基于MSP430单片机的室内煤气与天然气泄漏报警系统设计毕业设计.doc
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1、基于MSP430单片机的室内煤气与天然气泄漏报警系统设计总计 毕业设计(论文) 47 页 表格 6 个插图 19 幅 摘 要随着天然气的大量使用,每一座居民大楼都被天然气所“笼罩”。天然气的普及给公共生活带来了方便,减少了城市的污染,提高了生活质量和效率,但是同时,天然气也是潜在的“危险品”,一旦发生大面积泄漏,处置不及时就可能引发大爆炸,给居民的生命财产安全带来巨大的威胁。面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁,我们需要一个解决办法。使用天然气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。 本论文以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器可实现声光报警功能,是一种结构简单、性能稳定、使用方便、
2、价格低廉、智能化的气体报警器,具有一定的实用价值。其中选用MQ-2传感器实现对气体的检测,具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点,而且价格低廉,使用寿命长。经msp430单片机处理,并对处理后的数据进行分析,是否大于或等于某个预设值(也就是报警限),如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音,反之则为正常状态,而且在此设计中我们通过DS18B20温度传感器和msp430单片机进行连接,将温度信号转换成单片机可识别的数字信号,经过单片机处理并对其进行分析,最终将温度还有气体的浓度显示1602液晶显示器中。 关键词 气敏传感器 报警器 msp430单片机 温度传感器 AbstractWith th
3、e wide use of natural gas, each residential towers were enveloped by the gas. The popularity of natural gas to public life brought convenient, reduce the citys pollution and improve the life quality and efficiency, but at the same time, natural gas is also potential dangerous, once produce large lea
4、k, disposal not timely could trigger, the big bang to peoples life and property safety brought great threat. Facing the gas leak all kinds of accidents caused by threats, we need a solution. Use of natural gas alarm is deal with gas invisible killer one of the important means. This papers to the sem
5、iconductor gas sensors and single chip microcomputer as the core design can realize the gas alarm sound-light alarm functions, is a kind of simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive and intelligent gas alarm, has certain practical value. Among them we choose MQ-2 of gas detectio
6、n sensor, it has a high sensitivity, fast response, strong anti-jamming capability etc, and the price is low, service life long. by msp430 for processing the data and analysis, whether is equal to or greater than the a default value (that is, the alarm limit), if beyond the limit than it will automa
7、tically start alarm circuit warning voice, otherwise conversely for normal state. In this design, we connected DS18B20 temperature sensor and the msp430 micr- ocontroller ,it turns the temperature signals into the digital signal which the microcontroller can identify. Finally the temperature of gas
8、will be displayed on the LED display tube.Keywords :gas sensor alarm msp430 single chip microcomputer temperature sensor目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 MSP430单片机概述11.2 MSP430的特点21.3课题研究的主要内容41.3.1研究内容41.3.2论文安排4第2章 系统总体方案设计52.1控制系统的原理图52.2温度测量原理52.3 MSP430F149单片机62.3.1 MSP430F149的组成62.3.2 MSP430F149的特点7
9、2.3.3 MSP430F149的定时器及转换模块72.4 单线数字温度传感器DS18B2082.4.1 DS18B20的技术性能:92.4.2 DS18B20的应用范围92.4.3 DS18B20产品型号与规格102.4.4 温度传感器DS18B20特点:102.4.5 DS18B20使用中注意事项102.4.6温度传感器DS18B20内部结构112.5数据采集系统13第3章 硬件部分153.1 硬件电路图153.2 电源及复位模块163.3 键盘输入模块183.4报警模块193.4.1 功率放大器LM386193.4.2 LM386内部原理213.5 显示模块233.5.1 LCD1602
10、 基本参数及引脚功能233.5.1.1 1602LCD主要技术参数243.5.1.2引脚功能说明24第4章 软件部分294.1 最小系统设计294.2采集模块304.3键盘输入模块314.4显示模块344.5报警模块37总结38致谢39参考文献40附 录41 第1章 绪论本章简要介绍单片机技术在工业上生活中的主要应用,MSP430单片机的概述及特点,以及课题研究的主要内容及论文安排。 1.1 MSP430单片机概述MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。称之为混合信号处理器,主要是其
11、针对实际应用需求,把许多模拟电路,数字电路和微处理器集成在一个芯片上。德州仪器1996年到2000年初,先后推出了31X、32X、33X等几个系列,这些系列具有LCD驱动模块,对提高系统的集成度较有利。每一系列有ROM型(C)、OTP型(P)、和 EPROM型(E)等芯片。EPROM 型的价格昂贵,运行环境温度范围窄,主要用于样机开发。这也表明了这几个系列的开发模式,即:用户可以用 EPROM 型开发样机;用OTP型进行小批量生产;而ROM型适应大批量生产的产品。2000年推出了11X/11X1系列。这个系列采用20脚封装,内存容量、片上功能和I/O引脚数比较少,但是价格比较低廉。这个时期的M
12、SP430已经显露出了它的特低功耗等的一系列技术特点,但也有不尽如人意之处。它的许多重要特性如:片内串行通信接口、硬件乘法器、足够的I/O引脚等,只有33x系列才具备。33x系列价格较高,比较适合于较为复杂的应用系统。当用户设计需要更多考虑成本时,33x并不一定是最适合的。而片内高精度A/D转换器又只有32x系列才有。2000年7月推出了F13x/F14x系列,在2001年7月到2002年又相继推出F41x、F43x、F44x。这些全部是 Flash 型单片机。F41x系列单片机有48个I/O口,96段LCD驱动。F43x、F44x系列是在13x、14x的基础上,增加了液晶驱动器,将驱动LCD
13、的段数由3xx系列的最多120段增加到160段。并且相应地调整了显示存储器在存储区内的地址,为以后的发展拓展了空间。MSP430系列的部分产品具有Flash存储器,在系统设计、开发调试及实际应用上都表现出较明显的优点。TI公司推出具有Flash 型存储器及JTAG边界扫描技术的廉价开发工具MSP-FET430X110,将国际上先进的JTAG技术和Flash在线编程技术引入MSP430。这种以Flash 技术与FET开发工具组合的开发方式,具有方便、廉价、实用等优点,给用户提供了一个较为理想的样机开发方式。2001年TI公司又公布了BOOTSTRAP LOADER技术,利用它可在烧断熔丝以后只要
14、几根线就可更改并运行内部的程序。这为系统软件的升级提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP具有很高的保密性,口令可达到32个字节的长度。TI公司在2002年底和2003年期间又陆续推出了F15x和F16x系列的产品。在这一新的系列中,有了两个方面的发展。一是从存储器方面来说,将 RAM 容量大大增加,如F1611的RAM容量增加到了10KB。二是从外围模块来说,增加了I2C、DMA、DAC12 和SVS等模块13。1.2 MSP430的特点11、处理能力强MSP430系列单片机是一个16位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址,4种目的操作数寻址),简
15、介的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可以参加多种运算;还有高效的查表处理命令。这些特点保证了可以编制出高效的源程序 。2、运算速度快MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下,实现40ns的指令周期16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如 FFT 等)。3、超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先,MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时,
16、芯片的电流最低会在165A左右,RAM保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次,独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的时钟系统:基本时钟系统、锁频环(FLL和FLL+)时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器(32768Hz),也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0LPM4)。在实时时钟模式下,可达2.5A,在RAM保持模式
17、下,最低可达0.1A。4、片内资源丰富MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A0(Timer_A0)、定时器A1(Timer_A1)、定时器B0(Timer_B0)、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端口、基本定时器(Basic Timer)、实时时钟(RTC)和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中,看门狗可以使程序失控时迅速复位;模拟比较器进行模拟电压的比较,配合定时器,可设计出 A/D 转换器;16 位定时器(Timer_A和Timer_B)具有捕获
18、/比较功能,大量的捕获/比较寄存器,可用于事件计数、时序发生、PWM等;有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用;具有较多的I/O 端口,P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入;10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率,最高可达200kbps,能够满足大多数数据采集应用;能直接驱动液晶多达160段;实现两路的12位D/A转换;硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展;以及为了增加数据传输速度,而采用的DMA模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。5、方便高效的开发环境MSP430系列有OPT型、
19、FLASH型和ROM型三种类型的器件,这些器件的开发手段不同。对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片;对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境,因为器件片内有JTAG调试接口,还有可电擦写的、FLASH存储器,因此采用先下载程序到FLASH内,再在器件内通过软件控制程序的运行,由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器,而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。1.3课题研究的主要内容1.3.1研究内容本设计以实现基于MSP430单片机的室内煤气与天然气泄漏报警系统设计为主要目标,主要内容有:1
20、、介绍MSP430单片机的结构及工作原理;2、实现对可燃性气体进行检测,可燃气体浓度达到报警设定值时,应能报警。3、控制系统所需的控制电路,设计控制系统;控制电路主要由MSP430F149单片机、MQ-2气敏传感器、 LCD1602.4、系统原理图、方框图和线路图等。1.3.2论文安排(1) 原理部分:第1章主要介绍了MSP430单片机的特点,结构和工作原理。(2) 硬件电路部分:第3章详细介绍了系统的硬件电路图,MSP430的结构图及外围电路。(3)软件部分:介绍了系统的软件流程图。 第2章 系统总体方案设计本章主要介绍系统的原理图以及测量原理,然后介绍本设计的核心部件MSP430F149单
21、片机和MQ-2气敏传感器。2.1控制系统的原理图本设计的控制系统主要包括五部分:采集模块,键盘输入模块,电源及复位模块,报警模块,显示模块,具体结构如图2-1所示。图2-1 控制系统原理图2.2 气体传感器的选型气体传感器属于气敏传感器,是气-电变换器,它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号,通过A/D转换电路,将模拟量转换成数字量后送到单片机,进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。气体传感器作为燃气泄漏报警器的信号采集部分,是仪表的核心组成部分之一。由此可见,气体传感器的选型是非常重要的。2.2.1气体传感器介绍1.气体传感器的分类 (1).半导气体传感器
22、这种类型的传感器在气体传感器中约占60%,根据其机理分为电导型和非电导型,电导型中又分为表面型和容积控制型.(2).固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子,从而形成电动势,测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高,灵敏度和选择性好,得到了广泛的应用,几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域,仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。 开发新的气体传感器,特别是开发和完善智能气体传感系统,使之可以在气体泄漏事故中起到报警、检测、识别、智
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