一、前言

1.1 开发背景

本实验基于CC2530单片机和MQ-2气体传感器，通过模拟信号采集的方式实现烟雾浓度的检测与显示。CC2530作为一款强大的低功耗无线单片机，具有丰富的GPIO接口，可以方便地进行多种传感器的接入与数据处理。本实验的重点是通过ADC（模拟到数字转换器）接口读取MQ-2传感器的模拟输出信号，将其转化为数字信号，从而实现烟雾浓度的量化输出。

MQ-2气体传感器能够检测多种气体的浓度，常用于烟雾、甲烷、液化气等气体的监测。在本实验中，传感器通过模拟电压信号反映气体浓度的变化。为了提高传感器的灵敏度，可以通过调节MQ-2上的蓝色电阻来优化响应性能。通过使用火机释放少量气体至传感器探头，可以观察到串口调试助手中数据的实时变化，反映出气体浓度的变化情况。

本实验的主要目的在于通过实际操作了解如何配置和使用CC2530的GPIO接口，如何使用MQ-2传感器进行气体检测，以及如何将传感器的数据通过串口输出显示。在实验过程中，调节气体浓度，观察串口助手中的数据变化，有助于加深对气体传感原理与传感器应用的理解。

这是当前实验使用的CC2530板子的实物图：

1.2 MQ-2气体传感器

MQ-2气体传感器是一种广泛应用于各种安全监测系统的元件，特别适合用于家庭和工业环境中检测可燃气体泄露以及烟雾浓度。该传感器的核心部分是一个气敏电阻，当周围空气中的特定气体浓度发生变化时，气敏电阻的阻值也会随之改变。MQ-2传感器可以检测多种气体，包括但不限于液化石油气(LPG)、异丁烷、甲烷(CH4)、酒精、氢气(H2)以及烟雾等，这使得它在多个领域内都有非常广泛的应用。

MQ-2传感器的设计采用了简单的加热丝结构，工作时需要一定的预热时间，通常建议预热时间为24小时以上，以便达到最佳的工作状态。传感器内部的加热丝在通电后会产生热量，促使气敏材料表面发生化学反应，进而改变其电阻值。通过测量这一变化，就可以间接地得知空气中目标气体的浓度。值得注意的是，MQ-2传感器上配备有一个可调的蓝色电位器，用户可以通过调节这个电位器来调整传感器的灵敏度，以适应不同应用场景的需求。

在实际应用中，MQ-2气体传感器通常会与微控制器配合使用，例如本实验中使用的CC2530单片机。通过将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，再由微控制器进行处理和分析，最终实现对环境气体浓度的精确监测。此外，为了确保数据的准确性和可靠性，还需要对传感器进行适当的校准。校准过程通常涉及在已知气体浓度的环境下测量传感器的输出值，并据此调整算法中的参数，以提高检测精度。 MQ-2气体传感器以其成本低廉、使用方便、响应迅速等特点，成为了众多气体检测应用的理想选择。

1.3 项目硬件模块组成

(1) CC2530单片机 作为核心控制单元，CC2530单片机负责接收来自MQ-2气体传感器的模拟信号，通过ADC模块进行转换，并将处理后的浓度数据通过串口输出至串口调试助手。

(2) MQ-2气体传感器 MQ-2传感器用于检测空气中的烟雾、甲烷、液化气等气体的浓度。其模拟输出信号（AO）连接到CC2530的ADC输入引脚，CC2530将采集到的模拟电压值转换为数字量，进而计算出气体浓度。

(3) 电源模块 为整个系统提供稳定的电源。CC2530单片机和MQ-2传感器都需要通过VCC和GND接入适当的电源（通常为3.3V或5V）。

(4) 串口通信模块 用于实现CC2530单片机与PC之间的数据通信。通过串口0（UART）输出烟雾浓度数据，供串口调试助手显示和监控。

(5) 调节电阻（蓝色电阻） MQ-2传感器上有一个可调电阻，用于调节传感器的灵敏度。通过调整该电阻，可以改变传感器对气体浓度变化的响应能力，使其适应不同的检测环境。

(6) 火机（气体源） 用于向MQ-2传感器释放气体，模拟环境中气体浓度的变化，观察传感器输出和串口数据的响应。

(7) 串口调试助手 用于接收和显示来自CC2530单片机通过串口发送的烟雾浓度数据，帮助观察气体浓度变化与传感器响应的关系。

1.4 项目实现的功能

二、CC2530基础知识科普

2.1 CC2530 与 ZigBee 的含义

CC2530是什么

CC2530是一款由德州仪器（Texas Instruments，TI）推出的无线微控制器芯片，专为低功耗和无线通信应用设计。它基于8051内核，具有丰富的片上资源，包括128 KB的闪存、8 KB的RAM、多个UART和SPI接口、ADC模块等。此外，CC2530支持IEEE 802.15.4标准，这是ZigBee协议栈的基础。CC2530的低功耗特性和高集成度使其特别适用于智能家居、物联网（IoT）设备和工业自动化等应用场景。

ZigBee是什么

ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信协议，专为低功耗、低数据速率和短距离应用场景设计。它的主要特点是功耗低、组网灵活、支持大规模网络节点（如星型、网状和树形拓扑），并且具有较强的抗干扰能力。ZigBee常用于智能家居（如智能灯控、温湿度传感器）、工业物联网、医疗设备和农业监控等领域。与Wi-Fi和蓝牙相比，ZigBee适合需要低功耗、低数据速率和高网络节点容量的应用。

CC2530与ZigBee的联系

CC2530是支持ZigBee协议的硬件平台之一。CC2530的硬件架构和无线射频模块完全符合IEEE 802.15.4标准，而ZigBee协议栈则是运行在该标准之上的通信协议。通过在CC2530芯片上加载ZigBee协议栈（如TI提供的Z-Stack），用户可以构建完整的ZigBee无线通信系统。

CC2530作为ZigBee设备的实现平台，可以配置为不同类型的ZigBee节点，包括协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End Device）。协调器负责整个ZigBee网络的建立和管理，路由器用于中继信号扩展网络范围，终端设备通常是低功耗的传感器或执行器。

CC2530是支持ZigBee协议的硬件芯片，而ZigBee是运行在像CC2530这样的硬件平台上的通信协议。CC2530为ZigBee提供硬件支持，ZigBee则为CC2530提供实现复杂网络功能的能力。这种软硬结合使得CC2530成为ZigBee应用中的主流选择之一。

2.2 CC2530的开发环境

CC2530官方推荐的开发环境是 IAR Embedded Workbench（IAR EW8051）。

CC2530的开发环境：IAR Embedded Workbench

IAR Embedded Workbench（简称IAR）是开发CC2530的主要集成开发环境（IDE）。它是一款专业的嵌入式软件开发工具，提供了编辑、编译、调试和优化等功能，广泛支持各种嵌入式微控制器平台，包括基于8051内核的CC2530。IAR针对低功耗和无线设备开发进行了深度优化，特别适合CC2530这类资源有限的嵌入式芯片。

IAR支持德州仪器的ZigBee协议栈（如Z-Stack），并提供了配套的调试工具和编译器，使开发者能够轻松集成ZigBee协议、编写应用代码和调试固件。此外，IAR具有良好的代码优化能力，能有效减少CC2530有限内存的占用，提高程序运行效率。

为什么使用IAR开发CC2530

使用IAR开发CC2530主要是由于以下原因：

1. 官方支持 德州仪器推荐使用IAR开发CC2530，因为其ZigBee协议栈（如Z-Stack）是专门为IAR优化的，许多示例代码和参考项目直接在IAR环境中运行，减少了开发者的移植工作。

2. 代码优化能力强 IAR的编译器提供了高效的代码优化功能，包括针对代码大小和运行速度的优化选项。对于资源受限的CC2530（如闪存128 KB和RAM 8 KB），IAR可以显著减小二进制文件大小，让更多复杂功能得以实现。

3. 调试工具完善 IAR集成了强大的调试工具，支持CC2530的片上调试功能（On-Chip Debugging）。通过与TI的调试硬件（如CC Debugger）配合，开发者可以实时查看和控制程序运行状态，进行断点设置、变量监控和性能分析。

4. 多功能集成 IAR提供了丰富的功能模块，如静态分析、运行时调试和内存分析工具。这些功能特别适合复杂协议栈（如ZigBee）的开发，帮助开发者迅速定位和解决问题。

IAR与Keil的区别

Keil也是一款非常流行的嵌入式开发工具，但在开发CC2530时，IAR相比Keil具有以下显著区别：

1. 官方适配支持 TI官方的ZigBee协议栈和示例项目主要为IAR设计，Keil并没有直接支持这些协议栈。因此，使用Keil开发CC2530需要进行额外的移植工作，而IAR则可以开箱即用。

2. 编译器优化效果 IAR的编译器在优化代码大小方面普遍优于Keil，这对于资源有限的CC2530尤为重要。在存储和性能受限的情况下，IAR可以更高效地利用芯片资源。

3. 协议栈复杂度支持 ZigBee协议栈本身较为复杂，对编译器和开发环境的要求较高。IAR对复杂嵌入式协议的支持更为成熟，而Keil的侧重点更多在通用8051开发。

4. 工具链兼容性 IAR与CC2530配套的调试工具（如CC Debugger）无缝集成，调试体验更流畅。Keil在支持TI调试硬件方面不够完善，可能需要第三方工具或插件进行适配。

IAR是CC2530开发的首选环境，其强大的优化能力、完善的调试功能和与ZigBee协议的高兼容性，使得开发者能够更加高效地完成项目。而Keil尽管也支持8051平台，但在CC2530开发中的表现和适配性稍逊一筹。

2.3 IAR新建工程的步骤

三、代码设计

代码的含义看中文注释,这里不再单独写文字介绍代码含义。

3.1 main.c

#include "ioCC2530.h" 
#include "string.h"
​
​
typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned int  uint;
typedef signed short int16;
typedef unsigned short uint16;
​
char TxBuf[5];
uint16 GasData;
​
uint16 ReadGasData( void );
​
/****************************************************************************
* 名    称: InitUart()
* 功    能: 串口初始化函数
* 入口参数: 无
* 出口参数: 无
****************************************************************************/
void InitUart(void)
{ 
  PERCFG = 0x00;           //外设控制寄存器 USART 0的IO位置:0为P0口位置1 
  P0SEL = 0x0c;            //P0_2,P0_3用作串口（外设功能）
  P2DIR &= ~0XC0;          //P0优先作为UART0
  
  U0CSR |= 0x80;           //设置为UART方式
  U0GCR |= 8;                      
  U0BAUD |= 59;           //波特率设为9600
  UTX0IF = 0;              //UART0 TX中断标志初始置位0
}
​
/****************************************************************************
* 名    称: UartSendString()
* 功    能: 串口发送函数
* 入口参数: Data:发送缓冲区   len:发送长度
* 出口参数: 无
****************************************************************************/
void UartSendString(char *Data, int len)
{
  uint i;
  
  for(i=0; i<len; i++)
  {
    U0DBUF = *Data++;
    while(UTX0IF == 0);
    UTX0IF = 0;
  }
}
​
/****************************************************************************
* 名    称: DelayMS()
* 功    能: 以毫秒为单位延时 16M时约为535,32M时要调整,系统时钟不修改默认为16M
* 入口参数: msec 延时参数，值越大延时越久
* 出口参数: 无
****************************************************************************/
void DelayMS(uint msec)
{  
  uint i,j;
  
  for (i=0; i<msec; i++)
    for (j=0; j<1070; j++);
}
​
uint16 ReadGasData( void )
{
  uint16 reading = 0;
  
  /* Enable channel */
  ADCCFG |= 0x40;
  
  /* writing to this register starts the extra conversion */
  ADCCON3 = 0x86;// AVDD5 引脚  00： 64 抽取率(7 位ENOB)  0110： AIN6
  
  /* Wait for the conversion to be done */
  while (!(ADCCON1 & 0x80));
  
  /* Disable channel after done conversion */
  ADCCFG &= (0x40 ^ 0xFF); //按位异或。如1010^1111=0101（二进制）
  
  /* Read the result */
  reading = ADCL;
  reading |= (int16) (ADCH << 8); 
  
  reading >>= 8;
  
  return (reading);
}
​
void main(void)
{
  CLKCONCMD &= ~0x40;         //设置系统时钟源为32MHZ晶振
  while(CLKCONSTA & 0x40);    //等待晶振稳定为32M
  CLKCONCMD &= ~0x47;         //设置系统主时钟频率为32MHZ  
  
  InitUart();                   //调置串口相关寄存器
  
  while(1)
  {
    GasData = ReadGasData();  //读取烟雾传感器引脚上的ad转换值，并没有换算成能表示烟雾浓度的值
    //演示如何使用2530芯片的AD功能，更具体在组网中给出
    
    //读取到的数值转换成字符串，供串口函数输出
    TxBuf[0] = GasData / 100 + '0';
    TxBuf[1] = GasData / 10%10 + '0';
    TxBuf[2] = GasData % 10 + '0';
    TxBuf[3] = '\n';
    TxBuf[4] = 0;
    
    UartSendString(TxBuf, 4); //想串口助手送出数据，波特率是115200      
    DelayMS(2000);            //延时函数
  }
}
​

四、总结

通过本次实验，成功地将CC2530单片机与MQ-2气体传感器结合，实现了烟雾浓度的实时检测与显示。实验中，使用ADC模块将模拟信号转换为数字信号，从而得到烟雾浓度值，并通过串口输出至调试助手，展示了数据的变化和传感器的响应。整个实验过程不仅加深了对单片机硬件接口配置的理解，还实践了如何与传感器进行交互，采集模拟信号并将其转换为有用的数据。

在实验过程中，灵敏度的调节使得传感器对不同气体浓度的响应更加精确，通过调节MQ-2传感器上的蓝色电阻，可以在不同的实验环境中优化其性能。此外，使用火机释放气体测试了传感器的实际响应，验证了系统的功能和数据输出的准确性。

本次实验不仅实现了烟雾浓度的检测功能，还帮助掌握了如何通过硬件和软件的结合完成实际的传感器应用。通过串口调试助手实时显示数据，为后续的项目开发提供了良好的实践经验和技术基础，为类似的气体检测项目提供了可行的解决方案。