基于MSPM0G3507主控設計的環(huán)境監測系統

1   設計需求分析

1.1 設計背景

隨著(zhù)經(jīng)濟社會(huì )的飛速發(fā)展，生活的環(huán)境成為人們關(guān)注的話(huà)題。人們生活水平的提高，許多人也會(huì )在意如何去評判周?chē)h(huán)境的是否適合去居住，去生活。智能的環(huán)境監測系統也成為人們工作之余，閑暇之余關(guān)注的話(huà)題，簡(jiǎn)便、快捷、準確的環(huán)境數據監測可以更好的方便人們生產(chǎn)生活，智能化環(huán)境監測系統是一個(gè)基本環(huán)境要素監測、無(wú)線(xiàn)通訊、數據處理與管理、數據分析于一體的項目工程。整個(gè)項目包括基本環(huán)境要素采集部分，數據傳輸部分，數據處理部分，各個(gè)部分之間通過(guò)數據傳輸進(jìn)行數據之間的交互，從而實(shí)現整個(gè)項目自動(dòng)、實(shí)時(shí)、不間斷的數據采集、傳輸、顯示、處理和報警功能，便于使用者實(shí)時(shí)查看監測區域的數據。

1.2 設計目的

基于TI 公司的MSPM0G3507 主控設計的智能環(huán)境監測系統，適用于家庭環(huán)境監測，實(shí)驗室環(huán)境監測，養護室的溫濕度監測，大棚內溫濕度監測，也可用于學(xué)校，科研單位的噪聲監測等多種場(chǎng)景，實(shí)現自動(dòng)、實(shí)時(shí)的數據采集，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊連接實(shí)現遠距離的智能通訊，提供全方位的保障，優(yōu)化人們的生活方式，給人們的生活帶來(lái)舒適，溫馨的場(chǎng)景。

1.3 項目?jì)?yōu)點(diǎn)

●   環(huán)境噪音實(shí)時(shí)讀取

●   溫濕度、PM 值數據（多項）數據采集

●   無(wú)線(xiàn)通訊計數：實(shí)現遠程監測功能

●   報警功能：超過(guò)預設定值可以提醒人們注意周?chē)h(huán)境

●   數據顯示：7 寸迪文屏顯示，界面友好，直觀(guān)

1.4 主要技術(shù)特點(diǎn)

通過(guò)外設模塊（噪聲傳感器、PMS5003T 顆粒物傳感器）實(shí)現環(huán)境數據采集，經(jīng)過(guò)主控芯片串口功能在7寸迪文屏上顯示，同時(shí)主動(dòng)將環(huán)境數據通過(guò)億百特公司的串口模塊（E32-433T20S）上傳到PC 端，可以遠程實(shí)時(shí)監測，實(shí)現環(huán)境數據，主要包括：噪聲、溫度、濕度、PM2.5 數據、PM1.0 數據、PM10 數據等數據，TI 公司的MSPM0G3507 主控對各個(gè)數據進(jìn)行處理，記錄和顯示，當環(huán)境中的某個(gè)數據超過(guò)設定值時(shí)做出報警響應，同時(shí)提醒人們注意安全，做好自身防護。

1.5 項目創(chuàng )新點(diǎn)

●   使用無(wú)線(xiàn)通訊功能實(shí)現數據的遠程監測

●   多項環(huán)境數據采集、顯示

●   7寸彩色屏，給用戶(hù)良好的用戶(hù)體驗

1.6 主要商業(yè)價(jià)值和前景預測

設計的智能環(huán)境監測系統適用場(chǎng)景有：家庭環(huán)境安全監測，實(shí)驗室環(huán)境安全監測、大棚內的環(huán)境監測、醫院，學(xué)校的環(huán)境監測；

空氣質(zhì)量的監測：如學(xué)校，醫院等等，當空氣內的PM2.5 超過(guò)一定值后，PMS5003T 顆粒物傳感器精度高，可以及時(shí)的對空氣中的顆粒物進(jìn)行監測，提醒人們注意安全，做好自身的防護。

空氣中溫濕度的監測；例如大棚，植物的生長(cháng)需要合適的環(huán)境，PMS5003T 顆粒物傳感器不僅僅可以監測PM數據，對溫濕度也有極其精度高的監測，當棚內溫濕度低于植物生長(cháng)所需要的環(huán)境，可以及時(shí)的做出報警，及時(shí)提醒人們去控制大棚內的溫濕度。

噪音的監測：可以用于學(xué)校、醫院、圖書(shū)館周?chē)?，當環(huán)境的內的分貝超過(guò)設定值，及時(shí)的提醒周?chē)娜藗兘档头重?，還給人們一個(gè)安靜、舒適的環(huán)境。

綜上所述：設計環(huán)境監測系統，應用范圍廣，可以進(jìn)一步進(jìn)行改造，并且使用的外部模塊精度高，誤差小，具有極高的商業(yè)價(jià)值和良好的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前景。

2   硬件系統架構

2.1 項目方案

環(huán)境監測系統的整體方案：主控采用：TI公司MSPM0G3507開(kāi)發(fā)板、自制的拓展版（后面會(huì )進(jìn)行介紹）、噪音采集使用噪音檢測傳感器模塊、環(huán)境檢測使用數字式通用顆粒物濃度傳感器、屏幕顯示使用迪文公司7 寸串口工業(yè)屏、無(wú)線(xiàn)通訊使用億百特公司的無(wú)線(xiàn)模塊E32-433T20S、供電使用12 V 的鋰電池。

2.2 項目框架

供電部分：采用12 V 鋰電池進(jìn)行系統供電，為整個(gè)系統的運行提供動(dòng)力來(lái)源

顯示部分：下位機采用7 寸屏幕進(jìn)行數據顯示傳感器模塊部分：采用顆粒物傳感器和噪音傳感器提供環(huán)境數據來(lái)源

無(wú)線(xiàn)通訊部分：采用LoRa 擴頻技術(shù)，使用公共頻段進(jìn)行數據上傳

2.3 各個(gè)模塊的介紹

2.3.1 主控MSPM0G3507介紹

主芯片介紹：MSPM0G350x 微控制器（MCU）屬于MSP高度集成的超低功耗32 位MCU 系列，該MCU系列基于增強型Arm^? Cortex^?-M0+ 32位內核平臺，工作頻率最高可達80MHz。這些低成本MCU提供高性能模擬外設集成，支持-40℃至125℃的工作溫度范圍，并在1.62V至3.6V的電源電壓下運行。

MSPM0G350x器件提供具有內置糾錯碼（ECC）且高達128KB的嵌入式閃存程序存儲器以及具有ECC和硬件奇偶校驗選項且高達32KB的SRAM。這些MCU還包含一個(gè)存儲器保護單元、7通道DMA、數學(xué)加速器和各種高性能模擬外設，例如兩個(gè)12位4 MSPS ADC、一個(gè)可配置內部共享電壓基準、一個(gè)12位1 Msps DAC、三個(gè)具有內置基準DAC 的高速比較器、兩個(gè)具有可編程增益的零漂移零交叉運算放大器和一個(gè)通用放大器。這些器件還提供智能數字外設，例如兩個(gè)16 位高級控制計時(shí)器、五個(gè)通用計時(shí)器（具有一個(gè)用于QEI 接口的16 位通用計時(shí)器、兩個(gè)用于待機模式的16 位通用計時(shí)器和一個(gè)32 位通用計時(shí)器）、兩個(gè)窗口式看門(mén)狗計時(shí)器以及一個(gè)具有警報和日歷模式的RTC。這些器件提供數據完整性和加密外設（AES、CRC、TRNG）以及增強型通信接口（四個(gè)UART、兩個(gè)I2C、兩個(gè)SPI 以及CAN2.0/FD）。

TI MSPM0 系列低功耗MCU 包含具有不同模擬和數字集成度的器件，可讓客戶(hù)找到滿(mǎn)足其工程需求的MCU。

MSPM0 MCU 平臺將Arm Cortex-M0+ 平臺與超低功耗整體系統架構相結合，使系統設計人員能夠在降低能耗的同時(shí)提高性能。

主控芯片選擇優(yōu)勢：

MSPM0G3507 芯片作為一款超低功耗的32 位微控制器（MCU），具有多方面的優(yōu)勢。以下是該芯片的主要優(yōu)勢：

1)高性能與低功耗

高性能內核：MSPM0G3507 基于A(yíng)rm Cortex-M0+內核，主頻最高可達80 MHz，提供強大的處理能力。

低功耗設計：該芯片支持多種低功耗工作模式，包括運行、睡眠、停止、待機和關(guān)斷模式，其中關(guān)斷模式下最低電流消耗僅78 nA，且支持IO 功能喚醒，有助于延長(cháng)設備續航時(shí)間和降低能耗。

2)豐富的內存與存儲資源

大容量閃存： 內置具有糾錯碼（ECC） 且高達128 KB 的閃存，以及具有ECC 和硬件奇偶校驗選項且高達32 KB 的SRAM，滿(mǎn)足復雜應用的存儲需求。

高性能模擬外設：包括兩個(gè)12 位4 Msps ADC、一個(gè)12 位1 Msps DAC、三個(gè)具有內置基準DAC 的高速比較器、兩個(gè)具有可編程增益的零漂移零交叉運算放大器和一個(gè)通用放大器，為模擬信號處理提供強大支持。

3)智能數字外設與增強型通信接口

智能數字外設：提供7 通道DMA 控制器、數學(xué)加速器（支持DIV、SQRT、MAC 和TRIG 計算）、多個(gè)高級控制計時(shí)器和通用計時(shí)器，以及兩個(gè)窗口式看門(mén)狗計時(shí)器和一個(gè)具有警報和日歷模式的RTC，提升系統整體性能和可靠性。

增強型通信接口：支持四個(gè)UART、兩個(gè)I2C、兩個(gè)SPI以及CAN 2.0/FD等多種通信協(xié)議，便于與其他設備或系統進(jìn)行數據交換和通信。

4)寬工作溫度范圍與靈活電源選項

寬工作溫度范圍：支持-40℃ 至125℃ 的工作溫度范圍，適用于各種惡劣環(huán)境。

靈活電源選項：在1.62 V 至3.6 V 的電源電壓下運行，滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)景的電源需求。

5)易于開(kāi)發(fā)與集成

開(kāi)發(fā)支持：提供LP-MSPM0G3507 LaunchPad? 開(kāi)發(fā)套件和MSP 軟件開(kāi)發(fā)套件（SDK），降低開(kāi)發(fā)難度和成本。

封裝選項：提供多種封裝選項（如64 引腳LQFP、48 引腳LQFP、32 引腳VQFN、28 引腳VSSOP 等），便于根據應用需求選擇合適的封裝形式。

綜上所述，MSPM0G3507 芯片以其高性能、低功耗、豐富的內存與存儲資源、智能數字外設、增強型通信接口、寬工作溫度范圍、靈活電源選項以及易于開(kāi)發(fā)與集成的特點(diǎn)，在電機控制、家用電器、不間斷電源和逆變器、電子銷(xiāo)售點(diǎn)系統、醫療和保健、測試和測量、工廠(chǎng)自動(dòng)化和控制、工業(yè)運輸、電網(wǎng)基礎設施等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。

2.3.2 電源電路設計

XL4005芯片介紹：

XL4005是一款高效降壓型DC-DC轉換器，固定300KHz開(kāi)關(guān)頻率，可以提供最高5 A 輸出電流能力，具有低紋波，出色的線(xiàn)性與負載調整率特點(diǎn)。XL4005內置固定頻率振蕩器與頻率補償電路，簡(jiǎn)化了電路設計。

PWM控制環(huán)路可以調節占空比從0 ~ 100% 之間線(xiàn)性變化。內置輸出過(guò)電流保護功能。當輸出短路時(shí)，頻率由300 KHz 降至60 KHz。內部補償模塊可以減少外圍元器件數量。

特點(diǎn)

●   5V到32V寬輸入電壓范圍

●   輸出電壓從0.8V到30V可調

●   最大占空比100%

●   最小壓降0.6V

●   固定300KHz開(kāi)關(guān)頻率

●   最大5A開(kāi)關(guān)電流

●   內置功率MOS

●   高效率

●   出色的線(xiàn)性與負載調整率

●   EN腳TTL關(guān)機功能

●   EN腳遲滯功能

●   內置熱關(guān)斷功能

●   內置限流功能

●   內置輸出短路保護功能

●   TO263-5L 封裝

AMS1117-3.3 V芯片介紹：

AMS1117-3.3 是一種輸出電壓為3.3 V 的正向低壓降穩壓器，適用于高效率線(xiàn)性穩壓器發(fā)表開(kāi)關(guān)電源穩壓器電池充電器活躍的小型計算機系統接口終端筆記本電腦的電源管理電池供電的儀器。

工作結溫范圍：-40 ~ 125℃

輸入電壓：15 V

焊接溫度（25 秒）：265℃

存儲溫度：-65 ~ 150℃

輸出電壓：3.267 ~ 3.333 V（0≤ I_OUT ≤1 A，4.75 V ≤ V_IN ≤ 12 V）

線(xiàn)路調整（最大）：10 mV（4.75 V ≤ V_IN ≤12 V）

負載調節（最大）：15 mV（V_IN = 5 V，0≤ I_OUT ≤1 A）

電壓差（最大）：1.3 V

電流限制：900 ~ 1500 mA

靜態(tài)電流（最大）：10 mA

紋波抑制（最?。?/strong>60 dB。

電源電路設計思路：參考XL4005 芯片手冊，輸入電壓設計為DC12 V，同時(shí)為外置的噪音傳感器供電，降壓至DC5 V，為7 寸迪文屏進(jìn)行供電，屏幕功耗在500 MA 左右，完全可以滿(mǎn)足設計要求，DC5 V 經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3 V 給主控MSPM0G 3507 供電，由于芯片功耗較低，用該電壓芯片完全滿(mǎn)足要求。

2.3.3 噪音傳感器電路

電路硬件設計：

產(chǎn)品資料：

型號 AS11-T

電源 5 或12 VDC

功率 0.1 W/ 平均

測量范圍 30 ~ 120 dB

頻率范圍 20 Hz ~ 12.5 kHz

輸出類(lèi)型 TTL/IIC/RS485

最大誤差 0.5 dB

工作溫度-20℃ ~ 70℃

相對濕度25% ~ 90%

氣 壓65 KPa ~ 108 KPa

穩定性 使用周期內小于2%

反應時(shí)間 小于3 s

防護等級 IP20

存儲條件 -40 ~ 70℃（-40 ~ 158 ℉）

接口規格 XH2.54 （4 pin）

重量/ 尺寸 50 g / 60× 40×15 mm

產(chǎn)品應用場(chǎng)景：噪音監測器、檢測儀、自動(dòng)化控制系統、環(huán)境噪音監控系統、工業(yè)、廠(chǎng)房等需要測量的場(chǎng)所。用于項目主要是為了快速采集環(huán)境中的分貝。

噪音傳感器的優(yōu)點(diǎn)：

1)高精度與寬頻率范圍

高精度：噪音傳感器能夠以非常高的精度測量環(huán)境中的噪聲水平，提供準確的噪聲數據，有助于精確評估噪聲污染情況。

寬頻率范圍：傳感器能夠檢測從低頻到高頻的各種噪聲信號，適應不同場(chǎng)景的測量需求，如工業(yè)環(huán)境、城市交通等。

2)快速響應與實(shí)時(shí)監測

快速響應：噪音傳感器具有快速的響應能力，能夠迅速捕捉到噪聲信號的變化，并實(shí)時(shí)提供測量結果，有助于及時(shí)發(fā)現和解決噪聲問(wèn)題。

實(shí)時(shí)監測：支持在線(xiàn)實(shí)時(shí)監測功能，能夠持續監測噪聲水平，為環(huán)境保護、工業(yè)安全等領(lǐng)域提供有力支持。

3)多功能性與易操作性

多功能性：噪音傳感器不僅可以測量噪聲水平，還可以提供其他相關(guān)參數，如噪聲頻譜、噪聲波形等信息，為用戶(hù)提供全面的噪聲分析和評估。

易操作性：傳感器通常具有簡(jiǎn)單易用的操作界面和友好的用戶(hù)界面，用戶(hù)可以輕松掌握噪聲測量技術(shù)，進(jìn)行準確的噪聲監測和控制。

4)高穩定性與可靠性

高穩定性：噪音傳感器具有較高的穩定性和長(cháng)期可靠性，能夠在長(cháng)時(shí)間的使用過(guò)程中保持一致的性能表現，減少因設備故障導致的測量誤差。

高可靠性：傳感器通常采用優(yōu)質(zhì)材料和先進(jìn)工藝制造，具有較高的防水、防塵、耐腐蝕等特性，能夠在各種惡劣環(huán)境下正常工作，確保測量結果的準確性。

5)易于集成與擴展

易于集成：噪音傳感器體積小巧、重量輕，并且具有較低的功耗，便于與其他傳感器或設備進(jìn)行無(wú)縫集成，形成綜合監測系統。

擴展性強：傳感器可接口多種數據采集與分析平臺，滿(mǎn)足不同應用場(chǎng)景的需求，支持系統的擴展和升級。

綜上所述，噪音傳感器以其高精度、寬頻率范圍、快速響應、多功能性、高穩定性與可靠性以及易于集成與擴展等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境噪聲監測、工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境噪音控制等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用。

在該項目中：可以選擇DC12 V 或者DC5 V 進(jìn)行供電，可以通過(guò)0 阻進(jìn)行配置，為了防止錯誤的撥碼導致芯片損壞，并沒(méi)有撥碼開(kāi)關(guān)。通過(guò)485 通訊方式進(jìn)行數據的讀取，軟件層面采用CRC16 校驗的方式，對數據的準確性進(jìn)行合理的驗證。

2.3.4 串口模塊（E32-433T20S）介紹

電路硬件設計：

模塊介紹：

E32-433T20S是一款基于Semtech 公司LoRa 方案的無(wú)線(xiàn)串口模塊（TTL 電平），透明傳輸方式，工作在410~441MHz頻段（默認433 MHz），采用LoRa擴頻技術(shù)。LoRa模塊支持LoRa?擴頻技術(shù)，LoRa?直序擴頻技術(shù)具有更遠的通訊距離，抗干擾能力強的優(yōu)勢，同時(shí)有極強的保密性。目前已經(jīng)穩定量產(chǎn)，已經(jīng)大量應用三表行業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)改造、智能家居等領(lǐng)域。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

超小體積，僅16×26 mm；

支持先進(jìn)的LoRa 調制方式，具有遠距離抗干擾的優(yōu)點(diǎn)；

理想條件下，通信距離可達3 km，傳輸距離優(yōu)于傳統GFSK 等，

支持定點(diǎn)傳輸、廣播傳輸、信道監聽(tīng)；

支持空中喚醒（超低功耗），適用于電池應用方案；

支持FEC 前向糾錯，提高通信穩定性；

最大發(fā)射功率100 mW，軟件多級可調；

支持全球免許可ISM433 MHz 頻段；

支持2.4 k ~ 19.2 kbps 的數據傳輸速率；

支持2.3 ~ 5.5 V 供電，大于3.3 V 供電均可保證最住性能；

工業(yè)級標準設計，支持-40 ~ +85℃ 下長(cháng)時(shí)間使用；

郵票孔接口，可焊接內置天線(xiàn)或引出到外部。

2.3.5 串口顯示屏幕

采用迪文科技的迪文彩色屏DMG10600C070_03WRZ51。

迪文自主研發(fā)的人機交互專(zhuān)用芯片包含T5、TPS兩大系列，可靈活組合，設計穩定可靠、高性能、高性?xún)r(jià)比的定制化產(chǎn)品。

提供與芯片配套的UI 開(kāi)發(fā)平臺，幫助客戶(hù)快速完成精美人機界面開(kāi)發(fā)，便捷而高效。

該系列包含適用于不同分辨率、不同UI 功能需求的芯片。

芯片集成高速圖形處理、JPEG 硬件解碼、高速顯存、觸摸屏控制、音頻播放、數宇信號處理于一體，具有集成度高、性能優(yōu)異、開(kāi)發(fā)便捷、價(jià)格經(jīng)濟等特點(diǎn)，已得到廣泛應用。

其中，T5F0、T5F2 針對物聯(lián)網(wǎng)應用提供更豐富的UI 元素支持，包含矢量字庫、PNG 圖片、MP3 音頻、視頻流媒體等。

硬件設計：

2.3.6 存儲芯片介紹

EEPROM（Electrically Erasable Programmable read only memory）是指帶電可擦可編程只讀存儲器。是一種掉電后數據不丟失的存儲芯片。EEPROM可以在電腦上或專(zhuān)用設備上擦除已有信息，重新編程。一般用在即插即用。

AT24C02 是一個(gè)2 K 位串行CMOS E2PROM，內部含有256 個(gè)8 位字節，CATALYST 公司的先進(jìn)CMOS技術(shù)實(shí)質(zhì)上減少了器件的功耗。AT24C02 有一個(gè)16 字節頁(yè)寫(xiě)緩沖器。該器件通過(guò)IIC 總線(xiàn)接口進(jìn)行操作，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的寫(xiě)保護功能。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

工作電壓：1.8 V ~ 5.5 V

工作電流：最大3 mA

通信接口：IIC

內存：2048 位

時(shí)鐘速度：5 V 時(shí)最大1000 kHz，其余為400 kHz硬件設計：

2.3.7 試驗數據

W25Q64 是一種常見(jiàn)的串行閃存器件，它采用SPI（Serial Peripheral Interface）接口協(xié)議，具有高速讀寫(xiě)和擦除功能，可用于存儲和讀取數據。W25Q32 芯片容量為32 Mbit（4 MB），其中名稱(chēng)后的數字代表不同的容量選項。不同的型號和容量選項可以滿(mǎn)足不同應用的需求，比如W25Q16、W25Q64、W25Q128 等。通常被用于嵌入式設備、存儲設備、路由器等高性能電子設備中。W25Q32 閃存芯片的內存分配是按照扇區（Sector）和塊（Block）進(jìn)行的，每個(gè)扇區的大小為4 KB，每個(gè)塊包含16 個(gè)扇區，即一個(gè)塊的大小為64 KB。

硬件設計

3   軟件介紹

3.1 系統初始化部分

●   上電初始化：配置MSPM0G3507 的系統時(shí)鐘，GPIO口

●   配置定時(shí)器0 作為系統時(shí)鐘，用于刷新界面，為程序運行提供基本時(shí)基。

●   初始化四個(gè)串口使用到的GPIO 口，配置波特率等信息

●   串口0 與噪音傳感器通訊，讀取當前環(huán)境下的信息，當出現異常時(shí)，系統做出報警

●   串口1 與串口屏進(jìn)行通訊，顯示當前的參數信息

●   串口2 與環(huán)境模塊通訊，實(shí)時(shí)處理模塊信息

●   串口3 與上位機通訊，上傳信息至PC 端，可實(shí)現一對多通訊。

●   異常處理，檢測當前的狀態(tài)信息。

3.2 軟件流程圖