基于MSPM0G3507主控设计的环境监测系统

发布时间：2025-04-13 16:53

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1 设计需求分析

1.1 设计背景

随着经济社会的飞速发展，生活的环境成为人们关注的话题。人们生活水平的提高，许多人也会在意如何去评判周围环境的是否适合去居住，去生活。智能的环境监测系统也成为人们工作之余，闲暇之余关注的话题，简便、快捷、准确的环境数据监测可以更好的方便人们生产生活，智能化环境监测系统是一个基本环境要素监测、无线通讯、数据处理与管理、数据分析于一体的项目工程。整个项目包括基本环境要素采集部分，数据传输部分，数据处理部分，各个部分之间通过数据传输进行数据之间的交互，从而实现整个项目自动、实时、不间断的数据采集、传输、显示、处理和报警功能，便于使用者实时查看监测区域的数据

1.2 设计目的

基于TI 公司的MSPM0G3507 主控设计的智能环境监测系统，适用于家庭环境监测，实验室环境监测，养护室的温湿度监测，大棚内温湿度监测，也可用于学校，科研单位的噪声监测等多种场景，实现自动、实时的数据采集，通过无线模块连接实现远距离的智能通讯，提供全方位的保障，优化人们的生活方式，给人们的生活带来舒适，温馨的场景。

1.3 项目优点

● 环境噪音实时读取

● 温湿度、PM 值数据（多项）数据采集

● 无线通讯计数：实现远程监测功能

● 报警功能：超过预设定值可以提醒人们注意周围环境

● 数据显示：7 寸迪文屏显示，界面友好，直观

1.4 主要技术特点

通过外设模块（噪声传感器、PMS5003T 颗粒物传感器）实现环境数据采集，经过主控芯片串口功能在7寸迪文屏上显示，同时主动将环境数据通过亿百特公司的串口模块（E32-433T20S）上传到PC 端，可以远程实时监测，实现环境数据，主要包括：噪声、温度、湿度、PM2.5 数据、PM1.0 数据、PM10 数据等数据，TI 公司的MSPM0G3507 主控对各个数据进行处理，记录和显示，当环境中的某个数据超过设定值时做出报警响应，同时提醒人们注意安全，做好自身防护。

1.5 项目创新点

● 使用无线通讯功能实现数据的远程监测

● 多项环境数据采集、显示

● 7寸彩色屏，给用户良好的用户体验

1.6 主要商业价值和前景预测

设计的智能环境监测系统适用场景有：家庭环境安全监测，实验室环境安全监测、大棚内的环境监测、医院，学校的环境监测；

空气质量的监测：如学校，医院等等，当空气内的PM2.5 超过一定值后，PMS5003T 颗粒物传感器精度高，可以及时的对空气中的颗粒物进行监测，提醒人们注意安全，做好自身的防护。

空气中温湿度的监测；例如大棚，植物的生长需要合适的环境，PMS5003T 颗粒物传感器不仅仅可以监测PM数据，对温湿度也有极其精度高的监测，当棚内温湿度低于植物生长所需要的环境，可以及时的做出报警，及时提醒人们去控制大棚内的温湿度。

噪音的监测：可以用于学校、医院、图书馆周围，当环境的内的分贝超过设定值，及时的提醒周围的人们降低分贝，还给人们一个安静、舒适的环境。

综上所述：设计环境监测系统，应用范围广，可以进一步进行改造，并且使用的外部模块精度高，误差小，具有极高的商业价值和良好的产品开发前景。

2 硬件系统架构

2.1 项目方案

环境监测系统的整体方案：主控采用：TI公司MSPM0G3507开发板、自制的拓展版（后面会进行介绍）、噪音采集使用噪音检测传感器模块、环境检测使用数字式通用颗粒物浓度传感器、屏幕显示使用迪文公司7 寸串口工业屏、无线通讯使用亿百特公司的无线模块E32-433T20S、供电使用12 V 的锂电池。

2.2 项目框架

供电部分：采用12 V 锂电池进行系统供电，为整个系统的运行提供动力来源。

显示部分：下位机采用7 寸屏幕进行数据显示传感器模块部分：采用颗粒物传感器和噪音传感器提供环境数据来源

无线通讯部分：采用Lora 扩频技术，使用公共频段进行数据上传

2.3 各个模块的介绍

2.3.1 主控MSPM0G3507介绍

主芯片介绍：MSPM0G350x 微控制器（MCU）属于MSP高度集成的超低功耗32 位MCU 系列，该MCU系列基于增强型Arm® Cortex®-M0+ 32位内核平台，工作频率最高可达80MHz。这些低成本MCU提供高性能模拟外设集成，支持-40℃至125℃的工作温度范围，并在1.62V至3.6V的电源电压下运行。

MSPM0G350x器件提供具有内置纠错码（ECC）且高达128KB的嵌入式闪存程序存储器以及具有ECC和硬件奇偶校验选项且高达32KB的SRAM。这些MCU还包含一个存储器保护单元、7通道DMA、数学加速器和各种高性能模拟外设，例如两个12位4 MSPS ADC、一个可配置内部共享电压基准、一个12位1 Msps DAC、三个具有内置基准DAC 的高速比较器、两个具有可编程增益的零漂移零交叉运算放大器和一个通用放大器。这些器件还提供智能数字外设，例如两个16 位高级控制计时器、五个通用计时器（具有一个用于QEI 接口的16 位通用计时器、两个用于待机模式的16 位通用计时器和一个32 位通用计时器）、两个窗口式看门狗计时器以及一个具有警报和日历模式的RTC。这些器件提供数据完整性和加密外设（AES、CRC、TRNG）以及增强型通信接口（四个UART、两个I2C、两个SPI 以及CAN2.0/FD）。

TI MSPM0 系列低功耗MCU 包含具有不同模拟和数字集成度的器件，可让客户找到满足其工程需求的MCU。

MSPM0 MCU 平台将Arm Cortex-M0+ 平台与超低功耗整体系统架构相结合，使系统设计人员能够在降低能耗的同时提高性能。

主控芯片选择优势：

MSPM0G3507 芯片作为一款超低功耗的32 位微控制器（MCU），具有多方面的优势。以下是该芯片的

主要优势：

1)高性能与低功耗

高性能内核：MSPM0G3507 基于Arm Cortex-M0+内核，主频最高可达80 MHz，提供强大的处理能力。低功耗设计：该芯片支持多种低功耗工作模式，包括运行、睡眠、停止、待机和关断模式，其中关断模式下最低电流消耗仅78 nA，且支持IO 功能唤醒，有助于延长设备续航时间和降低能耗。

2)丰富的内存与存储资源

大容量闪存：内置具有纠错码（ECC）且高达128 KB 的闪存，以及具有ECC 和硬件奇偶校验选项且高达32 KB 的SRAM，满足复杂应用的存储需求。高性能模拟外设：包括两个12 位4 Msps ADC、一个12 位1 Msps DAC、三个具有内置基准DAC 的高速比较器、两个具有可编程增益的零漂移零交叉运算放大器和一个通用放大器，为模拟信号处理提供强大支持。

3)智能数字外设与增强型通信接口

智能数字外设：提供7 通道DMA 控制器、数学加速器（支持DIV、SQRT、MAC 和TRIG 计算）、多个高级控制计时器和通用计时器，以及两个窗口式看门狗计时器和一个具有警报和日历模式的RTC，提升系统整体性能和可靠性。

增强型通信接口：支持四个UART、两个I2C、两个SPI以及CAN 2.0/FD等多种通信协议，便于与其他设备或系统进行数据交换和通信。

4)宽工作温度范围与灵活电源选项

宽工作温度范围：支持-40℃ 至125℃ 的工作温度范围，适用于各种恶劣环境。

灵活电源选项：在1.62 V 至3.6 V 的电源电压下运行，满足不同应用场景的电源需求。

5)易于开发与集成

开发支持：提供LP-MSPM0G3507 LaunchPad™ 开发套件和MSP 软件开发套件（SDK），降低开发难度和成本。

封装选项：提供多种封装选项（如64 引脚LQFP、48 引脚LQFP、32 引脚VQFN、28 引脚VSSOP 等），便于根据应用需求选择合适的封装形式。

综上所述，MSPM0G3507 芯片以其高性能、低功耗、丰富的内存与存储资源、智能数字外设、增强型通信接口、宽工作温度范围、灵活电源选项以及易于开发与集成的特点，在电机控制、家用电器、不间断电源和逆变器、电子销售点系统、医疗和保健、测试和测量、工厂自动化和控制、工业运输、电网基础设施等领域具有广泛的应用前景。

2.3.2 电源电路设计

XL4005芯片介绍：

XL4005是一款高效降压型DC-DC转换器，固定300KHz开关频率，可以提供最高5 A 输出电流能力，具有低纹波，出色的线性与负载调整率特点。XL4005内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。PWM控制环路可以调节占空比从0 ~ 100% 之间线性变化。内置输出过电流保护功能。当输出短路时，频率由300 KHz 降至60 KHz。内部补偿模块可以减少外围元器件数量。

特点

● 5V到32V宽输入电压范围

● 输出电压从0.8V到30V可调

● 最大占空比100%

● 最小压降0.6V

● 固定300KHz开关频率

● 最大5A开关电流

● 内置功率MOS

● 高效率

● 出色的线性与负载调整率

● EN脚TTL关机功能

● EN脚迟滞功能

● 内置热关断功能

● 内置限流功能

● 内置输出短路保护功能

● TO263-5L 封装

AMS1117-3.3 V芯片介绍：

AMS1117-3.3 是一种输出电压为3.3 V 的正向低压降稳压器，适用于高效率线性稳压器发表开关电源稳压器电池充电器活跃的小型计算机系统接口终端笔记本电脑的电源管理电池供电的仪器。

工作结温范围：-40 ~ 125℃

输入电压：15 V

焊接温度（25 秒）：265℃

存储温度：-65 ~ 150℃

输出电压：3.267 ~ 3.333 V（0<=IOUT<=1 A，4.75 V<=VIN<=12 V）

线路调整（最大）：10 mV（4.75 V<=VIN<=12 V）

负载调节（最大）：15 mV（VIN=5 V，0<=IOUT<=1 A）

电压差（最大）：1.3 V

电流限制：900 ~ 1500 mA

静态电流（最大）：10 mA

纹波抑制（最小）：60 dB。

电源电路设计思路：参考XL4005 芯片手册，输入电压设计为DC12 V，同时为外置的噪音传感器供电，降压至DC5 V，为7 寸迪文屏进行供电，屏幕功耗在500 MA 左右，完全可以满足设计要求，DC5 V 经过AMS1117-3.3 V 给主控MSPM0G 3507 供电，由于芯片功耗较低，用该电压芯片完全满足要求。

2.3.3 噪音传感器电路

电路硬件设计：

产品资料：

型号 AS11-T

电源 5 或12 VDC

功率 0.1 W/ 平均

测量范围 30 ~ 120 dB

频率范围 20 Hz ~ 12.5 kHz

输出类型 TTL/IIC/RS485

最大误差 0.5 dB

工作温度-20℃ ~ 70℃

相对湿度25% ~ 90%

气压65 KPa ~ 108 KPa

稳定性使用周期内小于2%

反应时间小于3 s

防护等级 IP20

存储条件 -40 ~ 70℃（-40 ~ 158 ℉）

接口规格 XH2.54 （4 pin）

重量/ 尺寸 50 g / 60× 40×15 mm

产品应用场景：噪音监测器、检测仪、自动化控制系统、环境噪音监控系统、工业、厂房等需要测量的场所。用于项目主要是为了快速采集环境中的分贝。

噪音传感器的优点：

1)高精度与宽频率范围

高精度：噪音传感器能够以非常高的精度测量环境中的噪声水平，提供准确的噪声数据，有助于精确评估噪声污染情况。

宽频率范围：传感器能够检测从低频到高频的各种噪声信号，适应不同场景的测量需求，如工业环境、城市交通等。

2)快速响应与实时监测

快速响应：噪音传感器具有快速的响应能力，能够迅速捕捉到噪声信号的变化，并实时提供测量结果，有助于及时发现和解决噪声问题。

实时监测：支持在线实时监测功能，能够持续监测噪声水平，为环境保护、工业安全等领域提供有力支持。

3)多功能性与易操作性

多功能性：噪音传感器不仅可以测量噪声水平，还可以提供其他相关参数，如噪声频谱、噪声波形等信息，为用户提供全面的噪声分析和评估。

易操作性：传感器通常具有简单易用的操作界面和友好的用户界面，用户可以轻松掌握噪声测量技术，进行准确的噪声监测和控制。

4)高稳定性与可靠性

高稳定性：噪音传感器具有较高的稳定性和长期可靠性，能够在长时间的使用过程中保持一致的性能表现，减少因设备故障导致的测量误差。

高可靠性：传感器通常采用优质材料和先进工艺制造，具有较高的防水、防尘、耐腐蚀等特性，能够在各种恶劣环境下正常工作，确保测量结果的准确性。

5)易于集成与扩展

易于集成：噪音传感器体积小巧、重量轻，并且具有较低的功耗，便于与其他传感器或设备进行无缝集成，形成综合监测系统。

扩展性强：传感器可接口多种数据采集与分析平台，满足不同应用场景的需求，支持系统的扩展和升级。

综上所述，噪音传感器以其高精度、宽频率范围、快速响应、多功能性、高稳定性与可靠性以及易于集成与扩展等优点，在环境噪声监测、工业生产环境噪音控制等领域发挥着重要作用。

在该项目中：可以选择DC12 V 或者DC5 V 进行供电，可以通过0 阻进行配置，为了防止错误的拨码导致芯片损坏，并没有拨码开关。通过485 通讯方式进行数据的读取，软件层面采用CRC16 校验的方式，对数据的准确性进行合理的验证。

2.3.4 串口模块（E32-433T20S）介绍

电路硬件设计：

模块介绍：

E32-433T20S是一款基于Semtech 公司LoRa 方案的无线串口模块（TTL 电平），透明传输方式，工作在410~441MHz频段（默认433 MHz），采用LoRa扩频技术。LoRa模块支持LoRa™扩频技术，LoRa™直序扩频技术具有更远的通讯距离，抗干扰能力强的优势，同时有极强的保密性。目前已经稳定量产，已经大量应用三表行业、物联网改造、智能家具等领域。

产品特点：

超小体积，仅16×26 mm；

支持先进的LoRa 调制方式，具有远距离抗干扰的优点；

理想条件下，通信距离可达3 km，传输距离优于传统GFSK 等，

支持定点传输、广播传输、信道监听；

支持空中唤醒（超低功耗），适用于电池应用方案；

支持FEC 前向纠错，提高通信稳定性；

最大发射功率100 mW，软件多级可调；

支持全球免许可ISM433 MHz 频段；

支持2.4 k ~ 19.2 kbps 的数据传输速率；

支持2.3 ~ 5.5 V 供电，大于3.3 V 供电均可保证最住性能；

工业级标准设计，支持-40 ~ +85℃ 下长时间使用，邮票孔接口，可焊接内置天线或引出到外部。

2.3.5 串口显示屏幕

采用迪文科技的迪文彩色屏DMG10600C070_03WRZ51

迪文自主研发的人机交互专用芯片包含T5、TPS两大系列，可灵活组合，设计稳定可靠、高性能、高性价比的定制化产品。

提供与芯片配套的UI 开发平台，帮助客户快速完成精美人机界面开发，便捷而高效。

该系列包含适用于不同分辨率、不同UI 功能需求的芯片。

芯片集成高速图形处理、JPEG 硬件解码、高速显存、触摸屏控制、音频播放、数宇信号处理于一体，具有集成度高、性能优异、开发便捷、价格经济等特点，已得到广泛应用。

其中，T5F0、T5F2 针对物联网应用提供更丰富的UI 元素支持，包含矢量字库、PNG 图片、MP3 音频、视频流媒体等。

硬件设计：

2.3.6 存储芯片介绍

EEPROM（Electrically Erasable Programmable read only memory）是指带电可擦可编程只读存储器。是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。EEPROM可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。一般用在即插即用。

AT24C02 是一个2 K 位串行CMOS E2PROM，内部含有256 个8 位字节，CATALYST 公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02 有一个16 字节页写缓冲器。该器件通过IIC 总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

产品特点：

工作电压：1.8 V ~ 5.5 V

工作电流：最大3 mA

通信接口：IIC

内存：2048 位

时钟速度：5 V 时最大1000 Khz，其余为400 Khz硬件设计：

2.3.7 试验数据

W25Q64 是一种常见的串行闪存器件，它采用SPI（Serial Peripheral Interface）接口协议，具有高速读写和擦除功能，可用于存储和读取数据。W25Q32 芯片容量为32 Mbit（4 MB），其中名称后的数字代表不同的容量选项。不同的型号和容量选项可以满足不同应用的需求，比如W25Q16、W25Q64、W25Q128 等。通常被用于嵌入式设备、存储设备、路由器等高性能电子设备中。W25Q32 闪存芯片的内存分配是按照扇区（Sector）和块（Block）进行的，每个扇区的大小为4 KB，每个块包含16 个扇区，即一个块的大小为64 KB。

硬件设计