基于单片机的室内甲醛检测系统设计——毕业论文

西南交通大学本科毕业设计（论文）西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于单片机的室内甲醛检测系统设计摘 要如今，随着国家经济的飞速发展，人们在不断追求高生活质量的同时，也开始越发地关注个人健康与环境卫生。而如今人们最关注和担心的是无处不在的空气污染，尤其是从新家具中的粘合剂、油漆等涂料中挥发出来的致癌物质甲醛。因此本课题将重点放在设计制作一种简易、精确、易用、低成本的室内甲醛检测系统。本文的设计以单片机为核心，搭配传感器、液晶屏等外围模块，在程序的控制之下，实现对空气中甲醛浓度的精确定量检测并在液晶屏上显示，同时可将检测结果通过无线的方式发送至用户手机软件中方便远程查看，此外，可通过手机软件对单片机的显示内容以及液晶显示屏的开关进行远程控制。本文主要的研究重点在于甲醛检测系统的综合实现方式，以及如何在空气甲醛检测精度、检测效率及易用性、系统成本开销三者之间进行权衡。论文首先简要介绍了当今市面上的室内甲醛检测系统的分类、工作原理，以及每一种甲醛检测系统的优缺点，然后对系统整体设计的需求进行分析，从检测精度、检测效率及易用性、系统成本开销等方面，对检测系统的主要器件进行选型。之后介绍了使用Altium Designer 17软件对整体硬件电路部分的设计细节，在此基础上，对单片机的整体程序设计结构、实现方式以及流程进行阐述，并细致介绍每一个模块的实现原理。经过软、硬件综合运行的功能验证测试，本系统实现了通过液晶屏和手机远程监测方式的室内空气甲醛检测功能 ，并实现了通过手机蓝牙对检测系统液晶屏的开启与关闭、液晶屏显示内容的控制等功能，满足系统总体低功耗的要求。关键词：甲醛检测；MSP430单片机；低功耗蓝牙；手机端应用程序第 V 页AbstractNowadays, with the rapid development of the national economy, people are striving to improve their quality 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 paints. Therefore, this thesis will focus on the design of a simple, accurate, easy to use, low-cost indoor formaldehyde detection system.In this thesis, the design is based on the microcontroller, 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 wirelessly sent to the application on a users 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 remotely. The main researches of this thesis are the comprehensive realization of the formaldehyde detection system, and trading off between the accuracy of air formaldehyde detection, detection efficiency, ease of use, and system cost.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 introduced. 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 determined. After that, the thesis comes to the introduction of Altium Designer 17 software and the process of designing the circuit with its help. On this basis, the paper presents the overall design of the program, implementation methods and the whole processes in detailed, even the principle of each module.After the hardware and software running through the functional verification test, this system implements all 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 consumption.Keywords: formaldehyde detection; MSP430; BLE Bluetooth; mobile application; 目 录第1章 绪 论11.1背景与意义11.1.1 甲醛的危害及主要来源11.1.2 课题研究的意义11.2现有检测空气中甲醛的方法21.2.1 氧化物气体传感器21.2.2 声表面波气敏传感器21.2.3 气体电子鼻31.2.4 电化学传感器31.3市面上几种甲醛检测仪的现状31.4论文章节安排4第2章 系统总体设计及硬件选型62.1系统需求分析62.2系统整体设计方案62.3单片机选型82.3.1 80C51单片机82.3.2 STM32系列单片机82.3.3 MSP430系列单片机92.4甲醛传感器原理及选择122.4.1 DART甲醛传感器122.4.2 ZE0-CH2O甲醛传感器142.5本章小结16第3章 硬件系统设计及制作173.1 MSP430G2553单片机173.1.1 MSP430G2系列单片机简介173.1.2 MSP430G2553 单片机的最小系统203.2 12864 LCD显示电路253.3 ZE08-CH2O甲醛检测模块电路283.4 DHT11温湿度传感器电路293.5 BLE4.0蓝牙模块电路313.6本章小结33第4章 软件系统设计344.1软件开发环境344.2软件系统总体设计344.3 系统初始化354.3.1时钟初始化364.3.2 UART初始化364.3.3 定时器初始化374.3.4 ADC初始化384.3.5 12864 LCD初始化384.4统一精确延时函数394.5 ADC模数转换404.6蓝牙通信程序414.7手机端应用程序434.7.1 蓝牙设备搜索444.7.2 蓝牙设备连接454.7.3 数据传输及处理454.7.4 交互界面布局454.8本章小结46第5章 装配及测试475.1甲醛检测仪的制作及装配475.2测试方式及目标485.3测试结果485.4本章小结51结 论52致 谢54参考文献55附录1 PCB原理图56附录2 PCB设计图57第1章 绪 论1.1背景与意义如今，室外各种空气污染的问题越来越成为人们关注的对象和焦点。然而随着国家的飞速发展，建设制造业的规模不断扩大，以及化学工业技术的不断进步，室内各种家具、涂料中残留的化学物质对室内空气的污染情况也十分严峻，尤其是那些无色无味、我们难以感知的潜在气态化学物质对人类的健康造成了巨大的威胁1,2。甲醛，作为室内空气污染的主要污染源之一，也越发地收到人们的重视。因此本课题将致力于追求室内甲醛检测设备的高精确性、低成本、小型化、低功耗化、智能化，尽可能地加大其实用价值。1.1.1 甲醛的危害及主要来源甲醛，常温下是一种具有刺激气味的无色气体，也是一种潜在的致癌物质，对人体健康有巨大的危害，许多疾病的诱发都与甲醛有关，如哮喘，白血病等。甲醛对健康危害出要有以下方面：刺激作用、致敏作用以及致突变作用。当室内空气中甲醛含量为0.1mg/m3时，就有异味和不适感。达到0.5mg/m3时，就会使得眼睛刺激，引起流泪3，甲醛对人体健康的危害不容忽视。目前，中华人民共和国国家标准居室空气中甲醛的卫生标准中明确规定：居室空气中甲醛的最高容许浓度为0.08毫克/立方米（0.08mg/m3）4。检测方法：分光光度计化学分析法，在现场进行空气采样，然后在实验室进行分析。其特点是数值准确、抗干扰性强，是目前国家室内空气甲醛的唯一标准检测方法。当前我们每个人家庭中的甲醛污染源主要来源于四个方面：一方面，甲醛是用来制作室内装饰的胶合板等人造板材的原料。因为甲醛具有较强的黏合性，还同时具有强化板材的硬度，以及防止蛀虫、防止腐蚀的能力，所以目前我国在生产各种人造板材所使用的粘合剂是以甲醛为主要成分的树脂；第二方面，甲醛可残留于各种人造板制造的家具；第三方面是含有甲醛成分的其他各类装饰材料，如白乳胶、泡沫塑料、油漆和涂料等。尤其要注意的是，乳胶粘合剂在装饰装修中被广泛应用于木器工程和墙面处理方面，特别是封闭在墙面的乳胶中的甲醛很难清除；四是室内装饰纺织品、包括床上用品、墙布、墙纸、化纤地毯、窗帘和布艺家具。在纺织生产中，为了增加抗皱性能、防水性能、防火性能，常加入一些含有甲醛助剂5。1.1.2 课题研究的意义在我们平日的生活里，现有的标准检测方法虽然准确，但很难满足日常甲醛检测便利性、时效性。传统的甲醛检测设备不仅体积过于庞大，操作过于繁琐，对检测人员专业度要求较高，而且整体检测成本非常高，因此并不能使得甲醛检测设备在普通百姓家庭中得以普及应用。正是因为如此，人们需要一种既能满足结果相对准确，又能确保检测过程的快速简洁，同时竟可能地做到检测设备寿命长久、低功耗、微型化，以满足对检测设备的隐蔽性、便携性的实用性需求。1.2现有检测空气中甲醛的方法在众多检测空气中甲醛含量的方法中，传统的方法主要是化学方法。也就是通过将空气中采样获得的气体样本与某种化学物质进行反应，由反应结果来测得样本中甲醛含量，最后通过计算得出空气中甲醛浓度。例如乙酰丙酮分光光度法、气相色谱法、电化学传感器法等等1。这些传统的方法操作繁琐，分析时间长且测量精度低，因此传统的甲醛化学测量方式并不适合应用于普通用户居家使用。然而近年来，随着半导体技术的不断发展，市面上半导体传感器的种类变得越来越丰富，同时测量的精度也越来越高。其体积小、测量效率高、对操作人员专业度要求低、检测精度相比传统化学检测方法有过之而不及的种种优点，使得各类半导体传感器在市面上拥有了广阔的发展前景。在甲醛检测传感器方面，主要有氧化物气体传感器、电化学传感器、甲醛声表面波气体传感器、甲醛气体电子鼻等5。1.2.1 氧化物气体传感器氧化物气体传感器，是一种利用金属氧化物气敏元件作为敏感元件的气体传感器。 其工作原理是利用被测气体的吸附作用，从而改变半导体气敏元件的电导率，从而改变通过传感器半导体元件的电流大小7。由于氧化物气体传感器测量时收周边环境影响较大，例如环境的温度、湿度等参数变化都会导致其检测结果的输出不稳定，因此难以对检测结果进行精确量化。然而正是因为其反应十分灵敏的原因，氧化物气体传感器被广泛应用在检测气体微小泄漏的装置上。1.2.2 声表面波气敏传感器声表面波气敏传感器较为复杂，其由压电材料、叉指换能器以及振荡电路构成。由于声表面波器件的波速和频率会随着周围环境变化而改变，声表面波气敏传感器利用了这一特性，在压电晶体表面涂覆了一层具有气体选择特性的吸附薄膜。当薄膜与对应气体相互作用时，薄膜的导电率发生变化，从而引起声表面波的频率偏移。通过测量声表面波频率变化即可精确得到对应检测气体浓度的变化8。与其他种类的传感器相比起来，声表面波传感器具有成本低，精度、分辨率高，抗干扰能力强的特点。由于其输出信号为频率参量，方便与计算机接口组成处理系统。传感器采用集成电路平面工艺，使得其体积与重量得以大大的减小。1.2.3 气体电子鼻气体电子鼻是通过模拟动物嗅觉器官的一种新型传感器，它是一种利用气体传感器阵列的综合响应图来识别出气体的电子系统。气体电子鼻主要由气体取样操作器、气体传感器阵列以及信号处理系统组成，其工作原理是通过在阵列中每个传感器对被测气体都有不同的灵敏度，从而使阵列对被测气体产生响应图案。通过对响应图案的分析，得出被测气体的气味与浓度。气体电子鼻的引用范围十分广泛，例如环境监测、产品质量监测、爆炸物检查等。1.2.4 电化学传感器电化学传感器是一种通过被测气体与电极上的气体对应反应物质发生氧化还原反应，从而产生流经外部线路的电流的传感器。其构造通常为二到三个与电解液接触的电极，电极以及电解液与周围空气相接处，储存在有气体通孔的塑料盒内。电化学传感器的特点在于其生成的测量信号极为微小，几乎无法直接对其进行处理，须先进行信号放大和其他信号加工。电化学传感器输出电流信号与被测气体浓度的线性关系较好，灵敏度也十分高，且成本低因此十分经济。但因为电化学传感器是通过氧化还原反应产生的微电流信号来判断被测气体浓度，在检测过程中可能会受到其他种类的带有氧化性质气体的干扰9，因此可在气体通孔附近使用化学过滤消除其他干扰气体。由于电化学传感器是一种通过化学反应生成检测信号的传感器，其寿命是非常有限的。在目标气体中暴露时间越长，其寿命越短。一般电化学传感器的有效寿命为一到三年，因此需要定期的维护以及校准。1.3市面上几种甲醛检测仪的现状目前，我国国内市面上甲醛检测仪种类繁多，质量层次不齐，价格从一百多元至上千元不等。虽然检测空气中甲醛含量的方式有很多种，但基本上大多仪器的传感器模块还是基于电化学传感器。表格1是对市面上销售的多种甲醛检测仪的参数进行比较分析5。表1-1 市面甲醛检测仪型号生产企业主要参数GT-1000-CH2O泵吸式复合气体检测仪（甲醛）深圳市科尔诺电子科技有限公司测量范围：0-10、20、50、100、500ppm可选分辨率：0.01ppm检测精度：3%ET-4160甲醛分析仪美国INTERSCAN测量范围：019.99ppm分辨率：0.1 ppm检测精度：2%FM801多模式甲醛检测仪美国Gray Wolf检测原理: 光电吸光分析法测量范围：10ppb 1,000 ppb分辨率：1ppb检测精度：10 ppbTY2000-HCHO泰州金航分析仪器有限公司测量范围：0.01-9.99ppm分辨率：0.01ppm检测精度：1.5%1.4论文章节安排本课题将重点放在设计并实现对室内空气中甲醛气体含量的检测，目标群体为普通用户，设计出一款小巧、易用、精确、高效、低能耗的甲醛检测设备，并通过液晶显示模块将检测到的数值显示出。当甲醛浓度超过国家标准时通过报警模块对用户进行告警。为满足远程监控测量的需要，通过蓝牙BLE模块将甲醛检测数值上传到手机应用程序中查看。同时在满足尽可能多的功能，尽可能高的精确度前提条件下，降低成本，论文共分为以下五章。本文的第一章节为绪论，这一章简要分析介绍当今市面上的室内甲醛检测系统的分类、工作原理，以及每一种甲醛检测系统的优缺点比较，并对正文每一章节内容进行简要的概述。在第二章节中，本文从检测精度、检测效率及易用性、系统成本开销这三个方面，对设计的检测系统的单片机、传感器、外围器件等各类硬件选型进行分析。在第三章中，本文介绍了通过Altium Designer 17软件对整体硬件电路部分的设计以及制作，并包含了整个PCB制作的流程，尤其着重称述对各类具体元器件的选型进行分析。第四章中，本文对单片机的整体程序设计结构、理念，以及实现方式进行称述，并细致介绍每一个模块的实现原理。在这一章节中，展示了本检测系统总体的低功耗的实现原理。第五章则给出了最终软、硬件综合运行的实际效果，并与专业检测设备的检测结果进行比对。最后分析调试期间所遇到的问题。第 54 页第2章 系统总体设计及硬件选型对于一个系统来说，选的硬件能满足设计需求，并且应用合适，则事半功倍。若硬件与硬件之间搭配不协调，则会影响到整体系统的稳定性，甚至会导致部分功能的缺失。因此本章节将对系统的整体功能需求进行分析，并根据其具体的需求，确定系统的整体设计框架，且对主要硬件部分进行选型。2.1系统需求分析本系统主要需要实现的功能是：甲醛传感器检测当前室内空气甲醛气体浓度，将检测的数据输出至单片机。由温度湿度检测模块将周围环境的温湿度值，并将其回传至单片机的I/O引脚。单片机将得到的甲醛浓度、温度、湿度值显示在LCD液晶屏上不断更新，同时将数值通过低功耗BLE蓝牙上传至手机应用程序中。当室内空气中甲醛浓度值超过国家标准，即超过0.08毫克每立方米时，以闪烁红色LED指示灯进行报警。同时需要实现手机端应用程序对检测系统的显示界面翻页控制功能，并在不需要使用液晶显示器的时候控制其关闭以减小电能损耗，使得整体系统在电池供电的使用场景下能达到连续数十天的续航水平。为了实现以上的功能需求，甲醛浓度检测系统需要甲醛电化学传感器、温度湿度传感器、单片机、蓝牙通信模块、稳压电源等模块。对于甲醛电化学传感器、温度湿度传感器的要求有体积小、稳定性及测量精度高、功耗低的要求；对单片机的要求有封装尺寸小、性能及外设配置够用以及超低的功耗；对蓝牙通信模块的要求具有信号强度高、支持低功耗睡眠模式，以及全双工双向通信的能力；对电源要求其能提供稳定的电压供应，具有尽可能小的电压波动，能滤除数字电路的高频噪声，以及尽可能低的电力转换损耗。2.2系统整体设计方案整体的硬件系统设计框图如图2-1所示。图2-1 系统总体结构框图从上框图可见，本硬件系统设计采用了以单片机为核心的方案，分为甲醛传感器、温度湿度传感器、液晶显示及告警模块、蓝牙通信模块以及单片机，五大部分分别设计。其中甲醛传感器模块作用在通过电化学方式将甲醛浓度转化为电信号，经过电路对信号的放大、滤波处理后输入到单片机的模数转换模块中采集转换为浓度真值。温度湿度传感器模块则是通过容性空气温度和湿度传感器对环境的温度和湿度进行检测，并通过单总线双向以问答模式的工作方式与单片机通信。液晶屏及告警模块负责将检测的各项数据显示在液晶屏上，同时当甲醛浓度值超标时通过点亮红色LED发光二极管进行告警。蓝牙通信模块实现了检测系统与手机端应用程序之间的交互功能，系统采用一颗以德州仪器CC2540为核心的BLE低功耗蓝牙模块，经由UART通用异步收发传输器与单片机双向通信，使得手机端应用程序能够远程获得检测系统上传的甲醛浓度数据，并能够在手机应用程序中发送指令，控制甲醛检测系统液晶屏等模块的开启与关闭，从而尽可能地追求低功耗的设计目标。由于系统中的各类传感器为模拟信号设备，单片机、LCD液晶屏和通信电路为数字信号，为了尽可能减小数字电路的噪声对传感器模拟信号的干扰，电源电路部分的合理设计是十分重要的。手机端应用程序设计结构框图如图2-2所示。图2-2 手机端应用程序结构框图在手机端应用程序的设计上主要分为四个界面，分别为蓝牙设备搜索界面、功能选择界面、设置界面以及操作交互界面。其中蓝牙设备搜索界面实现将周围所有可搜索到的BLE协议设备的名称、信号强度等信息在一个列表中显示，并不断刷新。功能选择界面中显示了已连接的甲醛检测系统的所有功能项目，例如数值显示、绘制图表、远程控制等。设置界面则实现了对不同蓝牙模块的UUID等信息的修改，使得该应用程序能支持更多的BLE低功耗蓝牙模块。操作交互界面则实现了将接收到的甲醛浓度数据显示在屏幕上，并可通过界面上的功能按键对甲醛检测仪各模块的开关、液晶屏翻页等功能进行远程控制。2.3单片机选型室内空气甲醛浓度检测系统，作为一个完整的系统，可能需要用到模数转换对传感器回传的信号进行数字化处理，为了在液晶屏模组上显示检测结果，可能需要用到相应的串行通讯。与蓝牙BLE模块之间的通信，又需要系统的核心元件对UART通用异步收发进行支持。要支持如此丰富的外设功能，FPGA核心芯片硬件设计并没有提供足够的支持，虽然能通过IO端口进行UART模拟，也可以通过外接独立ADC模块进行传感器信号的预处理以及模数转换，但要其实现起来，时间、人力、物料成本的开销并不经济。因此，单片机，一种采用了超大规模集成电路，将具备数据计算能力的中央处理器、随机存储器、闪存、中断系统、定时器、模数-数模转换模块集成到一块小小的芯片上的微系统，满足了本课题室内空气甲醛浓度检测系统的绝大多数功能需要的同时，在物料开销、开发时间的开销上十分经济。2.3.1 80C51单片机51单片机的大名相信很多人在很久以前就有所耳闻。其最早是由大名鼎鼎的Intel公司开发的MCS-51，基于早前的8048的架构进行改进，增加了例如乘、除、减、比较等运算指令，以及串行通信的能力9。80C51采用DIP40 双列直插式四十引脚封装，配置为8位CPU，4KB的ROM，128B的RAM，32条I/O端口，1个全双工串行通讯口。工作电压5V，片内时钟电路最佳振荡频率为6MHz-12MHz。后续改进幸好有8031、8051和8071等产品。MCS-51典型工作功耗约630mW，约为89C51的五倍，51单片机的生产商也不仅仅只有Intel，Atmel的AT89C51、AT89S51同样属于51单片机，所有教科书、教程以及程序在这些不同的51单片机上都可以使用，向下兼容。对于本课题要求而言，51系列单片机性能足够，外设也足够丰富，但是由于51系列单片机年代较为久远，制作工艺较为落后，造成其封装体积过大，需要占用大面积电路板有效面积，不利于室内空气甲醛检测系统的微型化，同时其5V供电以及其较大的典型工作功耗，不利于整个系统的低功耗的目标。2.3.2 STM32系列单片机STM32系列单片机是一种新新单片机家族，其定位是专门与高性能、低成本、低功耗的ARM架构单片机，使用ARM Cortex-M3内核。其基本型时钟频率为36MHz，增强型系列的时钟频率达到了72MHz，在同类型产品中性能表现都是最高的7。STM32系列单片机以16位单片机的价格成本实现了32位单片机的性能，性价比极高。从功耗上来看，其72MHz时钟频率工作状态下，典型工作电流约为36mA，也是当今市场上单位频率功耗最低的32位产品，相当于0.5mA/MHz。以其代表型号STM32F5来举例，得益于ARM公司的高性能以及高能耗比的Cortex-M3内核，其单位频率计算能力达到1.25DMips/MHz，相比于上一代的ARM7TDMI内核仅0.95DMips/MHz的单位频率计算能力有着大幅度提升，从而进一步地提升了内核的能耗比。除此之外STM32F5还拥有着一流的外设，其拥有双12位ADC，速率高达4Mbps的全双工UART，18Mbps的SPI，以及18MHz的I/O翻转速度。从各项性能指标来看，STM32系列单片机毋庸置疑是一款十分出色的单片机。无论是其强大的运算性能还是丰富的片上外设，如今都没有什么系列的低功耗单片机能与之相比。但对于满足本课题室内空气甲醛检测系统而言，STM32的性能过于强大，片上外设更是过于丰富。若采用STM32来实现本课题的目标，就会导致大量片上外设空闲，造成不必要的浪费。同时由于STM32强大的32位ARM Cortex-M3内核，其工作功耗相比改进型51单片机，以及下文将介绍的MSP430系列相比都要高很多。因此STM32系列单片机对于本课题的室内空气甲醛浓度检测系统来说并不是一个十分合适的选择。2.3.3 MSP430系列单片机MSP430系列单片机是由美国德州仪器公司，于1996年投入市场的一种16位、超低功耗、精简指令集（RISC）的混合信号处理器21。之所以称之为混合信号处理器，是因为MSP430将多个不同的模拟、数字电路模块，以及处理器集成在同一个芯片上，是一款名副其实的“单片机”。这一系列的单片机得益于其高集成度以及超低的工作能耗，多应用于使用电池供电的手持式仪表中。MSP430系列单片机作为一款16位单片机，采用精简指令集，且具有十分丰富的寻址方式，因而其能实现七种源操作数寻址以及四种目的操作数寻址。除此之外，其简洁的27条内核指令以及众多种类的模拟指令、高效率的查表处理指令等等因素，使其可编译出高效率的源程序。MSP430系列单片机相比其他系列家族的单片机最大的特点，也是其最大的优点，就是其具有超低的功耗，因而MSP430在电池供电的应用中十分的受欢迎。MSP430可以通过限制电池流耗从而有效地延长具体应用中电池的使用寿命。在如今锂离子、锂聚合物等电池技术发展缓慢的背景下，如何降低整体系统功耗来使得系统达到最佳电池使用寿命，越来越成为人们关注的对象。MSP430实现如此低的功耗有着多方面的原因，一方面MSP430的硬件制造采用了低功耗低漏电工艺，另一方面MSP430将低功耗模式（Low Power Mode）扩展为7种，以分别对应满足不同任务、不同场合的低功耗应用需求18。在外围设备上，MSP430集成了ADC、电源管理、时钟管理等功能，使得在应用时无需添加额外的外部设备。无论是硬件还是软件上，低功耗都明确成为了MSP430的设计目标。由图2-3可见，MSP430具有宽泛的工作电压。随着要求工作频率的不同，MSP430的工作电压可在1.8V至3.6V之间选择，这为如今许多通过电池供电的应用提供了极大的方便，这使得其使用方式可简单到直接将MSP430连接至电池供电。例如我们可以直接使用两节1.5V的碱性纽扣电池为MSP430供电，3V的电压就可以使得MSP430在几乎所有的工作频率下稳定运行。图2-3 MSP430频率与电压需求关系我们再来看在不同工作频率下，MSP430工作电压与流耗之间的关系。由图2-4可见，在同一个工作频率下，工作电压越高，会导致其流耗增大。这说明为了达到整体系统低功耗的目的，在满足MSP430工作频率所对应的最低电压情况下，可以竟可能的降低工作电压，从而降低单片机的电流损耗。很多人可能不在意这一点点的电流损耗，在这里举个例子。若MSP430在3.3V的电压下以1MHz的频率运行，查表得其工作电流约为390uA。但由图2-3以及图2-4可知，若无需对编程闪存进行操作，MSP430在1MHz工作频率下的工作电压可以为1.8V至3.6V之间任意数值。若将电压从3.3V下调至2.2V，电流损耗就会下降到270uA，相比之前3.3V工作电压下的电流损耗减少了超过30%，可见这会对整体功耗起到多么巨大的影响。图2-4 MSP430电压与流耗关系MSP430的极限性能与最近发展势头较猛的Cortex-M系列内核相比的确逊色一些。然而在低功耗的控制方面，MSP430系列的那片机为实现尽可能低的功耗，提供了丰富详细的解决方案，其优势依旧是无可匹敌的。 在如今的单片机领域，大家都在朝着32位、高性能、低功耗发展，原先的16位单片机变得越发冷清，但是任何一款单片机都有其独特的生存空间。在微控制应用上，有的简单指令在16位单片机上运行就只需要一个指令周期，而放到32位单片机上，由于引入了流水线处理，在处理短指令时反而需要两三个周期才能实现，这使得32位单片机尽管速度更快了，但是有的时候运行效率反而没有早前的16位单片机高。综合考虑本课题室内空气甲醛检测系统的需要，满足外部数个甲醛、其他传感器的数据采集，以及通过LCD液晶模块显示，通过UART与BLE低功耗蓝牙模块通信以满足手机端的数据接收和远程控制功能，同时满足超低功耗、低成本，以及封装尺寸小巧，引脚端口数量够用，MSP430G2系列单片机最为满足本课题的应用需求。基于对系统整体代码量的预计，以及对端口、引脚数量需求的规划，本系统的核心芯片最终确定为MSP430G2553，其具体参数见表2-1，封装图见图2-5。图2-5 G2553芯片封装表2-1 G2553详细参数项目参数值Frequency (MHz)16Non-volatile Memory (KB)16RAM (KB)0.5GPIO Pins20UART1ADCADC10 - 8chTimers - 16-bit2Active Power (uA/MHz)330Standby Power (LPM3-uA0.72.4甲醛传感器原理及选择上文绪论中例举了数种检测空气中甲醛浓度的方法，这些方法各有各的优缺点。采用传统化学甲醛检测方法的检测精度虽然较为准确，但其检测步骤繁琐，检测时间周期较长，对普通用户来说使用难度较大。因此市面上大多甲醛检测设备都是使用传感器检测法。而甲醛传感器又主要分为金属氧化物传感器和电化学传感器，其中金属氧化物传感器受环境影响较大，而且输出线形不稳定，对检测设备的环境保持能力以及信号处理能力要求较高。而电化学传感器对检测环境没有太多要求，无需环境保持系统，因而其体积小，方便实现检测设备的小型化。因此本课题主要对甲醛电化学传感器进行分析以及对比来做出选择。2.4.1 DART甲醛传感器DART电化学甲醛模块是一个通用型模组，由英国DART公司生产。其利用电化学原理对空气中存在的CH2O进行探测，此模块与英国达特甲醛传感器相结合，具有良好的稳定性。此模块带有NTC温度传感器，可进行温度补偿。该模块是将成熟的电化学检测技术与精良的电路设计紧密结合，设计制造出的通用型气体模组9。主要应用于便携式仪表、空气质量监测设备、空气净化机、新风换气系统、空调、智能家居设备等场所，传感器实物图与尺寸图如图2-6，2-7所示。图2-6 DART传感器实物图图2-7 DART传感器外形尺寸DART传感器是一种两电极的电化学传感器，通过扩散原理实现，因此外部不需要采样器件。当空气中含有甲醛气体时，甲醛会从传感器表面的通透膜扩散到内部，并与浸泡在电解液中，具有催化性能的电极发生氧化还原反应。反应过程中产生的微弱电流由传感器的两个电极输出，电流强度大小与甲醛浓度成正比。具体的反应过程为16：感应电极反应式： （2-1）计数电极反应式： （2-2）总反应式： （2-3）因此DART甲醛传感器本生是一个无源器件，其传感器特性如表2-2所示。由于DART传感器的输出信号非常微弱，因此需要使用高放大倍数的运放来将信号放大，放大电路的设计以及相关器件的选择就变得非常关键。甲醛数值校准需通过调整放大电路的放大倍数，以及对软件的公式和参数调整来实现。传感器的输出电流在其量程内近似线性，因此传感器的输出电流大小可有下列公式计算得出： （2-4）表2-2 DART甲醛传感器参数参数典型值输出电流（nA）250300分辨率0.01ppm基线漂移0.03温度漂移0.35温度范围（）-1040湿度范围（%RH）1590寿命（年）3有此可见，DART甲醛传感器是一种最基本的甲醛检测传感器，其输出信号为模拟信号，模拟信号电流强度与甲醛浓度成正比。但由于DART甲醛传感器是没有经过具体数值标定的，因此若使用该种传感器，不仅对室内空气甲醛检测系统的电路设计带来很大的难度，还会给后期进行传感器的测量值与真实值之间的匹配标定带来非常大的工作量。2.4.2 ZE0-CH2O甲醛传感器ZE0-CH2O甲醛传感器，是一种小型化的电化学传感器。其通过电化学模块中电极上的反应物与甲醛进行氧化还原反应是生成的微弱电流进行放大兵数字化，同时传感器内部集成了温度传感器，能在测量甲醛浓度的同时获取周围环境的温度信息，根据经验算法，对甲醛浓度值进行温度补偿，使得该型传感器所输出的甲醛浓度检测值十分的稳定19，传感器实物及尺寸图如图2-8, 2-9所示。图2-8 ZE0-CH2O传感器实物图2-9 ZE0-CH2O传感器尺寸图ZE0-CH2O型甲醛传感器的检测值输出方式有多种，分为数字输出和模拟输出两大类，方便各类型的单片机所使用。由于ZE0-CH2O型传感器内置了信号放大以及ADC模数转换功能，其对使用时的周围电路设计要求并不高。当然，ZE0-CH2O型甲醛传感器依然保留了经过信号放大之后的模拟数值输出功能。ZE0-CH2O型甲醛传感器的详细技术指标如表2-3所示。表2-3 ZE0-CH2O型传感器技术指标产品型号ZE08-CH2O检测气体甲醛干扰气体酒精，一氧化碳等输出数据DAC(0.42V标准电压信号)UART输出（3V电平）工作电压3.7V9V（带电压反接保护）预热时间3分钟响应时间60秒恢复时间60秒量程05 ppm分辨率0.01ppm工作温度050工作湿度15%RH-90RH（无凝结）使用寿命2年（空气中）由上表可见，ZE0-CH2O型甲醛传感器是一种高度集成的混合信号输出传感器。该型传感器基板上不光集成了信号放大电路，还集成了ADC模块、温度检测模块，并且经由微型处理器对甲醛浓度检测结果进行检测值到真实值的换算，从而免去了用户对其标定的步骤，大大降低了系统开发的难度，其数字输出方式为经过UART通用异步收发传输器与单片机之间进行数据交换。ZE0-CH2O型甲醛传感器具有对甲醛气体较好的化学选择性，表2-4为ZE0-CH2O型甲醛传感器对各类气体的交叉干扰特性。表2-4 ZE0-CH2O型传感器的气体交叉干扰特性气体浓度输出浓度氨气50ppm0ppm苯100ppm0.1ppm氯气10ppm0.1ppm一氯甲烷5ppm0.1ppm丙酮100ppm0.2ppm环氧乙烷10ppm0.5ppm二氧化硫20ppm0.8ppm硫化氢100ppm3.7ppm氢气500ppm5.5ppm乙醇131ppm5ppm甲醇42ppm5ppm甲醛5ppm5ppm根据本课题的设计目标，ZE0-CH2O型电化学传感器从测量精确度、零点漂移率、交叉干扰特性、经济等方面更适合于本课题所采用。2.5本章小结本章节主要对系统需求进行了详细分析，并基于系统的实际需求对硬件系统进行了总体结构设计，并对室内空气甲醛浓度监测系统的核心单片机以及甲醛电化学传感器进行充分的分析比较并最终确定选型。具体来说，本章先通过分别比较各大家族的单片机的个自特点，例如性能、片上外设种类、功耗等方面，确定了MSP430系列单片机最为适合本课题室内空气甲醛检测系统的需要，然后根据足够系统外设的需要以及对封装尺寸尽量小的需求，并满足片内程序闪存空间、运存空间足够的前提条件，MSP430G2553单片机最终确定为本课题所采用。在甲醛传感器的选择上，根据本课题对检测精度、量程，以及稳定度方面的考量，对多种甲醛传感器的工作原理、性能参数等方面作了详细的分析与比较，最终经过综合考量，本课题确定采用ZE0-CH2O型电化学传感器作为本系统的甲醛传感器。第3章 硬件系统设计及制作硬件系统部分的设计主要是对室内空气甲醛浓度检测系统的硬件总体结构以及对每个硬件功能模块的电路设计，具体包含了电源设计、电路设计等。本章将对系统的电源等每一个模组的电路设计进行详细的介绍。硬件系统的工作主要流程是：甲醛传感器检测当前室内空气甲醛气体浓度，以模拟电压的形式输出至单片机内置的ADC进行采样保持并且量化为数字值。与此同时，由温度湿度检测模块将周围环境的温湿度值，以全双工的单总线通讯形式，将检测出的温度以及湿度的数字量回传至单片机的I/O引脚。单片机将得到的甲醛浓度、温度、湿度值进行软件滤波，去除测量数据中的毛刺信号之后，将检测值显示在LCD液晶屏上不断更新，同时将数值通过低功耗BLE蓝牙模块上传至手机应用程序中。当室内空气中甲醛浓度值超过国家标准，即超过0.08毫克每立方米时，以闪烁红色LED指示灯进行报警。因此整体硬件系统主要分为：甲醛传感器模块、温度湿度传感器模块、单片机控制部分、LCD显示部分、蓝牙BLE通信模块、电源模块，以及按键复位电路部分。硬件系统的完整综合原理图可参考附录。下面本章将对以上各模块及其外部电路的设计进行详细的说明。3.1 MSP430G2553单片机3.1.1 MSP430G2系列单片机简介室内空气甲醛检测系统的控制核心，采用了德州仪器的MSP430G2553单片机芯片。这一系列的单片机是超低功耗的混合信号微控制器，片上集成了两个16位定时器、20个支持触摸检测的I/O引脚、一个10位的模数转换器，以及一个强大的16位采用精简指令集的CPU。为实现各种场景应用下的极低功耗，MSP430G2553提供了多达5种的节能模式，并能在不到1us的时间内快速地从待机模式中唤醒20。虽然MSP430G2553在整个系列里属于较低的配置型号，但丰富的时钟源依旧提供VLOCLK（12KHz）内部超低功耗低频振荡器、DCO内部数字控制振荡器，以及一个外部的低频晶振LFXT1CLK。这三种时钟源可通过寄存器，独立设定、分频为主时钟MCLK、子系统时钟SMCLK，以及辅助时钟ACLK的来源21，结构如图3-1所示。图3-1 MSP430G2553时钟结构其中MCLK为主时钟，可通过调整寄存器来选择VLOCLK、LFXT1CLK、 DCOCLK三者之一，经过分频后得到，且MCLK是CPU工作时钟的唯一来源，也可配置为其他片上外设的时钟源。上电默认选择DCOCLK为其时钟源。SMCLK为子系统时钟，也可通过配置相应寄存器来选择VLOCLK、LFXT1CLK、DCOCLK三者之一经过分频作为其时钟源，一般用作高速外设的时钟来源，可通过引脚输出到其他外设上进行时钟同步，上电默认选择DCOCLK为其时钟源。ACLK为辅助时钟，可通过配置寄存器来从VLOCLK、LFXT1CLK两者之一经过分频作为其时钟源，一般用于低速外设的时钟，可通过相应的引脚输出至片外的模块进行时钟同步，上电后默认选择VLOCLK作为其默认时钟源，当芯片的XIN和XOUT外接了低速晶振后，ACLK会选择LFXT1CLK作为其时钟源。相比绝大多数其他家族的单片机而言，MSP430的时钟模块显得有点复杂。但正是因为其时钟源如此丰富，使得各种应用能按照自己的需要使用不同的时钟源，从而达到低功耗的目的。具备了如此丰富的时钟源可供选择，MSP430G2553的多达5种的低功耗模式就能游刃有余地控制使用不同时钟源的片上、片外模块的开启与关闭，进入与退出低功耗模式都可以在程序中进行设定。其LPM低功耗的操作模式如表3-1所示。MSP430G2553单片机片上还集成了一个8个外部通道，10位ADC模数转换器。ADC模块的运行可独立于CPU，全程自动进行采样、保持、模数转换，甚至将转换结果存入内存，无需CPU进行干预，这再一次地体现了MSP430混合信号微控制器的低功耗设计理念。表3-1 MSP430G2553低功耗模式运行模式对应状态激活模式(AM)所有时钟处于激活状态低功耗模式0 (LPM0)CPU 被禁用ACLK 和SMCLK 仍然有效，MCLK 被禁用低功耗模式1 (LPM1)CPU 被禁用ACLK 和SMCLK 仍然有效，MCLK 被禁用如果DCO 不是在激活模式下被使用，则DCO 的DC生成器被禁用低功耗模式2 (LPM2)CPU 被禁用MCLK 和SMCLK 被禁用DCO 的DC生成器保持启用ACLK 保持激活低功耗模式3 (LPM3)CPU 被禁用MCLK 和SMCLK 被禁用DCO 的DC生成器被禁用ACLK 保持激活低功耗模式4 (LPM4)CPU 被禁用ACLK 被禁用MCLK 和SMCLK 被禁用DCO 的DC生成器被禁用晶体振荡器被停止片上的ADC10可从ADC10OSC独立的内部晶振时钟（最高达5MHz）、MCLK、SMCLK、以及ACLK中选择一个作为其时钟源。ADC10模块的参考电压源可通过配置寄存器，选择内部1.5V或2.5V的参考源，以及单片机外部的VCC、VDD等参考源。理论上电压参考源不能高于单片机工作电压3.3V，对于本课题的甲醛检测模组输出的模拟电压信号而言完全合适，为保证电压参考源稳定，尽可能使用内部参考源。MSP430G2553单片机的ADC10工作模式一共有四种，分别为单通道单次采样、序列通道采样、单通道重复采样，以及序列通道重复采样，不同的ADC工作模式可满足不同应用的需求。例如本课题的室内空气甲醛检测，空气中甲醛浓度变化速度相对较为缓慢，为达到检测系统低功耗的目的，无需让ADC持续转换工作。又因为只有一个传感器模拟电压信号需要采样量化，因此本系统适合采用单通道单次采样模式。除此之外，MSP430G2553还包含了两个16位定时器，两个寄存器功能基本相同。定时器的功能十分多，除了最基本的定时计数功能之外，还能作为比较器、PWM波形生成等功能。本课题甲醛检测系统主要使用到定时器的定时功能，因此将着重介绍定时器的详细工作原理。通过配置相应的寄存器，能选择计时器的工作模式、定时中断等。定时器大致分为四个模块，计数器、比较/捕获寄存器0、比较/捕获寄存器1，以及比较/捕获寄存器2，其中计数器为整个定时器的核心。16位计数器具有四种不同的工作模式，分别为停止、增计数、减计数，以及连续计数模式。每当计数器中的数值达到比较/捕获寄存器中的数值时便会触发一次计数中断，当16位计数器溢出时也会产生一个溢出中断。因此可以通过配置三个比较/捕获寄存器的值，以及选择相应的计时器时钟源，就可以精确地产生定时中断。3.1.2 MSP430G2553 单片机的最小系统MSP430G2553 单片机的最小系统是本课题室内空气甲醛浓度检测系统的核心部分。甲醛检测模块的模拟电压输入并行模数转换、周围环境的温度湿度检测模块输入的检测值、甲醛浓度的计算以及软件滤波、LCD界面以及检测数值的显示、通过BLE蓝牙模块进行数据上传等功能都是通过最小系统实现的。（1）系统时钟MSP430G2553单片机的系统时钟为MCLK，可由DCO内部数字控制振荡器、VLOCLK内部超低功耗低频振荡器，以及外部的低频晶振LFXT1CLK作为时钟源。在运行时可根据需要，对时钟源进行切换。通过配置相关寄存器，对时钟频率进行调整。这样一来即可满足系统在高运算负载的情况下保持高速运行，也能保持在低运算负载的状态下的低功耗。MSP430G2553的CPU时钟MCLK，在当单片机掉电复位之后，默认选择DCO内部数字控制振荡器作为时钟源，时钟频率默认1MHz。DCO可根据相应寄存器的配置，将频率设定在0.6至16MHz之间。芯片内部ROM预存取了1MHz、2MHz、8MHz以及16MHz频率的DCO寄存器配置信息，方便用户简单对DCO频率进行调整。本系统单片机的CPU时钟源选择为DCO内部数字控制振荡器，且频率设定为1MHz，这样一来即满足了较低的运算负担，也同时是的整体的功耗得以降低。同时保证系统整体的低功耗且工作稳定，且具有较强的抗干扰性，难以因外部干扰造成频率偏移。参考LPM低功耗模式的详细资料可见，DCO作为CPU的时钟源方便系统在空闲时同时关闭DCO内部数字控制振荡器与CPU核心，且工作在1MHz频率下的DCO，从睡眠状态中唤醒的时间非常短暂，尽可能地达到低功耗的目的。考虑到室内空气甲醛浓度检测系统还需要使用到MSP430G2553单片机上的ADC转换电路、UART通用异步收发传输器，以及Timer_A定时器，这些同集成在一块芯片上，却独立工作于CPU之外的模块，给这些对时钟频率要求不高的模组选用合适的时钟源是十分重要的。按照系统设计规划，ADC转换电路需要每1秒内采样32次数据并做相应的数据处理即可，UART通用异步收发传输器工作在9600Bps的低速率下与BLE蓝牙模块之间全双工通信，Timer_A定时器工作在连续增计数模式下，实现每1秒、2秒便触发一次定时中断，因此为了实现系统的低功耗，在ADC采样量化、UART双向通讯、Timer定时器工