一種基于MSP430的冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置設(shè)計

摘" 要：為對冰箱內(nèi)環(huán)境中部分菌落密度及氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測提示，有效反映冰箱內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，基于MSP430設(shè)計出一款冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置。該裝置通過檢測模塊的各類半導(dǎo)體傳感器收集數(shù)據(jù)，經(jīng)由Zigbee通信模塊傳遞數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)處理與控制模塊MSP430F149，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而實現(xiàn)對冰箱內(nèi)部環(huán)境的監(jiān)測。當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)超過按鍵模塊設(shè)定的預(yù)警值時，語音提示模塊Y3-M3會根據(jù)設(shè)定對用戶進(jìn)行相應(yīng)語音提示。同時裝置的顯示模塊LCD1602顯示屏?xí)崟r顯示冰箱內(nèi)環(huán)境各項數(shù)據(jù)指標(biāo)，并且使用按鍵模塊可對報警值數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活調(diào)整。經(jīng)由上述模塊達(dá)到對冰箱內(nèi)部環(huán)境實時、準(zhǔn)確和靈活的監(jiān)測及提示，方便使用者及時對冰箱內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行清理。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測提示裝置；單片機(jī)；MSP430；半導(dǎo)體傳感器；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號：TP274+.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）10-00３１-0４

Abstract： In order to monitor the concentration of some colonies and gases in the refrigerator， and effectively reflect the state of the environment in the refrigerator， an environmental detection prompt device for the refrigerator was designed based on MSP430. The device collects data through all kinds of semiconductor sensors of the detection module， transmits the data to the data processing and control module MSP430F149 through the Zigbee communication module， and analyzes and processes the data， thus realizing the monitoring of the internal environment of the refrigerator. When the environment data exceeds the early warning value set by the button module， the voice prompt module Y3-M3 will give the corresponding voice prompt to the user according to the setting. At the same time， the LCD1602 display screen of the display module of the device can display the data indicators of the environment in the refrigerator in real time， and the alarm value data can be flexibly adjusted by using the button module. Through the above modules to achieve the refrigerator internal environment real-time， accurate and flexible monitoring and tips， convenient for users to clean up the internal environment of the refrigerator in time.

Keywords： environmental monitoring prompt device; Microcontroller Unit （MCU）; MSP430; semiconductor sensor; Internet of things technology

隨著人們生活水平的提高，對于生鮮食品的儲存需求迅速上漲。因此能夠提供低溫環(huán)境以儲存生鮮食品的冰箱越來越受歡迎，成為我們家居必備的電器。冰箱提供的低溫環(huán)境可以有效地延長食物的保質(zhì)期，減少食物的浪費，但是冰箱提供的低溫環(huán)境并不能完全殺死微生物，只能抑制部分微生物的生長和繁殖[1]，以此來達(dá)到延長食品保質(zhì)期的目的。值得一提的是，部分微生物在冰箱提供的低溫環(huán)境下更易生長繁殖，如食物自身攜帶的金黃色葡萄球菌、李斯特氏菌和沙門氏菌等微生物，這些微生物在冰箱的低溫環(huán)境下會大量繁殖導(dǎo)致微生物含量超標(biāo)。同時，人體在攝入這些含量超標(biāo)的微生物后可能引起一系列疾病，不僅局限于消化系統(tǒng)，還可能涉及呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、血液系統(tǒng)及皮膚、肌肉等組織的病變[2]，從而對人體造成嚴(yán)重的損害。因此冰箱儲存食物存在的微生物污染安全隱患不可忽視。現(xiàn)有的冰箱不能有效解決部分微生物大量繁殖污染食物的問題，而研究發(fā)現(xiàn)頻繁地清理冰箱可以極大程度地抑制微生物的生長繁殖[3]，減少微生物污染。但是在沒有外界提示的情況下，人們無法及時了解冰箱內(nèi)部微生物的含量，從而無法及時對冰箱內(nèi)部進(jìn)行有效的清理，導(dǎo)致冰箱內(nèi)部的微生物含量超標(biāo)。

對此，亟需開發(fā)出一套更先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，對冰箱內(nèi)部環(huán)境尤其是菌落密度和氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測并且及時提示使用者對冰箱內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行清理，防止冰箱內(nèi)部微生物含量超標(biāo)。為了解決上述問題，本文設(shè)計了一套基于MSP430的冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置。裝置使用單片機(jī)技術(shù)、語音提示技術(shù)、ZigBee通信技術(shù)、LCD顯示技術(shù)和半導(dǎo)體傳感器技術(shù)，通過對各模塊的電路設(shè)計，實現(xiàn)對冰箱內(nèi)部菌落密度和氣體濃度的實時監(jiān)測、冰箱內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)的實時顯示，并在微生物含量超標(biāo)時對使用者進(jìn)行語音提示，使得使用者可以及時對冰箱內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行清理，有效抑制微生物的生長繁殖，減少微生物的污染，延長冰箱內(nèi)儲存食物的保質(zhì)期。

1" 總體設(shè)計

1.1" 功能設(shè)計

本設(shè)計為基于MSP430的冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置，系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，實現(xiàn)功能如下。

1）成分測量：裝置使用了嗜冷菌檢測模塊MQ-130、大腸桿菌與沙門氏菌檢測模塊MQ-128及硫化氫檢測模塊MQ-136，能夠?qū)涿芏燃皻怏w濃度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，由采集程序控制可獲取基本數(shù)據(jù)[4]，存入設(shè)定好的格式數(shù)組中等待發(fā)送，發(fā)送到核心控制模塊MSP430F149中進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。

2）環(huán)境監(jiān)測：通過核心控制模塊高速的數(shù)字信號處理，對檢測模塊采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)了對冰箱內(nèi)菌落密度及氣體濃度的精準(zhǔn)監(jiān)測。

3）語音提示：語音提示模塊使用Y3-M3存儲了特定的語音提示音，當(dāng)檢測到某一指標(biāo)超過報警值時，及時發(fā)出語音提示。

4）信息顯示：顯示模塊使用LCD1602外接顯示器，可以實時顯示冰箱內(nèi)氣體濃度信息數(shù)據(jù)、各種菌落密度及氣體濃度檢測數(shù)據(jù)上傳的時間間隔、各種菌落密度及氣體濃度的報警值。

5）數(shù)據(jù)設(shè)定：按鍵模塊能夠靈活地取消和發(fā)送預(yù)警信息，自定義預(yù)警值，通過設(shè)定不同的預(yù)警數(shù)據(jù)和手動改變預(yù)警信息來滿足不同用戶的需求。

1.2" 結(jié)構(gòu)設(shè)計

裝置包括電源模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、顯示模塊、語音提示模塊、通信模塊、檢測模塊和按鍵模塊。不同于傳統(tǒng)的監(jiān)測裝置，本裝置在對冰箱內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測值達(dá)到預(yù)警值后可以通過語音提示模塊對用戶進(jìn)行提示，同時按鍵模塊也可對預(yù)警值進(jìn)行自定義的設(shè)定，滿足不同用戶的需求。裝置結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖2所示。

根據(jù)功能需求，繪制內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為電源模塊、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、顯示模塊、語音提示模塊、通信模塊、檢測模塊和按鍵模塊，各模塊之間通過導(dǎo)線作為介質(zhì)進(jìn)行連接。裝置模塊端口連接圖如圖3所示。

2" 各模塊硬件設(shè)計

2.1" 電源模塊

電源模塊分別與冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置的其他功能模塊相連接為冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置提供穩(wěn)定的工作電壓。單片機(jī)工作電壓為1.8～3.6 V，其他模塊工作也需要供電，電壓將會不一樣，因此系統(tǒng)設(shè)計時對輸入電源進(jìn)行二次穩(wěn)壓多路輸出。為減小輸入端受到干擾，在輸入端放置一個100 μF的濾波電容。二次穩(wěn)壓后，每路輸出之間通過磁珠進(jìn)行隔離。同時在每路輸出增加2.2 μF和0.01 μF的電容，減小輸出電源紋波對采集信號的影響，使得其他電路模塊能夠正常工作[5]。電源模塊電路原理圖如圖4所示。

2.2" 數(shù)據(jù)處理與控制模塊

作為裝置的核心模塊，數(shù)據(jù)處理與控制模塊使用低功耗、運算速度快和處理能力強(qiáng)的MSP430F149單片機(jī)[6]。MSP430單片機(jī)的供電電壓為1.8～3.6 V，工作電流非常小，同時MSP430單片機(jī)集成了超低功耗Flash存儲器、多個不同性能的數(shù)模電路和一個16位超低功耗精簡指令集（RISC）CPU。在25MAiz晶體驅(qū)動下，其指令周期為40 ns，在一個指令周期內(nèi)可以完成大部分指令[7]，MSP430F149單片機(jī)通過相應(yīng)端口與各個功能模塊連接，實現(xiàn)冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置的功能控制、數(shù)據(jù)處理與整合，以及各個模塊的有序運行。數(shù)據(jù)處理與控制模塊MSP430F149原理圖如圖5所示。

2.3" 顯示模塊

顯示模塊使用了LCD1602外接顯示器來實現(xiàn)冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置的各種菌落密度及氣體濃度信息、各種菌落密度及氣體濃度檢測數(shù)據(jù)上傳的時間間隔和各種菌落密度及氣體濃度的報警值等數(shù)據(jù)的直觀顯示。

2.4" 語音提示模塊

語音提示模塊使用Y3-M3儲存3段預(yù)警語音，用來實現(xiàn)當(dāng)冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置監(jiān)測到的菌落密度及氣體濃度超出設(shè)定的預(yù)警值時的語音提示，3段預(yù)警語音分別為“冰箱內(nèi)嗜冷菌密度過高，請及時處理！”“冰箱內(nèi)大腸桿菌與沙門氏菌密度過高，請及時處理！”“冰箱內(nèi)硫化氫氣體濃度過高，請及時處理！”

2.5" 通信模塊

通信模塊使用ZigBee技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有近距離、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性高、安全性高和實現(xiàn)成本低等特點，成為目前應(yīng)用廣泛的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[8]。

為完成裝置各模塊間的通信需求，本模塊使用E18-MS1PA1-IPX模塊用來實現(xiàn)冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置的菌落密度及氣體濃度檢測數(shù)據(jù)的實時采集、運輸、周期上傳及超標(biāo)遠(yuǎn)程提示通知[9]等功能。裝置部分模塊電路原理圖如圖6所示。

2.6" 按鍵模塊

按鍵模塊用來實現(xiàn)冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置的菌落密度及氣體濃度報警值的設(shè)定，實現(xiàn)自動觸發(fā)警報語音和取消警報和主動發(fā)送警報信息功能。該模塊設(shè)計6個按鍵S5、S6、S7、S8、S9和S10。其中，S5和S6按鍵用于控制語音提示的設(shè)定，包括語音提示的確定與取消；S7和S8用于預(yù)警數(shù)值的調(diào)整，包括預(yù)警值的升高與降低；S9和S10用來更改調(diào)整預(yù)警值的類型，包括更改菌落種類和更改氣體種類。按鍵模塊電路圖如圖7所示。

2.7" 檢測模塊

檢測模塊包括嗜冷菌檢測模塊、大腸桿菌與沙門氏菌檢測模塊和硫化氫檢測模塊。嗜冷菌檢測模塊、大腸桿菌與沙門氏菌檢測模塊和硫化氫檢測模塊分別使用MQ-130、MQ-128和MQ-136傳感器。MQ系列氣體傳感器的敏感材料是活性很高的金屬氧化物半導(dǎo)體[10]，可以準(zhǔn)確地測量出冰箱內(nèi)部環(huán)境的氣體濃度及菌群密度，經(jīng)由數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后實現(xiàn)冰箱環(huán)境監(jiān)測提示裝置對嗜冷菌的菌落密度、大腸桿菌與沙門氏菌的菌落密度和硫化氫的氣體濃度的實時監(jiān)測。

3" 結(jié)束語

本文所設(shè)計的裝置通過對冰箱內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，發(fā)出語音提示預(yù)警來提醒使用者及時對冰箱內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行清理，從而達(dá)到減少冰箱內(nèi)微生物含量的目的。其中，檢測模塊對冰箱內(nèi)菌落密度及氣體濃度進(jìn)行檢測，檢測到的數(shù)據(jù)由通信模塊傳遞至數(shù)據(jù)處理與控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)整合處理以實現(xiàn)對冰箱內(nèi)部環(huán)境的實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)處理與控制模塊處理得到的數(shù)據(jù)將由通信模塊分別傳遞至語音提示模塊和顯示模塊，語音提示模塊根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)發(fā)出相應(yīng)的語音提示，外接顯示模塊會將各種菌落密度及氣體濃度信息數(shù)據(jù)、各種菌落密度及氣體濃度檢測數(shù)據(jù)上傳的時間間隔和各種菌落密度及氣體濃度的報警值等數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示。通過上述方式對冰箱內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行實時、準(zhǔn)確和靈活的監(jiān)測提醒，讓冰箱使用者根據(jù)監(jiān)測顯示的數(shù)據(jù)和語音提示對冰箱內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行及時有效的清理，從而達(dá)到有效抑制微生物生長繁殖，減少微生物污染和延長食品保質(zhì)期的目的。

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