，可顯示漢字、字符及圖形，使用方便。液晶直接采用3.3 V電壓供電，便于與單片機(jī)I/O口電平匹配。為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)約I/O口開支，液晶顯示模塊與單片機(jī)的接口采用串行接口進(jìn)行通信，SCLK、SID、CS三引腳分別接至單片機(jī)的P3.5、P3.6、P3.7三個(gè)引腳。

3軟件程序設(shè)計(jì)

　　3.1子機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　在子機(jī)系統(tǒng)中，傳感器每隔一定時(shí)間采集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、卡爾曼濾波［13-15］后,通過無(wú)線通信模塊發(fā)送給主機(jī)，同時(shí)子機(jī)實(shí)時(shí)準(zhǔn)備接收主機(jī)發(fā)送過來的設(shè)置命令（用于設(shè)置子機(jī)傳感器采樣時(shí)間間隔等）。因此子機(jī)系統(tǒng)軟件任務(wù)包含傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收幾個(gè)部分。由于無(wú)線接收任務(wù)屬于緊急任務(wù)，該任務(wù)由外部中斷來完成。主程序?qū)⑼瓿蓚鞲衅鲾?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，流程圖如圖7所示。

       3.2主機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　主機(jī)要完成的任務(wù)有：本機(jī)數(shù)據(jù)采集、子機(jī)數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、傳感器檢測(cè)、按鍵掃描、發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)、報(bào)警等。根據(jù)任務(wù)的緊急性將數(shù)據(jù)接收、按鍵掃描任務(wù)均設(shè)置為外部中斷模式，并將數(shù)據(jù)接收設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)中斷。數(shù)據(jù)顯示、傳感器檢測(cè)以及報(bào)警任務(wù)程序在主程序中循環(huán)調(diào)用。其中，初始化函數(shù)包含了時(shí)鐘配置、I/O口初始化、中斷初始化、各功能模塊初始化等，為系統(tǒng)工作做好準(zhǔn)備。外部中斷入口對(duì)應(yīng)的中斷源為主機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)的P1.4引腳，在初始化函數(shù)中將該引腳設(shè)置為外部中斷模式。主機(jī)流程圖在此不再贅述。

　　3.3系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

       圖8為甲醛傳感器模擬輸出特性曲線圖，橫軸為濃度值，縱軸為采集到的電壓，根據(jù)圖中提供的數(shù)據(jù)可知，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可計(jì)算出甲醛在空氣中的含量。設(shè)采集到的電壓為Vx，甲醛濃度為Y,則計(jì)算公式為：

4結(jié)論

　　圖9為系統(tǒng)主機(jī)實(shí)物圖及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線顯示。系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件編程兩部分,實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)甲醛含量的實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)警監(jiān)測(cè)。采用卡爾曼濾波器對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波，保證了采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)檢測(cè)精度高、功耗低、穩(wěn)定性好，可用于建筑室內(nèi)甲醛氣體含量監(jiān)測(cè)，也可用于電廠、化工、地下管道等施工環(huán)境監(jiān)測(cè)，防止甲醛中毒事故發(fā)生。

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