基于MSP430的CO气体检测仪设计

罗霄华

摘 要：基于MSP430F149的CO检测仪适用于家庭，它是利用气敏传感器MQ-7采集CO信号，并将其转换为电压信号。由于MQ-7的输出信号为伏特级，所以，不需要放大电路，可以直接将传感器的输出信号输入到A/D转换的模拟通道口。经过A/D转换后，可以将数字信号传送到单片机作处理，单片机处理后通过数码管显示电路显示出气体的浓度。这款检测仪具有性能可靠、经济实惠的特点。

关键词：MSP430；气敏传感器MQ-7；CO气体检测仪；单片机

中图分类号：TP277.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.22.011

1 概述

CO是煤气的主要成分，正常情况下，它是无色、无味、无臭、无刺激性的有毒气体。人们在日常生活中有可能会遇到因为热水器使用不当或产品本身存在质量问题而造成CO中毒的情况，或引发煤气中毒事件。目前，我国北方许多地区冬季取暖仍使用煤炉。在使用过程中，稍有不慎就会发生煤气中毒或死亡事故，还可能会因为煤气泄漏而导致煤气爆炸等。如何防止煤气中毒和爆炸已经成为了广大居民在使用煤气时需着重考虑的问题之一。该课题设计的CO报警器的核心部件是低功耗单片机MSP430F149和气敏传感器MQ-7等。

2 系统结构和设计

该系统是以单片机MSP430F149 为控制核心，与CO气敏传感器、显示电路和报警器共同组成气体检测仪。它可实时采集、显示空气中CO的浓度，设置报警阈值，并在CO浓度超标时报警等。报警过程是通过驱动一个蜂鸣器来实现的。

设计模块是由传感器采集模块、键盘输入模块、电源及复位模块、报警模块、显示模块和CPU处理模块等组成的，整个系统的结构如图1所示。

由图1可知，整个结构设计得很简单。单片机的A/D通道与传感器采集模块连接，不仅可以简化模拟采集设计，降低设计的复杂性，还能增强系统的可靠性。键盘输入模块是通过单片机的P1口完成工作的。因为P1口具有中断功能，所以，操作起来非常容易，也非常适合软件编程。电源模块主要能为系统设计提供可靠的电源。复位功能主要考虑了系统的工作需要，并为系统提供复位信号。报警模块主要是在检测到报警信息后，通过单片机发出一个报警信号，从而驱动蜂鸣器实现报警。显示模块可以将获取到的数据全部显示出来，以便于实时观察工作情况。

3 硬件系统设计

3.1 单片机系统电路设计

系统控制电路使用的是MSP430F149单片机，它采用的是低功耗模式，适用于低功耗场合。将单片机电路应用于系统的核心控制部分，它的主要任务是完成与其他电路的对接，处理得到的数据，并将数据处理结果用其他方式表现出来。单片机的接口电路非常简单，为了实现与其他电路的对接，分别了采用单片机的一般I/O口。单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5和P1.6作为通用I/O口接键盘，P4.0和P2.1、P2.2、P2.3、P2.4分别作为数码管电路数据、小数点与控制端口连接，P6.0作为模拟信号的输入端，P2.5则作为连接报警电路的一端。单片机电路图如2所示。

图2 单片机电路

3.2 电源电路

电源电路是将5 V的电压转变为3.3 V电压，从而为单片机系统和键盘电路提供电源。这样做，可以满足大多数低功耗应用场合的要求，如图3所示。

3.3 复位电路

检测仪设计采用的复位电路如图4所示。电路中使用了一个按键复位电路，同时，它还可以进行人为控制。

图4 复位电路

3.4 键盘输入电路

该设计是通过系统键盘电路输入的数据进行人机交互的，并采用扫描的方式获得相关数据，以此实现矩阵键盘。

3.5 显示电路

显示电路一般包括液晶显示和数码管显示。在设计中，只需要显示数字，所以，数码管显示要满足较多的要求。系统的显示电路采用的是数码管显示，电路简单，而且成本也比较低。

3.6 报警电路

报警电路简单、实用，它的主要任务是驱动一个蜂鸣器。图5为报警电路。

图5 报警电路

3.7 信号采集电路

图6 信号采集电路

信号采集电路如图6所示。在采集硬件电路的过程中，要

考虑MQ-7的实际技术参数。负载电阻要根据MQ-7的实际技术参数来选择合适的电阻值，即调节负载电阻，以获取相对应的某一个CO浓度所需要的信号值的电阻。在这项设计中，A/D转换模拟通道的电压为0～3.3 V，那么，这个信号值就取接近3.3 V的值。

4 软件设计与调试

系统的软件主要包括信号采集模块、输入模块、显示模块、报警模块和主处理模块。

此次设计用到的软件是IAR systems。IAR Systems带有C/C++编译器和调试工具的集成开发环境——IAR Embedded Workbench for ARM。

IAR systems的使用步骤是：①进入编程环境。②新建项目，单击“Project/Creat New Project”。③在新建项目对话框中选择C/main，然后单击“OK”按钮，在接下来的对话框中选择要存储的目录和项目名称。④设置项目。在项目名称上单击鼠标右键，在下拉菜单中单击“Option”。⑤在General Option-Target-Device项中选择CPU的型号，即MSP430F149，然后单击“OK”。⑥单击“Make”图标按钮，编译和连接项目。图7为IAR systems的菜单栏。

图7 IAR systems的菜单栏

在调试过程中，分别调试了每个模块。为了方便调试，每个模块中都加了头文件和主函数，它们完全能够满足实际测量需求。

5 总结

本文主要介绍了检测仪硬件和软件的设计方案。由于所设计的CO报警器适用于家庭，所以，在选择相关器件时，要考虑价格因素。该设计选用超低功耗的高性能16位微处理器MSP430F149作为控制核心，它性能好，适合为电池供电；用低价、灵敏度高和寿命长的MQ-7作为信号采集的传感器；采用数码管显示电路，电路简单而且价格便宜；以驱动单片机实验板上自带的蜂鸣器发声作为CO浓度超标时的报警信号；采用键盘电路来设置CO的报警阈值，从而实现人机交互。基于MSP430F149的CO检测仪充分利用了单片机的软、硬件资源，本着简单、实用的设计原则，保证设计结构简单，易于成本控制。在设计过程中，能用软件实现的功能尽量用软件实现。这样做，不仅便于修改，也有利于以后功能的扩展。只要将软件程序稍加修改，那么，所设计的CO报警器也适用于工业中。

参考文献

[1]杨帆.基于MSP430F149的矿用多参数传感器的设计[J].工矿自动化，2010（7）.

[2]董鹏永，袁盼鑫，牛庆丽.基于MSP430的智能温度检测系统设计[J].微处理机，2010（6）.

[3]王立红，李曼.基于单片机的CO监测与报警系统[J].知识经济，2010（10）.

〔编辑：白洁〕