一氧化碳检测装置的设计.doc

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1、哈尔滨理工大学学士学位论文摘要 煤矿中含有CO(一氧化碳)等有毒气体，是煤矿下重要的危害源之一，是导致重大事故的因素。所以，对矿井中气体进行快速准确地检测显得尤其重要，对一氧化碳气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问题。在煤矿井下使用一种低功耗的智能仪表，该仪表能快速检测气体，保障矿工安全，减少事故发生。本设计采用电化学传感器ME1-CO进行设计，在16位MSP430F2012单片机的控制下通过精密测量电路、报警电路、显示电路和红外模块等电路对煤矿井下作业环境空气中的一氧化碳气体浓度进行监测。电化学一氧化碳传感器产生的电信号极其微弱，因此需要采用低失调、低漂移的精密放大电路进行信号放大，

2、再通过A/D转化为数字信号输入到单片机中进行数据处理。因为煤矿的环境复杂，传感器所测精度会随着周围环境温度的不同而不同，为了保障测量精度，在设计中选用了温度传感器18B20，对所测得一氧化碳浓度进行数字补偿，同时由显示模块实时显示浓度，由红外模块设定报警阂值，当一氧化碳浓度超过设定的报警阂值时报警电路报警。为防止掉电数据丢失，利用闪速存储器AT45DB161B存储报警闭值、数据采样原始信号和气体浓度等重要数据。通过实验，对传感器的可靠性和稳定性进行了验证，得出了一氧化碳传感器系统精度以及误差等参数能够满足生产要求的结论。关键词单片机；电化学传感器；一氧化碳Design of Carbon-mo

3、noxide Gas Sensor Based on Single Chip MicyocoAbstract CO (carbon monoxide) and other toxic gases which contain in the mine is one of the most important harmful resources,and it is also the factors that lead to major accidents. Therefore, detecting gases of the mines quickly and accurately is partic

4、ularly important, carbon monoxide gas detection instruments research and development has also been concerned. We use a low-power intelligent instrument in the coal mine, the instrument can quickly detect the gases, protect the miners safety and reduce the rate of accidents.In this design we use the

5、electrochemical sensors ME1-CO to design the system. In the control of the 16-bit MSP430F2012,we use precision measurement circuit, alarming circuit, display circuit and infrared modules to detect concentrations of carbon monoxide of the mine operating environment. Electrochemical carbon monoxide se

6、nsor can generate extremely weak electrical signals, so we need to use the low offset and low drift precision amplifier to conduct signal amplification, and through the A / D converter to convert the signal into digital signal ,then put the digital signal into the MCU for data processing. Because of

7、 the complex environment of the mines, the sensor accuracy is varies as the measured ambient temperature change.In order to make sure the measurement accuracy,we choose the sensor 18B20 to digital compensation of the carbon monoxide concentration in this design,and using the display module to displa

8、y the concentration in real-time,the alarm circuit will alarm when the carbon monoxide concentration exceeds the alarm value. In order to prevent data loss, we use the flash memory AT45DB161B stores alarming closed value, the original signal of data sample and the gas concentrations and so on. Throu

9、gh the experiment, the reliability and stability of the sensor was verified, we can get the the accuracy of carbon monoxide sensor system and the error of other parameters that can meet the production requirements.KeywordsMCU,electrochemical sensors,carbon monoxide不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -III- -目录摘要

10、IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 煤矿气体检测仪表概述11.3 国内外发展现状31.4 本文研究的主要内容4第2章 设计方案和电路设计52.1 设计方案52.2 硬件电路设计72.3 本章小结11第3章 软件设计123.1 软件设计概述123.2 MSP430开发环境与程序设计123.2.1 IAR Embedded Workbench开发环境123.2.2 编译环境设置133.2.3 编译、连接和调试163.3 软件设计流程图183.3.1 系统整体流程图183.3.2 A/D转换流程图203.3.3 红外接收器键值处理流程图203.4 软件可靠性设计213.5

11、本章小结22结论23致谢24参考文献25附录A 英文原文26附录B 中文翻译31千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景煤矿安全生产是目前社会重点关注的热点问题之一，尤其是在能源紧张，对煤碳的需求量不断增加的情况下，煤矿的安全生产问题更是值得我们关注，这也是建设平安和谐社会的重要组成部分。CO是有毒且易燃易爆性气体，是煤矿下重要的危害源之一，是导致重大事故的因素，因而也是煤矿井下重要的硷测对象。矿井下特殊的复杂环境，要求使用的检测仪器除了能够满足一

12、般的气体浓度实时显示、声光报警以及标准频率信号向上位机的传输等功能外，还必须满足国家的安全标准要求。自2000年以来，随着国家对煤炭企业安全生产要求的不断提高和企业自生发展的需要我国各煤矿陆续在装备矿井检测监控系统。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的需要各主要科研单位和生产厂家相继推出了煤矿安全综合化和数字化网络检测管理系统。系统的装备会大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率。1.2 煤矿气体检测仪表概述 气体检测仪表是能够检测环境中待检测气体的成分及浓度，并具有报警功能的仪表。一个完整的煤矿气体检测仪表一般由四个部分组成:气体传感器，能感知环境中某种气体及其浓度的

13、一种装置或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号;温湿度传感器，测量环境的温度和湿度，对气体传感器进行温湿度补偿;计算显示器，根据测量信号，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并显示出来;声光报警器，当检测气体浓度超出设定报警闭值时，就给出声光报警。其技术参数还有存储数据性能、传输数据性能、使用寿命与可靠性、自备电源或电池等。 气体传感器是煤矿气体检测仪表的关键部分，就其原理可以分为四大类:电学类气体传感器、光学类气体传感器、电化学类气体传感器、高分子材料类气体传感器1。利用材料的电学参量随气体浓度的变化而改变的特性制作的气体传感器为电学类气体传感器。这类气体传感器又可分为电阻

14、式和非电阻式两大类，其中电阻式气体传感器主要有接触燃烧式、热导式、半导体气体传感器等，而非电阻式气体传感器则通常是利用材料的电流或电压随气体含量变化的特点而制成的传感器，主要包括MOS二极管式、结型二极管式和场效应管式等。利用气体的光学特性来检测气体成分和浓度的传感器为光学类气体传感器，根据具体的光学原理可分为红外吸收式、可见光吸收光度式、光干涉式、化学发光式和试纸光电光度式、光离子化式等气体传感器。电化学类气体传感器是利用电化学性质的气体传感器，该类气体传感器包括:定电位电解式、伽伐尼电池式、固体电解质等种类的气体传感器。高分子气敏材料气体传感器主要有高分子电阻式、高分子电介质式、浓差电池式

15、、声表面波式、石英振子式等。 世界上发达国家用于煤矿井下易燃易爆气体检测的方式主要有载体催化燃烧式、光干涉式、热导式三种。在这三种气体检测仪表中，载体催化燃烧方式检测可燃气浓度的方法因其线性和稳定性较好，以爆炸下限百分比体积浓度(QLEL)为单位的浓度标度方法能统一衡量各种可燃气浓度所呈现的爆炸危险度，且量程符合工业要求，故被较多的用于爆炸危险场所可燃性气体的测量。该检测方式使用催化载体型气体传感器作浓度的检测器，该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体(如A1203)后再涂覆催化活性物构成。当R丝中通以工作电流使之达到临界反应温度(320一350)时，可燃气在元件表面催化燃烧使pt丝电阻增加，在完全燃

16、烧且热辐射可忽略时，电阻增量与可燃气体浓度成正比。这种传感器的问题是催化元件容易中毒，从而造成其使用寿命短、稳定性差。光干涉式气体检测仪表是利用了光的干涉原理实现对己知待检测气体浓度的测量。比较典型的产品有矿用光干涉型气体检测仪，它是利用不同种类、不同浓度的气体对光的折射率不同这一性质，针对采样场气体设计适当的光路系统，把采样场气体浓度的变化转换成光的干涉条纹的位置变化。具体地说，就是采用一个光源，经过适当的光学设计，使其分解为两列光波，一路通过标准空气室，另一路穿过采样气室后在某处相遇，此时由于满足光的相干条件，从而产生干涉条纹。把两气室都充有空气时的干涉条纹作为初始位置，当采样气体充入采样

17、室后，由于光程差的结果，干涉条纹会相对于原位置移动一段距离，并且这个距离将随采样场气体浓度的不同而产生相应的变化。因此只要测量该位移量，就可以获得采样场在空气中的含量。该测量仪测量范围大，使用寿命长，但仪器设备大，价格高，测量不直观，而且无法与监控系统连接，因此在煤矿中的使用量逐年减少。热导式煤矿气体检测仪表是利用热导式气敏材料对不同可燃性气体的导热系数与空气的差异，实现对气体的检测。热传导式气体检测仪的结构是将待测气体送入气室，气室中有热敏元件如热敏电阻、铂丝或钨丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时，将使热量更容易从热敏元件上散发，使其电阻值减小，通过惠斯登电桥测量这一阻

18、值变化可得到被测气体的浓度值。气体传感器除了对被测气体敏感外，一般都还受到其它气体的影响，即有所谓交叉灵敏度，这对于传感器的选择性和测量精度是不利的，并且是长期困扰气体传感器性能水平的主要问题。为此，人们进行了大量研究，目前看来，采用传感器阵列和脉冲温度调制方式并结合各种人工智能算法受到普遍的重视。气体传感器阵列不仅能够对多种气体进行检测，而且在多种气体同时存在的情况下能够实现对各种气体成分的鉴别。此外，气体传感器阵列用于单一气体浓度的检测时，与单个传感器相比较也具有更高的精度。因此，本文研究采用最常见的CO，基于半导体气体传感器构成传感器阵列，并充分利用传感器阵列所提供的交叉敏感，结合模式识

19、别技术和微处理机技术来提高气体检测器件的选择性和测量精度。1.3 国内外发展现状在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。 1.气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向

20、发展国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计预测，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为（2730）。 目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）106硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体

21、传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。 2.国内现状与差距 气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆

22、膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；新研究开发的气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试；国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。 总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快

23、进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。1.4 本文研究的主要内容本论文将以电化学传感器和MSP430单片机为研究对象，对MSP430单片机的开发环境和传感器气体检测两方面进行了研究，目的是解决基于MSP430单片机的传感器使用，实现对一氧化碳等有毒气体的准确检测。主要研究内容如下： 1.一氧化碳气体检测电路的设计 为了能准确的对矿井中一氧化碳气体进行实时监测，本设计采用电化学传感器ME1-CO进行设计，在16位MSP430F2012单片机的控制下通过精密测量电路、报警电路、显示电路和红外模块等电路对煤矿井下作业环境空气中的

24、一氧化碳气体浓度进行监测。 电化学一氧化碳传感器产生的电信号极其微弱，因此需要采用低失调、低漂移的精密放大电路进行信号放大。因为煤矿的环境复杂，传感器所测精度会随着周围环境温度的不同而不同，为了保障测量精度，在设计中选用了温度传感器18B20，对所测得一氧化碳浓度进行数字补偿，同时由显示模块实时显示浓度，由红外模块设定报警阂值，当一氧化碳浓度超过设定的报警阂值时报警电路报警。2. 红外模块功能的设计红外模块的主要作用是设定一氧化碳的报警浓度，和进行数值标定，红外模块接收由遥控器发射的数值后，进行数据处理分析，对输入的数值进行判断，做出与具体输入数值相对应的反应。3. A/D转换模块设计CO电化

25、学传感器采集到微弱的电信号经放大电路放大，传入到A/D采集、转换模块，转为所需要的数字信号，然后存储到结果寄存器中进行滤波数据处理，再与原先设定的数据比较，便可得出所测CO浓度。第2章 设计方案和电路设计2.1 设计方案 为了能准确的对煤矿井下作业环境空气中的一氧化碳气体浓度进行监测，本设计中选用电化学传感器、单片机、报警电路、显示电路和红外模块等构成的电路对煤矿井下作业环境中的一氧化碳气体浓度进行监测。一氧化碳传感器产生的电信号经过放大，再通过A/D转化电路转化为数字信号输入到单片机中进行数据处理，因为煤矿的环境复杂，传感器所测精度会随着周围环境温度的不同而不同，为了保障测量精度，在设计中选

26、用了温度传感器18B20，对所测得一氧化碳浓度进行补偿，同时显示模块实时显示浓度，由红外模块设定报警阂值，当一氧化碳浓度超过设定的报警阂值时报警电路报警，为防止掉电数据丢失，利用闪速存储器AT45DB161B存储报警闭值、数据采样原始信号和气体浓度等重要数据。外部按键完成报警阂值设定等操作;利用液晶显示气体浓度、温湿度和报警阐值等信息。结构框图如图2-1所示。 图2-1 硬件组成框图 为了提高测量的准确度，对各种电路器件进行了认真的比对选择，最终选择的器件是传感器ME1-CO；16位MSP430F2012单片机；温度传感器18B20；四运算放大器芯片LM124;电压转换模块DCDC1505和W

27、RB1215S;串行转并行的寄存器74LS164N。 1.MSP430单片机的选择 MSP430单片机美国德州仪器公司（TI）推出的超低功耗16位混合信号处理器（MixedSignalProcessor），集多种领先技术于一体，以16位RISC处理器、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念，给人以耳目一新的感觉。 在超低功耗方面，其处理器功耗（1.83.6V，0.1400A，250A/MIPS）和口线输入漏电流（最大50nA）在业界都是最低的，远低于其他系列产品。 在运算性能上，其16位RISC结构，使MSP430单片机在8MHz晶振工作时，指令速度

28、可达8MIPS（注意：同样8MIPS的指令速度，在运算性能上16位处理器比8位处理器高远不止两倍）。不久还将推出2530MIPS的产品。同时，MSP430单片机中采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器、硬件乘-加（积之和）功能、DMA等一系列先进的体系结构，大大增强了它的数据处理和运算能力，可以有效地实现一些数字信号处理的算法（如FFT、DTMF等）。 在开发工具上，MSP430系列单片机支持先进的JTAG调试，其硬件仿真工具（仿真器）只是一个非常简单的并口转接器，一般个人都可以自己制作，而且适用于所有MSP430系列单片机，既便于推广，又大大降低了用户的开发投入。其软件集成开发环

29、境由著名的IAR公司提供，其最新版本（V2.10）已做得较为完善，实际使用效果不亚于其他成熟的集成开发环境。 在系统整合方面，MSP430系列单片机结合TI的高性能模拟技术，根据其不同产品，集成了多种功能模块，包括定时器、模拟比较器、多功能串行接口（SPI/IIC/UART）、LCD驱动器、硬件乘法器、10/12位ADC、12位DAC、看门狗定时器（WDT）、I/O端口（P0P6）、DMA控制器、210KB的RAM，以及丰富的中断功能。使用户可以根据应用需求，选择最合适的MSP430系列产品来实现。另外，大部分MSP430系列单片机采用Flash技术，支持在线编程，并有保密熔丝。其BOOTST

30、RAP技术为系统软件的升级提供了又一种方便的手段，BOOTSTRAP有32个字节的口令字，具有很高的保密性。MSP430系列单片机均为工业级产品，性能稳定，可靠性高，可用于各种民用、工业产品。 2.传感器的选择 在设计中采用ME1-CO传感器采集一氧化碳浓度，ME1-CO传感器采用恒电位电解法原理，该电化学传感器有3个电极：工作电极(w)、参比电极(R)、对电极(c)。在工作电极和对电极上，对待测气体进行如下的氧化还原反应： (2-1) (2-2) 上述反应在工作电极和对电极上形成与CO的浓度成正比的电子，由电极引出后，经过放大电路进行放大，送给处理电路。参比电极给工作电极提供稳定的的电化学电

31、位，恒电位的作用是确保对电极提供足够的电流并处于合适的电位，使其不随化学反应而变化，并保证最佳工作电极电位与最大的反应电流的线性关系。因而，参比电极的稳定电位很重要，它保证了工作电极的电位，保证了传感器稳定的灵敏度、较好的线性，减小了对干扰气体的反应。 ME1-CO传感器的特点：低功耗；高精度；高灵敏度；线性范围宽；抗干扰能力强；高响应、恢复速度；小巧轻薄的外型结构；优异的重复性和稳定性。 2.2 硬件电路设计 1.信号放大电路设计ME1-CO电化学式传感器输出信号非常弱，在0.0450.01uA之间，为了防止输出信号被干扰，就要设计放大对输出信号放大。为了避免温度对传感器输出信号的影响，在设

32、计中采用18B20减少温度对输出信号的干扰。18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线上可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。DS18B20产品的特点:只要求一个端口即可实现通信；在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列；实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温；测量温度范围在55。C到125。C之间； 数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择；内部有温度上、下限告警设置。放大电路采用了四运算放大器芯片LM124，四运算放大器芯片LM124是14管脚双列直插塑料封装，它有

33、5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“”V+“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。 图2-2 信号放大电路放大电路由基准电压电路提供0.5V的稳定电压，基准电压电路用到了器件TL431，TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意的设置到从2.5V到36V范围内的任意值。该器件的典型动态阻抗为0.2欧姆，在很多应用中都可以用它替代齐纳二极管。TL431特点：可编程输出电压为36V；电压参考误差：0.4%； 低动态输出电阻，典型0.22；负载电流能力1.0mA到100mA； 等效全范围温度系数500ppm/典型；低输出噪声电压。 2

34、.DCDC电源电路设计MSP430F2012的工作电压是3.3V左右，要把井下电源12V的电源电压进行降压处理，用一个DCDC1505和WRB1215S芯片组成的线性集成电路来进行控制。再通过稳压芯片接到单片机上。 图2-3 DCDC电源电路图 DCDC1505和WRB1215S电源模块是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器 (DSP)、微处理器、存储器、现场可编程门阵列 (FPGA) 及其他数字或模拟负载提供供电。把12V电压降到5V这个降压的过程相对于稳压模块来说，更大限度地避免了电能在降压模块上面的消耗，并且内部震荡部分控制其占空比

35、就能改变输出电压大小（在10V范围内），使其输出能恒定。 图2-4 稳压电路上面为稳压电路图，通过稳压芯片把5V电压转化为3.3V的稳压电压，给单片机提供稳定的电压，提高单片机的工作效率 3.报警电路设计光报警电路接人单片机P17脚，通过中断程序控制，实现断续报警，当P17输出为高电平1时，红外发光二极管闪烁报警，当P17输出为低电平0时，不报警。 图2-5 报警电路 4.显示电路设计 显示电路由4个共阴数码管、4个移位寄存器组成，移位寄存器的脉冲端口都接在单片机P14脚，74LS164是8位边沿触发式移位寄存器，串行输入数据，然后并行输出。数据通过两个输入端（DSA 或 DSB）之一串行输入

36、；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。 图2-6 显示电路 74LS164N的特性：门控串行数据输入；异步中央复位符合 JEDEC 标准 ；静电放电 (ESD) 保护 ；HBM EIA/JESD22-A114-B 超过 2000 V；MM EIA/JESD22-A115-A 超过 200 V；额定从-40至+85 和-40至+125； 5.红外遥控电路设计红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人用肉眼看不到的光。红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用红外线传输

37、技术。作为无线局域网的传输方式，红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，而且它的使用不受国家无线管理委员会限制。红外数据协会（IRDA）成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。 红外遥控发射电路采用芯片BL9148，设计简单，实用，只有4个按键：“+”、“一”、“确认”、“模式”。红外接收电路采用集成红外接收器HSOO382m，然后将接收到的信号送入芯片SC9149中，对二进制编码进行解码，还原遥控所发射的编码，最终通过单片机引脚P30P33进行控制。允许遥控控制标志flag为“0”时，允许遥控中

38、断控制，然后中断其余操作，改为遥控控制状态。2.3 本章小结 该一氧化碳传感器在MSP430F2012为核心的基础上，由信号处理电路、电源转换电路、控制电路、数码显示电路、温度补偿电路、红外遥控电路等组成。由一氧化碳传感器产生的信号非常弱，很容易受到外界的干扰，因此用放大电路对信号进行放大，为了防止对信号的干扰，还用到了温度补偿电路。第3章 软件设计3.1 软件设计概述在现代智能化仪器和系统的设计中，由于可编程智能器件、模块化设计方法的使用，使程序软件的设计和优化成为系统设计中重要的环节。软件设计是根据硬件电路设计的。在软件的设计过程中，首先要明确各个模块所要实现的功能，其次逐个编程完成各个模

39、块的功能，最后将各个模块功能程序加在一起。各功能的软件模块有：1. 系统初始化模块：完成MSP430端口的设定、看门狗的相关定义、AD设置、定时器设置等工作.2.显示模块：移位寄存器74LSl64仅有串人并出作用没有译码功能。因此，在编写显示驱动程序之前，首先需要计算列写出与本电路对应的LED段选码，然后送入到寄存器74LSl64串行输入端,再并行输出到LED的段选端。3.报警模块：报警值的设定,当一氧化碳浓度超过设定的报警值时，单片机P26脚输出高电平；报警装置报警。4.红外接收模块：标定气体浓度、改变设定的报警值、信号接收的中断设定；系统软件设计用C语言编写。单片机程序主要实现了实时数据采

40、集、数字信号处理、存储、显示及测试结果分析等功能。在软件的设计上主要考虑采用模块化结构，将智能机器人程序分为许多小模块，先将各个小模块程序调试通过后，再进行联调，从而减少了调试时间，有利于程序的修改、检查和以后的升级。3.2 MSP430开发环境与程序设计3.2.1 IAR Embedded Workbench开发环境MSP430开发需要硬件和软件两方面环境。硬件环境非常简单，只需一台PC、一个JTAG仿真器和开发板。软件开发环境用IAR公司的IAR Embedded Workbench 嵌入式工作台。1.硬件环境MSP430 FLASH单片机内有JTAG调试接口和电可擦除FLASH存储器，开

41、发调试十分方便，只需一台PC、一个JTAG仿真器和一块开发板（Flash Emulation Tool），简单功能调试时可有仿真器供电，开发板不需外加电源。开发调试时可先将程序下载到FLASH中，通过软件控制程序运行，芯片中的信息通过JTAG口提供给开发者进行调试。图3-1 PCJTAG仿真器开发板连接图 JTAG仿真器一端连接在PC的并口(打印机接口),另一端连接在开发板上，如图3-1所示。2.IAR Embedded Workbench简介IAR Embedded Workbench 是一种用于开发应用各种不同的目标处理器的灵活的集成环境。它提供一个方便的窗口界面用于迅速的开发和调试。IA

42、R Embedded Workbench支持多种不同的目标处理器，使用项目模式组织应用程序。它有如下一些特点:通用性:可以在Windows环境下运行；分层的项目（Project）表示；直观的用户界面；工具与编辑器全集成；全面的超文本帮助；编辑器的功能:可以同时编辑汇编和C语言源文件；编辑汇编和C语言程序的句法用文本格式和颜色区别显示；强有力的搜索和置换命令，而且可以多个文件搜索；从出错列表直接跳转到出错的相关文件的相关语句；可以设置在出错语句前标志；圆括号匹配；自动缩进，可以设置自动缩进的空格；每个窗口的多级取消与恢复。3.2.2 编译环境设置环境设置需要设置目标芯片类型、仿真方式、仿真器类型

43、等参数。图3-2 进入环境设置1.目标芯片设置，即选择需要调试的单片机型号。在如图3-3设置界面中，从左边Category列表下选择General Options,在Target页的Device选项中选择目标芯片型号。如果是新建工程且只使用汇编语言需将Assembler only project 选中。否则会出现默认C语言，连接时会出错。 图3-3 目标芯片设置2.仿真方式设置，设置软件模拟仿真或FET在线仿真调试。在Category 列表下选择Debugger，如图3-4界面，在Driver选项中选择FET Debugger 或Simulator。单使用FET仿真器连接目标板进行在线仿真调试

44、时，选择FET Debugger，软件模拟仿真则选择Simulator。图3-4 仿真方式设置3.仿真器接口类型设置，设置并口FET或USB FET。若选择TET Debugger，最后需进入Category 列表下选择FET Debugger，出现如图3-5界面,在Connection选择项中有三个可选项，单使用并口FET时，选择Lpt，同时根据连接并口的实际情况选择相应的并口Lpt1,Lpt2或Lpt3；若使用USB型仿真器，则选择TI USE FET。设置正确后单击“OK”按钮，完成环境设置。图3-5 仿真器类型设置3.2.3 编译、连接和调试编译、连接和调试通过选择菜单Project下

45、的Compile/Make/Debug，或点击图3-6界面右上方的快捷按钮完成。图3-6 编辑编译连接环境界面 1.工程编译和修改源程序。在左侧工程管理选中源文件，双击鼠标左键，进入源程序编辑状态。编译图标有灰变黑，激活编译功能，此时单击Project，compile或单击Ctrl+F7键，或单击按钮进行文件编译。出现如图3-7下部分所示的错误提示，出错行前标注红色“”。图3-7 汇编之后产生的错误 任意单击某一个错误提示，系统就会自动的跳到有错误的语句行。2.连接生成目标代码。源文件编译通过之后，将连接生成目标代码。通过单击Project，Make，或按F7键，或单击按钮，进行连接。3.调试

46、。在的程序通过了连接，生成目标代码之后，通过单击Project，Debugger，或按Ctrl+F7键，或单击按钮可以进入如图3-8所示的调试集成环境。该环境在原编辑编译环境的基础上，工具栏增加了如图3-9所示的调试快捷按钮。图3-9 调试快捷按钮 图3-8 调试环境简介 3.3 软件设计流程图3.3.1 系统整体流程图变送器是以TI公司的MSP430F2012为核心，其内部自带了10位的A/D转换器。系统上电之后，单片机进入初试化程序，为各个模块设定默认值，然后进行判段，看是不是有按键按下。如果有按键按下，对输入的数据进行分析、处理，再通过A/D转换为数字信号，对转换的信号通过采集、转换、虑

47、波、数据处理等一系列设定，看CO浓度有没有超过设定的上限值，没有就一直重复；如果有则设定的报警电路会发生报警。 图3-10 系统整体流程图图3-10是整体的流程图，是软件设计的总体思路，图3-11将对A/D采集、转换具体模块具体介绍。3.3.2 A/D转换流程图CO电化学传感器采集到微弱的电信号经放大电路放大，传入到A/D采集、转换模块，转为所需要的数字信号，然后存储到结果寄存器中进行滤波数据处理，再与原先设定的数据比较，便可得出所测CO浓度。 图3-11 A/D转换流程图化 3.3.3 红外接收器键值处理流程图图3-12是矿用一氧化碳变送器单片机红外模块设计流程图，红外模块的主要作用是设定一氧化碳的报警浓度，和进行数值标定，红外模块接收由遥控器发射的数值后，进行数据处理分析，对输入的数值进行判断，做出与具体输入数值相对应的反应