低功耗_现代化车库的智能守卫者

1摘要（中英文） 该设备设计了一个用 MSP430 微控制器为控制中心的自动控制通风系统，并提出了一个解决方案，以实现监控和调节地下车库的温度、湿度和一氧化碳的浓度。为了尽可能省电，该系统可以通过接在微控制器上的传感器获得地下车库的环境参数，然后在适当的时间通过一个继电器控制电动机，从而调节地下车库的内部环境。关键词：地下车库通风系统，MSP430，CO测试，湿度测试，温度测试Abstract:This equipment designs an Automatic Control Ventilation（ACV ） system with the MSP430 MCU as the control 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 obtain 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 environment of the underground garage.Key words: an ACV of the underground garage MSP430 CO test humidity test temperature test 2目录题 目： 现代化车库的智能守卫者 .2摘要（中英文） .21. 引言 .41.1 系统设计的背景 .41.2 系统设计的目的和所要解决的问题 .42. 系统方案 .43. 系统硬件设计 .53.1 电源模块 .63.2 传感器模块 .73.2.1CO 传感器 .73.2.2 温度传感器 .83.2.3 湿度传感器 .93.3 风机模块 .104. 系统软件设计 .114.1 单片机引脚的接线如图 .114.2 程序的流程图 .114.3 程序的主要代码. 135. 系统创新 .146. 评测与结论 .14附录 .1531. 引言1.1 系统设计的背景近几年来，随着我国经济与科学技术的飞速发展，人们生活水平的不断提高，城市机动车辆数量飞速地增长，停车成了城市交通的一大难题。而地下车库的建设以其面积和空间大，节约土地，便于集中管理越来越受到人们的青睐。地下车库的建设已经成为人们选择住房，工作所考虑的必要因素。对于地下车库，温度，湿度以及CO浓度是衡量空气质量的几个重要参数，而地下车库由于过于封闭，汽车尾气含有多种可燃有毒气体，这对人员的健康带来威胁。另外，如果可燃气体的浓度超过安全数值，在无合适通风设备的情况下，容易引发大型火灾，对小区的整体安全埋下隐患。对于地下车库来说，汽车尾气的污染物质有其不连续性及尖峰负荷明显等特点，为了有效地调节车库空气质量参数以及更好的节能，如何准确地减少系统的开启时段，同时不影响通风效果就显得尤为重要。传统通风系统不能有效地对污染物质进行追踪，从而不能有效地控制个别风机的开启，为了某一处达到良好的空气质量，只能采取连续开启的方法，势必会造成能源的大量浪费以及机器设备的磨损。而将本设备均匀分布在车库之中，针对性地开启设备，可快速稀释较为集中的汽车尾气，不必为排放部分点的污染物而开启全部通风设备，大大节约了能源。1.2 系统设计的目的和所要解决的问题利用传感器探测地下车库空气中的湿度、温度以及一氧化碳的浓度，当达到或超过一定的指标时，自动开启风机系统实现排气通风功能，降低有害气体的浓度；在地下车库中均匀分布该系统，在每台风机控制器中设置温度传感器、湿度传感器以及CO传感器，某一处的环境质量达不到指标时自动开启相应位置的风机，针对性的改善空气质量，从而节约能源。风机自动控制的目的就是为了有效节能，使排风系统更安全可靠、经济地运行，改善人们的生活质量。2. 系统方案 该系统由湿度传感器，温度传感器，CO 传感器以及集成芯片 MSP4302231等构成。湿度传感器采用 HS1101，该元件具有高可靠性，长时间稳定性，而且反应时间快，成本低；温度传感器采用 LM35，该传感器在静止温度中自热效应低（0.08），单电源模式在 25下静止电流约 50uA,在正常工作电压下正常工作非常省电；CO 传感器采用 MQ-7，成本低，对 CO 有很高的灵敏性，提高了测量的准确性。4CO 浓度采集电路模块直接采用传感器电路，利用传感器中 电导率的2SnO变化，将气体浓度转化为相对应的输出信号，然后输入到单片机的 P1.0 口，进行 A/D 转换以及数据处理。关键点是注意 CO 传感器的特性以及工作电压的选择，使得传感器能够正常工作。温度采集电路模块采用传感器电路和放大器电路，利用温度传感器的工作原理，将传感器输出的电压经放大电路放大后，输入到单片机的 P1.1 口进行A/D 转换，再利用程序进行控制。电路图比较简单，关键点是电源的选择。湿度采集电路模块为典型的 555 非稳态电路，HS1101 作为电容变量接在555 的 THR 和 THG 两引脚上，OUT 引脚的输出信号输入到单片机的 P1.2 口，P1.2 口使用 Timer A 捕获功能进行频率捕捉。关键点是 555 非稳态电路的设计，利用湿度传感器的电容值随湿度增大而增大的关系，将电容的变化转换为与之成反比的电压频率信号。风机电路模块比较简单，只需将继电器串联在风机回路中，利用程序控制继电器的通断，从而控制风机的工作状态。3. 系统硬件设计原理：利用 CO 传感器，温度传感器，湿度传感器采集地下车库中的 CO 浓度，温度，湿度作为数据，并与环境允许的临界值相比较，如果超出临界值的话就通过单片机 MSP430 控制继电器，并启动风机，使地下车库中空气流通，各环境系数都在临界值之内，降低危险系数，提高安全指数。5原理框图：地下车库湿度传感器CO 传感器 温度传感器MSP430G2231 单片机数据采集执行器电磁继电器风机3.1 电源模块电源模块采用 12V 直流电源转稳压器 7805，提供电给各传感器。主芯片 MSP430 采用 3.3V，利用一块 5V 转 3.3V 电源芯片。原理图如下：220VAC12V 电源 78050V12V +5V63.2 传感器模块3.2.1CO 传感器系统中采用 MQ-7 作为 CO 传感器，当 MQ-7 检验到车库中 CO 有害气体高于已定浓度时后，其内部导电率将发生变化，A,B 电极间电阻减小，B 端输出电流也将发生变化，从而将输出电流输入到 MSP430 的 P1.0 端口，将其进行 A/D 转化，并由此得出 CO 浓度的变化，当高于设定浓度时控制继电器通断启动风机，使得 CO 浓度降低到设定温度。其原理图如下：+5V(VH)A CO 传感器 MQ-7 B+12V(VC)FF RL+VRL-器件特点：MQ-7 为 CO 气体传感器，对 CO 有很高的灵敏度和选择性，并且具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。在低浓度中输出变化大，灵敏度高；对毒性气体和周围恶劣的环境有较强的耐性。器件应用：MQ-7 常应用于家庭，环境的 CO 探测装置，可用于检测 CO 和煤气等气体器件规格：符号 参数名称 技术条件Vc 回路电压 V10VH（H） 加热电压（高） 2.5VH（L ） 加热电压（低）RL 负载电阻 可调RH 加热电阻 31TH（H ） 加热时间（高） seconds60TH（H ） 加热时间（低） seconds9PH 加热功耗 约 350mw输出端到单片机7MQ-7 气敏元件的结构和外形如图所示（结构 A 或 B），由微型 AL2O3 陶瓷管、SnO 2 敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。填充活性炭的过滤腔体，进一步减弱了氮氧化物、烷类的气体的干扰。封装好的气敏元件有 6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出，2 个用于提供加热电流。A BHH工作原理：传感器的表面电阻为 RS， 是通过与其串联的负载电阻上的有效电压信号 VRL输出而获得的。两者之间的关系为：RS/RL=（V C-VRL）/ VRLMQ-7 对不同种类们不同弄得的气体有不同的电阻值，因此在使用时，需通过实际测试调整负载 RL 直至获得对应某个 CO 浓度时所需要的信号值，在实验中我们采取点燃香烟的根数来确定（假定为两根）。并通过示波器来观察输出端电压变化过程。3.2.2 温度传感器本作品采用 LM35 作为温度传感器，测量车库中环境中的温度，并将传感器的输出端接入到单片机的一个接口，通过设定温度，使得当车库中环境温度高于该温度的情况下，经由单片机的控制，启动继电器，接通风机，使其工作，使得车库中环境温度低于设定温度。器件特点：使用时无需外围元件，也无需调试和较正，只要外接一个1V 的表头（如指针式或数字式的万用表），就成为一个测温仪，使用非常方便。器件功能：LM35D 是把测温传感器与放大电路做在一个硅片上，形成一个集成温度传感器8LM3512V Vs13V0P1,1LM35 是一种输出电压与摄氏温度成正比例的温度传感器，其灵敏度为10mV/；工作温度范围为 0-100；工作电压为 4-30V，本作品中为12V；精度为1。最大线性误差为0.5。即有：V0=10mV/oC T oC3.2.3 湿度传感器器件特点：采用 HS1101 作为湿度传感器，HS1101 湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性。器件性能：HS1101 湿度传感器在电路中等效于一个电容器 Cx，其电容随所测空气的湿度增大而增大，在相对湿度为 0%-100%RH 的范围内，电容的容量由160pF 变化到 200pF，其误差不大于 2%RH，响应时间小于 5s，温度系数为0.04pF/。 实现方法：本作品利用 HS1101 电容随湿度增大而增大的线性关系，并使用 555 定时器，将湿敏电容 C1 置于 555 振荡电路之中，将电容的变化转换为与之成反比的电压频率信号，该频率信号可以直接被单片机 MSP430G2231 采集，并根据设定湿度，当车库中的环境湿度高于该值时，控制继电器启动风机，加速水分的蒸发，使环境湿度降低。实现原理图如下：NE555 是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达 200mA.。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。其工作电压范围为：4.5V 16V。cV9NE555 的框图及电路如下：R1R212348765GNDTRIGOUTRSTVCCCVOLTTHRDISC5VP1.25V把 HS1101 和 NE555 同时接入电路中的电路设计原理图如图所示。NE555 电路功能的简单概括为:当 6 端和 2 端同时输入为“1”时,3 端输出为“0”；当 6 端和 2 端同时输入为“0”时,3 端输出为“1”。在此电路中,555 定时器根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号当电源接通时,由于 6 和 2 端的输入为“0”,则定时器 3 脚输出为“1”；又由于 HS1101（设其电容值为）两端电压为 0,故 通过 R1 和 R2 cV对 C1 充电,当 C1 两端电压达到 2 /3 时,定时电路翻转,输出变为“0”。cV此时 555 定时器内部的放电 BJT 的基极电压为“1”,放电 BJT 导通,从而使电容 C1 通过 R2 和内部放电 BJT 进行放电,当 C1 两端电压降低到 /3 时,定c时器又翻转,使输出变为“1”,内部放电 BJT 截止 ,VCC 又开始通过 R1 和R2 对 C1 充电,如此周而复始,形成振荡。其工作循环中的充电时间为=0.7(R1+R2)C1；放电时间为 = 0.7R2*C1； 输出脉冲占空比为 q hT1T(R1+R2)/(R1+2R2),为了使输出脉冲占空比接近 50,R1 应远远小于 R2。当外界湿度变化时,HS1101 两端电容值发生改变 ,从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出 555 的输出频率,并根据湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿度。根据以上计算可得：振荡电路的两个暂稳态输出频率变化的方波信号（从 3 端口输出）的高电平时间为：tH=0.7(R1+R2)C1输出低电平时间为：tL=0.7R2C1因此输出方波信号的周期为:T= tH+ tL=0.7(R1+2R2)C1频率为：HS11015V10f=1/T=1.429/(R1+2R2)C13.3 风机模块采用 220V 风机，使其接于继电器两端，通过继电器的通断来控制风机的工作状态。单片机的 P1.7 端口首先通过一个三极管将其放大后接入到继电器中，已达到足够的电流值使继电器工作。其工作图如下：4. 系统软件设计4.1 单片机引脚的接线如图P1.0 口和 P1.1 口使用 ADC10 进行电压转换，P1.2 口使用 Timer A 捕获功能进行频率捕捉。4.2 程序的流程图如下12V继电器风机