曾憲陽1,楊紅莉2,郁漢琪1,褚南峰1

　　(1.南京工程學(xué)院 工業(yè)中心,，江蘇 南京 211167；2.南京工程學(xué)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(jī)作為控制核心,，多子機(jī)網(wǎng)點輔助監(jiān)測,，無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的甲醛檢測儀。使用單片機(jī)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(jìn)行濾波,，保證了采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(jī),；甲醛監(jiān)測儀,；卡爾曼濾波；多網(wǎng)點

0引言

　　當(dāng)前,，空氣環(huán)境污染嚴(yán)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(jìn)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(jī)系統(tǒng)及一個主機(jī)系統(tǒng),，將每個子機(jī)系統(tǒng)分散安置在各個房間的某個區(qū)域，主機(jī)系統(tǒng)放置在臥室或客廳等住戶?；顒拥奈恢?，主機(jī)與子機(jī)之間采用NRF24L01無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。子機(jī)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(jī),，主機(jī)通過中斷接收各子機(jī)發(fā)來的信息并進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)作為子機(jī)模塊分別測量對應(yīng)區(qū)域甲醛含量,，然后各子機(jī)實時將采集到的甲醛含量信息傳送給430主機(jī)模塊,，子機(jī)與主機(jī)之間采用NRF24L01無線模塊進(jìn)行通信。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示,。

       子機(jī)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(jī),。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(jī)發(fā)送給子機(jī)的命令參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)整。

　　主機(jī)通過外部中斷及時采集各子機(jī)發(fā)來的信息,，并根據(jù)子機(jī)發(fā)來的地址碼將各子機(jī)發(fā)來的信息進(jìn)行歸類,，同一子機(jī)發(fā)來的信息存放在對應(yīng)房間號的數(shù)組中。主機(jī)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(jī)將自動通知子機(jī)調(diào)整采樣時間來進(jìn)行重點監(jiān)測,。當(dāng)甲醛含量連續(xù)多天一直超過設(shè)定上限值時，主機(jī)還會發(fā)出報警聲,，用以提示用戶甲醛超標(biāo),。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(jī)采用卡爾曼濾波器對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,，更大程度地保證了采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2硬件電路設(shè)計

　　2.1MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計［8-9］

        本系統(tǒng)選用MSP430F149單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)于短路,，RST端為低電平,，充電完畢后RST變?yōu)楦唠娖剑瓿缮想娮詣訌?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(jī)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(jī)具有外部中斷功能的P1口,，CPU可隨時進(jìn)入按鍵中斷服務(wù)子程序?qū)ο鄳?yīng)參數(shù)進(jìn)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(jī)處理?？紤]到MSP430單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)A/D轉(zhuǎn)換量程匹配，該輸出信號接至單片機(jī)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(jī)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(jī)發(fā)出中斷請求,，以便單片機(jī)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(jī)中的無線通信模塊IRQ引腳接至單片機(jī)外部中斷接口,，以便主機(jī)及時響應(yīng)各子機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中各子機(jī)將定義各自的地址碼,，代表各子機(jī)所在的不同房間,。子機(jī)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(jī)接收到數(shù)據(jù)后,，通過地址碼來區(qū)分各個子機(jī)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(jī)采集到信息后在液晶顯示屏上顯示當(dāng)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,。考慮到I/O口的驅(qū)動能力,，單片機(jī)將以灌電流形式控制蜂鳴器發(fā)聲,，控制I/O口由單片機(jī)的P5.5引腳提供，當(dāng)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(jī)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(jī)的接口采用串行接口進(jìn)行通信,，SCLK,、SID、CS三引腳分別接至單片機(jī)的P3.5,、P3.6,、P3.7三個引腳。

3軟件程序設(shè)計

　　3.1子機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　在子機(jī)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(jī),，同時子機(jī)實時準(zhǔn)備接收主機(jī)發(fā)送過來的設(shè)置命令（用于設(shè)置子機(jī)傳感器采樣時間間隔等）,。因此子機(jī)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(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　主機(jī)要完成的任務(wù)有：本機(jī)數(shù)據(jù)采集、子機(jī)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(jī)、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(zhǔn)備。外部中斷入口對應(yīng)的中斷源為主機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)行濾波，保證了采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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,。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］ 王維新.甲醛釋放與檢測［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.

　?。?］ 陳煥文,鄭健,李明,等.甲醛檢測方法及儀器［J］.分析化學(xué)評述與進(jìn)展,2004,32(7)：969-972.

　?。?］ GB/T 18204.26-2000,公共場所空氣中甲醛測定方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2000.

　　［4］ GB/T 16129-1995,居住區(qū)大氣甲醛衛(wèi)生檢驗標(biāo)準(zhǔn)方法:分光光度法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995.

　?。?］ 陸學(xué)奎,蘭建中.家庭室內(nèi)裝修后空氣中甲醛污染調(diào)查及防治措施初探［J］.現(xiàn)代預(yù)醫(yī)學(xué),2006,33(6):952-953.

　?。?］ 馬天.甲醛分析儀現(xiàn)場檢測技術(shù)［J］.中國測試技術(shù),2005,31(5):131-132.

　　［7］ 孫登峰,方正,，馬天,，等.甲醛快速測定儀測試性能研究［J］.中國測試技術(shù)，2006,32(6):26-28.

　?。?］ 胡大可.MSP430Ｃ語言程序設(shè)計與開發(fā)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

　?。?］ 劉忠超,殷華文,郭抒穎.基于MSP430單片機(jī)的智能儀表設(shè)計［J］.自動化與儀表,2015(2):20-24.

　　［10］ 單成祥.傳感器的理論與設(shè)計基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社,1999.

　?。?1］ 侯杏娜,陳壽宏,唐萬順.基于NRF24L01的降雨量實時采集無線監(jiān)測系統(tǒng)［J］.計算機(jī)測量與控制,2014,22(8):2372-2376.

　?。?2］ 嚴(yán)林祥,張紅雨.基于Web和nRF24L01的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收器設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(10):69-75.

　　［13］ DAUM F. Nonlinear filters beyond the Kalman filter［J］.IEEE A&E Systems Magazine,2005,20(8):57-69.

　?。?4］ KIM J, VADDI S S, MENON P K, et al.Comparison between nonlinear filtering techniques forspiraling ballistic missile state estimation ［J］.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2012,48(1):313-328.

　?。?5］ KALMAN R E. A new approach to linear filtering and prediction problems ［J］.Transactions of the AMSE Journal of Basic Engineering,1960,82（1）:35-45.