张文杰　邹念龙　董丹迪

摘 要：针对矿井环境监测问题，设计一种以MSP430F149低功耗单片机为核心的环境监测系统，能够对空气中温度、湿度、一氧化碳、火焰等常见环境参数进行测量，通过液晶显示模块进行数据的实时显示，并且当监测数据异常时，可通过蜂鸣器和屏幕显示进行报警。完成了系统的原理样机研制，达到了预期功能。

关键词：环境监测；低功耗单片机；传感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.078

1 引言

环境与人类生产生活息息相关，对环境状态的有效监测是安全生产、健康生活的重要保证。矿山安全工作的重点是及时发现安全隐患，预防事故的发生[1]。矿井内环境的监测是矿山安全生产的重要组成部分。新鲜空气依靠通风系统不断供给到井内，同时把污浊空气排出至地面，以保证良好的作业环境。因此必须对井下温度、湿度、一氧化碳等环境参数进行有效的监测，当井下环境出现异常时，应能及时的发现并发出警示信息。

2 总体方案设计

本设计以MSP430F149低功耗单片机作为环境监测系统的主控芯片，采用温湿度、一氧化碳、烟雾以及火焰传感器进行数据采集，通过液晶显示模块进行所测数据的显示，并设计RS232串行接口，可将数据传给上位机。针对每一种环境参数设置相应的安全阈值，当超过阈值时，则进行蜂鸣器报警和液晶显示提示。系统的总体框图如图1所示。

2.1 主控芯片

MSP430单片机是美国德州仪器公司推出的一系列优秀的混合型微处理器产品，其最主要特点为功耗低，能够根据任务需要，设置于不同的工作模式[2，3]。根据设计需求，本系统选用MSP430F149型号单片机。该单片机采用RISC结构和低功耗设计，性能稳定可靠，运行效率高，同时具有丰富的外围模块资源，能够满足环境监测系统的接口需求[4]。

本设计软件开发平台采用IAR公司提供的 IAR Electronic Workbench。该平台编译性能高效，支持多种开发工具，并且有很多可以参考的资源，是目前MSP430单片机程序开发的首要选择。

2.2 传感器选型

（1）温湿度传感器。选用DHT11数字温湿度传感器。该传感器体积小，功耗低，抗干扰能力强，采用单总线数字信号输出，便于系统集成。湿度测量范围20%-95%，湿度测量误差：±5%；温度测量范围：0℃-50℃，温度测量误差：±2℃。

（2）一氧化碳传感器。MQ-7传感器使用二氧化锡作为气敏材料，其电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，从而对一氧化碳有很高的灵敏度，并且价格低廉，是一款高性价比的测量器件。

（3）可燃气体传感器。MQ-2传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。该传感器可以检测到液化气、丙烷、氢气等可燃气体，灵敏度高，价格低，应用广泛。

（4）火焰传感器。火焰传感器利用红外线对火焰敏感度高的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，可检测到火焰以及波长在760nm-1100nm的光源。传感器为数字开关量输出，低电平有效，且灵敏度可调节。

本设计中的四种传感器与单片机的不同管脚连接，四种传感器均具有数字量输出，同时一氧化碳和烟雾传感器具有模拟量输出。

2.3 显示及报警设计

LCD12864是一种多种接口方式的液晶显示模块，有4位/8位并行、2线或3线串行等多种通信方式。该模块具有低电压，低功耗，电路结构以及显示程序简洁等优点。本设计采用LCD12864显示采集的状态参数。单片机与LCD12864模块之间采用并行通信连接。

蜂鸣器与单片机的IO口连接。单片机向蜂鸣器发送PWM信号，通过改变PWM占空比可以改变蜂鸣器声音频率。

3 软件设计

系统软件采用模块化设计，系统初始化主要包括IO口初始化、LCD初始化，AD初始化，以及显示开机画面等。进而进行数据测量，包括温湿度子程序、一氧化碳检测子程序、烟雾检测子程序以及测火焰子程序，测得数据后再调用显示子程序。主程序流程如图2所示。

显示界面如图3所示。第一行显示一氧化碳模拟量，第二行显示烟雾模拟量，第三行显示湿度值，第四行显示温度值。前三行的“正常”分别表示一氧化碳、烟雾浓度未超限，未检测到火焰。第四行的“成功”表示接收到温湿度传感器的响应信号。

当一氧化碳、烟雾含量超限或者检测到火焰，单片机对应端口输入低电平，蜂鸣器将发出三种对应的声音报警，并且在屏幕显示异常信息。

4 结论

本文以矿井环境监测为背景设计了一种环境监测系统，包括硬件系统设计与选型集成，软件系统开发测试。该系统实现了温度、湿度、一氧化碳浓度、烟雾浓度以及火焰信号的采集，信号处理以及现场显示，当检测参数超过设定阈值后，能够通过蜂鸣器和屏幕显示发出报警信息。完成了原理样机研制，通过实际测量实验，验证该系统的精确性和可靠性，达到预期效果，具有较强的应用价值。

參考文献：

[1]张国盛，林安栋.矿井监测监控系统的发展历史及趋势[J].煤炭技术，2009，28（02）：8-9.

[2]谢兴红，林凡强，吴雄英.MSP430单片机基础与实践[M].北京航空航天大学出版社，2008.

[3]任保宏，徐科军.MSP430单片机原理与应用[M].电子工业出版社，

2014.

[4]花汉兵.MSP430F149在微型化低功耗数据采集模块中的应用[J].现代电子技术，2007（09）：141-142.

本论文来源于山东省重点研发计划项目，项目名称《矿山产业智慧工场关键技术研究与示范》，项目编号：2016CYJS06A01

作者简介：张文杰（1981-），男，山西平定人，本科，助理工程师，研究方向：矿山自动化。