曾憲陽1,楊紅莉2,郁漢琪1,褚南峰1
(1.南京工程學院 工業(yè)中心，江蘇 南京 211167；2.南京工程學院 數(shù)理部，江蘇 南京 211167)
摘要：根據(jù)市場上甲醛檢測裝置存在誤差大、功耗高等缺點，設(shè)計了以MSP430單片機作為控制核心，多子機網(wǎng)點輔助監(jiān)測，無線模塊進行數(shù)據(jù)通信的甲醛檢測儀。使用單片機內(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)卡爾曼濾波器進行濾波，保證了采樣數(shù)據(jù)的準確性。該監(jiān)測系統(tǒng)檢測精度高、功耗低、穩(wěn)定性好，經(jīng)試驗驗證，能很好地滿足消費者需求。
關(guān)鍵詞：低功耗；MSP430單片機；甲醛監(jiān)測儀；卡爾曼濾波；多網(wǎng)點
0引言
當前，空氣環(huán)境污染嚴重，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)有的甲醛檢測系統(tǒng)多為單點測試，體積大、功耗高、檢測單一、價格昂貴，且不能自動對甲醛含量高的區(qū)域進行重點實時監(jiān)測［6-7］，因此本文設(shè)計了一種新的甲醛含量監(jiān)控報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個子機系統(tǒng)及一個主機系統(tǒng)，將每個子機系統(tǒng)分散安置在各個房間的某個區(qū)域，主機系統(tǒng)放置在臥室或客廳等住戶常活動的位置，主機與子機之間采用NRF24L01無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。子機系統(tǒng)定時將采集到的甲醛含量信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給主機，主機通過中斷接收各子機發(fā)來的信息并進行分析處理，同時根據(jù)需要將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機PC，給用戶帶來方便。
1系統(tǒng)設(shè)計思路
系統(tǒng)選用MSP430F149單片機作為主控制芯片，以減少功耗，提高效率。采用具有精度高、功耗低的AQM201傳感器來檢測甲醛含量。采用多個430單片機作為子機模塊分別測量對應(yīng)區(qū)域甲醛含量，然后各子機實時將采集到的甲醛含量信息傳送給430主機模塊，子機與主機之間采用NRF24L01無線模塊進行通信。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。
子機系統(tǒng)中的甲醛傳感器檢測空氣中的甲醛含量，經(jīng)處理以模擬信號形式輸出，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)換為實際甲醛含量濃度百分比，通過各自無線通信模塊通道傳輸給主機。以上過程每隔5 s重復(fù)采集發(fā)送一次，該采樣時間可通過主機發(fā)送給子機的命令參數(shù)進行自動調(diào)整。
主機通過外部中斷及時采集各子機發(fā)來的信息，并根據(jù)子機發(fā)來的地址碼將各子機發(fā)來的信息進行歸類，同一子機發(fā)來的信息存放在對應(yīng)房間號的數(shù)組中。主機通過數(shù)組數(shù)據(jù)及時分析各房間的甲醛含量值，對于甲醛含量長時間未呈減少趨勢的房間區(qū)域，主機將自動通知子機調(diào)整采樣時間來進行重點監(jiān)測。當甲醛含量連續(xù)多天一直超過設(shè)定上限值時，主機還會發(fā)出報警聲，用以提示用戶甲醛超標。在實際測量過程中，傳感器接收到的信號包括環(huán)境干擾信號，因此各子機采用卡爾曼濾波器對采樣數(shù)據(jù)進行濾波，更大程度地保證了采樣數(shù)據(jù)的準確性。
2硬件電路設(shè)計
2.1MSP430單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計［8-9］
本系統(tǒng)選用MSP430F149單片機作為主控單元，其最小系統(tǒng)包含了時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試電路，如圖2所示。單片機的引腳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，該引腳及單片機電源引腳DVCC均對地增加了濾波電容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?，完成上電自動?fù)位功能。按鍵S2為系統(tǒng)增加了手動復(fù)位功能。JTAG電路為系統(tǒng)程序調(diào)試下載接口,連接MSP-FET430UIF仿真器即可實現(xiàn)程序調(diào)試下載工作。在主機系統(tǒng)電路設(shè)計中，增加了按鍵電路如圖2中S3、S4、S5、S6所示。S3鍵為功能鍵,用于選擇采樣時間、顯示模式、報警上下限等功能；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)。按鍵接至單片機具有外部中斷功能的P1口，CPU可隨時進入按鍵中斷服務(wù)子程序?qū)ο鄳?yīng)參數(shù)進行設(shè)定調(diào)整。
2.2甲醛傳感器模塊電路設(shè)計［10］
所設(shè)計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處理。考慮到MSP430單片機內(nèi)部自帶高精度12位A/D轉(zhuǎn)換器，滿足設(shè)計要求，因此直接采用430單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后供單片機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，此時該模塊輸出模擬電壓范圍將為0～3.3 V，與單片機A/D轉(zhuǎn)換量程匹配，該輸出信號接至單片機A/D轉(zhuǎn)換口P6.0。
2.3無線通信模塊電路設(shè)計
無線通信采用NRF24L01模塊［11-12］,電路如圖4所示，N1為無線通信模塊，其中第8腳為中斷請求輸出端，接至單片機的外部中斷P1.4口。各無線通信模塊在接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)保存在自身存儲器中，然后向單片機發(fā)出中斷請求，以便單片機及時讀取保存在自身存儲器中的數(shù)據(jù)，防止該數(shù)據(jù)被新接收的數(shù)據(jù)覆蓋。
主機中的無線通信模塊IRQ引腳接至單片機外部中斷接口，以便主機及時響應(yīng)各子機發(fā)來的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中各子機將定義各自的地址碼，代表各子機所在的不同房間。子機在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時連同自身的地址碼一并發(fā)出，主機接收到數(shù)據(jù)后，通過地址碼來區(qū)分各個子機的數(shù)據(jù)信息，從而得到對應(yīng)房間區(qū)域的甲醛含量濃度。主機采集到信息后在液晶顯示屏上顯示當前各個區(qū)域的甲醛濃度百分比，以及甲醛含量隨時間變化的曲線圖，便于用戶分析甲醛濃度分布及走向。
2.4報警模塊電路設(shè)計
選用蜂鳴器作為報警發(fā)生裝置，采用PNP三極管9012作為驅(qū)動，如圖5中Q1所示?？紤]到I/O口的驅(qū)動能力，單片機將以灌電流形式控制蜂鳴器發(fā)聲，控制I/O口由單片機的P5.5引腳提供，當I/O口為低電平時，蜂鳴器發(fā)聲，為高電平時，蜂鳴器停止發(fā)聲。
2.5顯示模塊電路設(shè)計
如圖6所示，顯示模塊采用LCD12864HZ液晶顯示器，其自帶漢字字庫，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I/O口電平匹配。為簡化電路設(shè)計，節(jié)約I/O口開支，液晶顯示模塊與單片機的接口采用串行接口進行通信，SCLK、SID、CS三引腳分別接至單片機的P3.5、P3.6、P3.7三個引腳。
3軟件程序設(shè)計
3.1子機系統(tǒng)軟件設(shè)計
在子機系統(tǒng)中，傳感器每隔一定時間采集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理、卡爾曼濾波［13-15］后,通過無線通信模塊發(fā)送給主機，同時子機實時準備接收主機發(fā)送過來的設(shè)置命令（用于設(shè)置子機傳感器采樣時間間隔等）。因此子機系統(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)接收幾個部分。由于無線接收任務(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主機系統(tǒng)軟件設(shè)計
主機要完成的任務(wù)有：本機數(shù)據(jù)采集、子機數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、傳感器檢測、按鍵掃描、發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機、報警等。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)先級中斷。數(shù)據(jù)顯示、傳感器檢測以及報警任務(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)工作做好準備。外部中斷入口對應(yīng)的中斷源為主機系統(tǒng)單片機的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，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理即可計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,則計算公式為：
4結(jié)論
圖9為系統(tǒng)主機實物圖及實時監(jiān)測曲線顯示。系統(tǒng)包括硬件設(shè)計和軟件編程兩部分,實現(xiàn)了對室內(nèi)甲醛含量的實時監(jiān)控與報警監(jiān)測。采用卡爾曼濾波器對傳感器采集到的信號進行濾波，保證了采樣數(shù)據(jù)的準確性。系統(tǒng)檢測精度高、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，也可用于電廠、化工、地下管道等施工環(huán)境監(jiān)測，防止甲醛中毒事故發(fā)生。
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