基于MSPM0G3507主控設計的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

作者：趙瑞聰時間：2025-03-17 來源：EEPW

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1 設計需求分析

本文引用地址：http://www.j9360.com/article/202503/468174.htm

1.1 設計背景

隨著經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展，生活的環(huán)境成為人們關注的話題。人們生活水平的提高，許多人也會在意如何去評判周圍環(huán)境的是否適合去居住，去生活。智能的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)也成為人們工作之余，閑暇之余關注的話題，簡便、快捷、準確的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測可以更好的方便人們生產生活，智能化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是一個基本環(huán)境要素監(jiān)測、無線通訊、數(shù)據(jù)處理與管理、數(shù)據(jù)分析于一體的項目工程。整個項目包括基本環(huán)境要素采集部分，數(shù)據(jù)傳輸部分，數(shù)據(jù)處理部分，各個部分之間通過數(shù)據(jù)傳輸進行數(shù)據(jù)之間的交互，從而實現(xiàn)整個項目自動、實時、不間斷的數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、處理和報警功能，便于使用者實時查看監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)。

1.2 設計目的

基于TI 公司的MSPM0G3507 主控設計的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，適用于家庭環(huán)境監(jiān)測，實驗室環(huán)境監(jiān)測，養(yǎng)護室的溫濕度監(jiān)測，大棚內溫濕度監(jiān)測，也可用于學校，科研單位的噪聲監(jiān)測等多種場景，實現(xiàn)自動、實時的數(shù)據(jù)采集，通過無線模塊連接實現(xiàn)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，給人們的生活帶來舒適，溫馨的場景。

1.3 項目優(yōu)點

● 環(huán)境噪音實時讀取

● 溫濕度、PM 值數(shù)據(jù)（多項）數(shù)據(jù)采集

● 無線通訊計數(shù)：實現(xiàn)遠程監(jiān)測功能

● 報警功能：超過預設定值可以提醒人們注意周圍環(huán)境

● 數(shù)據(jù)顯示：7 寸迪文屏顯示，界面友好，直觀

1.4 主要技術特點

通過外設模塊（噪聲傳感器、PMS5003T 顆粒物傳感器）實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過主控芯片串口功能在7寸迪文屏上顯示，同時主動將環(huán)境數(shù)據(jù)通過億百特公司的串口模塊（E32-433T20S）上傳到PC 端，可以遠程實時監(jiān)測，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)，主要包括：噪聲、溫度、濕度、PM2.5 數(shù)據(jù)、PM1.0 數(shù)據(jù)、PM10 數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，TI 公司的MSPM0G3507 主控對各個數(shù)據(jù)進行處理，記錄和顯示，當環(huán)境中的某個數(shù)據(jù)超過設定值時做出報警響應，同時提醒人們注意安全，做好自身防護。

1.5 項目創(chuàng)新點

● 使用無線通訊功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測

● 多項環(huán)境數(shù)據(jù)采集、顯示

● 7寸彩色屏，給用戶良好的用戶體驗

1.6 主要商業(yè)價值和前景預測

設計的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)適用場景有：家庭環(huán)境安全監(jiān)測，實驗室環(huán)境安全監(jiān)測、大棚內的環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)院，學校的環(huán)境監(jiān)測；

空氣質量的監(jiān)測：如學校，醫(yī)院等等，當空氣內的PM2.5 超過一定值后，PMS5003T 顆粒物傳感器精度高，可以及時的對空氣中的顆粒物進行監(jiān)測，提醒人們注意安全，做好自身的防護。

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

噪音的監(jiān)測：可以用于學校、醫(yī)院、圖書館周圍，當環(huán)境的內的分貝超過設定值，及時的提醒周圍的人們降低分貝，還給人們一個安靜、舒適的環(huán)境。

綜上所述：設計環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，應用范圍廣，可以進一步進行改造，并且使用的外部模塊精度高，誤差小，具有極高的商業(yè)價值和良好的產品開發(fā)前景。

2 硬件系統(tǒng)架構

2.1 項目方案

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案：主控采用：TI公司MSPM0G3507開發(fā)板、自制的拓展版（后面會進行介紹）、噪音采集使用噪音檢測傳感器模塊、環(huán)境檢測使用數(shù)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、無線通訊使用億百特公司的無線模塊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 鋰電池進行系統(tǒng)供電，為整個系統(tǒng)的運行提供動力來源

顯示部分：下位機采用7 寸屏幕進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)來源

無線通訊部分：采用LoRa 擴頻技術，使用公共頻段進行數(shù)據(jù)上傳

2.3 各個模塊的介紹

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還包含一個存儲器保護單元、7通道DMA、數(shù)學加速器和各種高性能模擬外設，例如兩個12位4 MSPS ADC、一個可配置內部共享電壓基準、一個12位1 Msps DAC、三個具有內置基準DAC 的高速比較器、兩個具有可編程增益的零漂移零交叉運算放大器和一個通用放大器。這些器件還提供智能數(shù)字外設，例如兩個16 位高級控制計時器、五個通用計時器（具有一個用于QEI 接口的16 位通用計時器、兩個用于待機模式的16 位通用計時器和一個32 位通用計時器）、兩個窗口式看門狗計時器以及一個具有警報和日歷模式的RTC。這些器件提供數(shù)據(jù)完整性和加密外設（AES、CRC、TRNG）以及增強型通信接口（四個UART、兩個I2C、兩個SPI 以及CAN2.0/FD）。

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

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

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Arm 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、待機和關斷模式，其中關斷模式下最低電流消耗僅78 nA，且支持IO 功能喚醒，有助于延長設備續(xù)航時間和降低能耗。

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，滿足復雜應用的存儲需求。

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

3)智能數(shù)字外設與增強型通信接口

智能數(shù)字外設：提供7 通道DMA 控制器、數(shù)學加速器（支持DIV、SQRT、MAC 和TRIG 計算）、多個高級控制計時器和通用計時器，以及兩個窗口式看門狗計時器和一個具有警報和日歷模式的RTC，提升系統(tǒng)整體性能和可靠性。

增強型通信接口：支持四個UART、兩個I2C、兩個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(tǒng)進行數(shù)據(jù)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，滿足不同應用場景的電源需求。

5)易于開發(fā)與集成

開發(fā)支持：提供LP-MSPM0G3507 LaunchPad? 開發(fā)套件和MSP 軟件開發(fā)套件（SDK），降低開發(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(jù)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(shù)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發(fā)與集成的特點，在電機控制、家用電器、不間斷電源和逆變器、電子銷售點系統(tǒng)、醫(yī)療和保健、測試和測量、工廠自動化和控制、工業(yè)運輸、電網(wǎng)基礎設施等領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開關頻率，可以提供最高5 A 輸出電流能力，具有低紋波，出色的線性與負載調整率特點。XL4005內置固定頻率振蕩器與頻率補償電路，簡化了電路設計。

PWM控制環(huán)路可以調節(jié)占空比從0 ~ 100% 之間線性變化。內置輸出過電流保護功能。當輸出短路時，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(shù)量。

特點

● 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開關頻率

● 最大5A開關電流

● 內置功率MOS

● 高效率

● 出色的線性與負載調整率

● EN腳TTL關機功能

● EN腳遲滯功能

● 內置熱關斷功能

● 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(wěn)壓器，適用于高效率線性穩(wěn)壓器發(fā)表開關電源穩(wěn)壓器電池充電器活躍的小型計算機系統(tǒng)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）

線路調整（最大）：10 mV（4.75 V ≤ V_IN≤12 V）

負載調節(jié)（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（最小）：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，同時為外置的噪音傳感器供電，降壓至DC5 V，為7 寸迪文屏進行供電，屏幕功耗在500 MA 左右，完全可以滿足設計要求，DC5 V 經(jīng)過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足要求。

2.3.3 噪音傳感器電路

電路硬件設計：

產品資料：

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(wěn)定性使用周期內小于2%

反應時間小于3 s

防護等級 IP20

存儲條件 -40 ~ 70℃（-40 ~ 158 ℉）

接口規(guī)格 XH2.54 （4 pin）

重量/ 尺寸 50 g / 60× 40×15 mm

產品應用場景：噪音監(jiān)測器、檢測儀、自動化控制系統(tǒng)、環(huán)境噪音監(jiān)控系統(tǒng)、工業(yè)、廠房等需要測量的場所。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：

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(shù)據(jù)，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)快速響應與實時監(jiān)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，并實時提供測量結果，有助于及時發(fā)現(xiàn)和解決噪聲問題。

實時監(jiān)測：支持在線實時監(jiān)測功能，能夠持續(xù)監(jiān)測噪聲水平，為環(huán)境保護、工業(yè)安全等領域提供有力支持。

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參數(shù)，如噪聲頻譜、噪聲波形等信息，為用戶提供全面的噪聲分析和評估。

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

4)高穩(wěn)定性與可靠性

高穩(wěn)定性：噪音傳感器具有較高的穩(wěn)定性和長期可靠性，能夠在長時間的使用過程中保持一致的性能表現(xiàn)，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)質材料和先進工藝制造，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行無縫集成，形成綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

擴展性強：傳感器可接口多種數(shù)據(jù)采集與分析平臺，滿足不同應用場景的需求，支持系統(tǒng)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(wěn)定性與可靠性以及易于集成與擴展等優(yōu)點，在環(huán)境噪聲監(jiān)測、工業(yè)生產環(huán)境噪音控制等領域發(fā)揮著重要作用。

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

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 方案的無線串口模塊（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。LoRa模塊支持LoRa?擴頻技術，LoRa?直序擴頻技術具有更遠的通訊距離，抗干擾能力強的優(yōu)勢，同時有極強的保密性。目前已經(jīng)穩(wěn)定量產，已經(jīng)大量應用三表行業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)改造、智能家居等領域。

產品特點：

超小體積，僅16×26 mm；

支持先進的LoRa 調制方式，具有遠距離抗干擾的優(yōu)點；

理想條件下，通信距離可達3 km，傳輸距離優(yōu)于傳統(tǒng)GFSK 等，

支持定點傳輸、廣播傳輸、信道監(jiān)聽；

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(wěn)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(shù)據(jù)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℃ 下長時間使用；

郵票孔接口，可焊接內置天線或引出到外部。

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)的人機交互專用芯片包含T5、TPS兩大系列，可靈活組合，設計穩(wěn)定可靠、高性能、高性價比的定制化產品。

提供與芯片配套的UI 開發(fā)平臺，幫助客戶快速完成精美人機界面開發(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(shù)宇信號處理于一體，具有集成度高、性能優(yōu)異、開發(fā)便捷、價格經(jīng)濟等特點，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(shù)據(jù)不丟失的存儲芯片。EEPROM可以在電腦上或專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2 K 位串行CMOS E2PROM，內部含有256 個8 位字節(jié)，CATALYST 公司的先進CMOS技術實質上減少了器件的功耗。AT24C02 有一個16 字節(jié)頁寫緩沖器。該器件通過IIC 總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能。

產品特點：

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

時鐘速度：5 V 時最大1000 kHz，其余為400 kHz硬件設計：

2.3.7 試驗數(shù)據(jù)

W25Q64 是一種常見的串行閃存器件，它采用SPI（Serial Peripheral Interface）接口協(xié)議，具有高速讀寫和擦除功能，可用于存儲和讀取數(shù)據(jù)。W25Q32 芯片容量為32 Mbit（4 MB），其中名稱后的數(shù)字代表不同的容量選項。不同的型號和容量選項可以滿足不同應用的需求，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(qū)（Sector）和塊（Block）進行的，每個扇區(qū)的大小為4 KB，每個塊包含16 個扇區(qū)，即一個塊的大小為64 KB。

硬件設計