基于“盛群”單片機(jī)和nRF905的甲烷濃度無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】設(shè)計(jì)并試制了的一套甲烷濃度無線監(jiān)測系統(tǒng)。以“盛群”HT46RU232單片機(jī)為處理器，同時(shí)以無線傳輸方式把多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)送到監(jiān)控中心進(jìn)行監(jiān)控并在危險(xiǎn)情況下告警。本系統(tǒng)可用于住宅小區(qū)以及商業(yè)大樓的化糞池甲烷濃度監(jiān)測。

【關(guān)鍵詞】盛群HT46RU232單片機(jī)；nRF905收發(fā)器；氣體傳感器

1.引言

城市住宅小區(qū)及商業(yè)大樓的發(fā)生的化糞池甲烷爆炸事件多有發(fā)生，如何安全地處理這些化糞池甲烷濃度過高所帶來的種種潛在危險(xiǎn)也成了一件值得重視的事情。作者基于盛群HT46RU232單片機(jī)設(shè)計(jì)并研制了的一套甲烷濃度遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一個(gè)監(jiān)控中心與多個(gè)檢測點(diǎn)組成，監(jiān)控中心與檢測點(diǎn)間由無線通信方式進(jìn)行信息傳輸。本設(shè)計(jì)簡單實(shí)用，目前，在市場上相關(guān)類似技術(shù)的產(chǎn)品并不多見。這不僅能可用于對(duì)住宅小區(qū)及商業(yè)大樓的化糞池甲烷濃度監(jiān)測，也可以用于工業(yè)上多種其它氣體的監(jiān)測。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

該系統(tǒng)由一個(gè)監(jiān)控中心與多個(gè)檢測點(diǎn)組成，監(jiān)控中心可以安裝在物管公司監(jiān)控室。如圖1所示，可以在不同的化糞池設(shè)置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測，檢測點(diǎn)傳感器能感知環(huán)境中甲烷氣體濃度并轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，在單片機(jī)控制下對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)變換，由無線收發(fā)模塊發(fā)射出去，監(jiān)控中心在單片機(jī)控制下由無線收發(fā)模塊接受信息并轉(zhuǎn)換成表示甲烷濃度值的數(shù)值，送到LCD顯示器顯示出來，當(dāng)檢測氣體濃度超出設(shè)定的報(bào)警值時(shí)給出聲光報(bào)警，無線傳輸距離可以100米左右，多個(gè)監(jiān)測可以滿足一個(gè)小區(qū)的需要。監(jiān)控中心由無線收發(fā)器RF905、單片機(jī)HT46R232、128X64LCD顯示、聲光報(bào)警器（蜂鳴器與發(fā)光管），監(jiān)測點(diǎn)部分由甲烷傳感器MQ-2、單片機(jī)HT46RU232、無線收發(fā)器RF905組成。

3.電路原理圖

3.1 監(jiān)測點(diǎn)原理圖

圖2所示為監(jiān)測點(diǎn)原理電路圖，圖中JP4為核心控制芯片，臺(tái)灣“盛群”HT46RU232是8位高性能精簡指令集單片機(jī)[1]，該單片機(jī)具有低功耗、I/O 使用靈活、可編程分頻器、計(jì)數(shù)器、振蕩類型選擇、多通道A/D 轉(zhuǎn)換（12位）、脈寬調(diào)制功能、I2C 接口、UART 總線，暫停和喚醒功能，具有4096×16程序存儲(chǔ)器和192×8數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM。使這款單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于傳感器的A/D 轉(zhuǎn)換、馬達(dá)控制、工業(yè)控制、消費(fèi)類產(chǎn)品，子系統(tǒng)控制器等。

JP2為無線收發(fā)模塊接口，采用威步公司的nRF905線收發(fā)器[3]。.工作在433/902Mhz開放ISM頻段，最高工作速率50kbps，采用高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)。滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要。內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和對(duì)多點(diǎn)通信地址控制。模塊采用SPI串口方式通信，在本電路連接上，與單片機(jī)通用I/O口相連，用單片機(jī)通用I/O口模擬SPI串口進(jìn)行通信。

Y2為煙霧傳感器接口，H與H間為一加熱電阻絲，A與B間表現(xiàn)為一與氣體濃度相關(guān)的一氣敏電阻Rs，這個(gè)電阻值一般為幾十千歐。圖3為（在條件為：溫度=20℃。相對(duì)濕度=65%。氧氣濃度=21%）傳感器在不同氣體電阻值（Rs/R0）與氣體濃度（PPM）的關(guān)系曲線圖。R0為元件在潔凈空氣中的電阻值，這個(gè)值一般在20KΩ左右，實(shí)現(xiàn)測試為23KΩ。Y2與R2，R4，C2一起構(gòu)成傳感器電路，模擬信號(hào)加到單片機(jī)的PB0端（A/D輸入端）。

3.2 監(jiān)控中心原理圖

圖4為監(jiān)控中心原理圖，JP4為盛群單片機(jī)，JP2為無線模塊接口，由于這里的單片機(jī)采用5V供電，所以無線模塊與單片機(jī)接口間串聯(lián)了一個(gè)1K電阻，以限制流入無線收發(fā)模塊的各個(gè)引腳的電流不高于10mA。

J1為LCD接口，該顯示器內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。

聲報(bào)警通過驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲實(shí)現(xiàn)，光報(bào)警通過紅色發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)。如圖由R2，D3，LS1，Q1組成。由單片機(jī)的PC1端控制，當(dāng)PC1輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；當(dāng)PC1輸出高電平時(shí)，三極管截止，不發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

4.軟件設(shè)計(jì)

由盛群公司提供的C語言編譯器HT-IDE 3000，支持C語言的編程，編譯器內(nèi)帶的單片機(jī)寄存器定義頭文件，如下：

unsigned char _status@0x0a；這是定義地址為0x0a的狀態(tài)寄存器_status

#define _c_0a_0 這是定義寄存器_status的0位

#define _ac_0a_1 這是定義寄存器_status的1位

監(jiān)測點(diǎn)主要完成對(duì)傳感器模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換并控制無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，程序流程圖如圖5。在監(jiān)控中心，程序主要有對(duì)無線收發(fā)模塊工作參數(shù)的配制，對(duì)接收數(shù)據(jù)的讀取，都是通信I/O口模擬SPI串口方式對(duì)無線模塊進(jìn)行操作。對(duì)液晶顯示器的控制采用并口數(shù)據(jù)方式。程序流程圖如圖6所示。

5.系統(tǒng)功能測試

制作并調(diào)試了系統(tǒng)，監(jiān)測點(diǎn)與監(jiān)控中心的實(shí)物如圖7與圖8所示，監(jiān)測點(diǎn)有兩套，目前可以同時(shí)監(jiān)測兩個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在控制中心的顯示屏上可以看到監(jiān)測點(diǎn)A和監(jiān)測點(diǎn)B，顯示的單位是%LEL（Lower Explosion Limited），這是指可燃?xì)怏w在空氣中遇明火種爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限，甲烷的爆炸下限為5%體積比，5%體積比對(duì)應(yīng)100%LEL。這里沒有單位PPM，測儀的通常設(shè)有一個(gè)報(bào)警點(diǎn)：25%LEL，相當(dāng)于此時(shí)甲烷的含量為1.25%體積比。由于條件有限，測試時(shí)用打火機(jī)氣體來代替甲烷氣體，并只看氣體濃度超過25%時(shí)報(bào)警。

對(duì)監(jiān)測點(diǎn)A或B連續(xù)的加氣，可以看到LCD顯示器上的A或B點(diǎn)濃度在不斷的增加，當(dāng)顯示的濃度達(dá)到25%LEL時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生聲光報(bào)警。停止對(duì)監(jiān)測點(diǎn)A或B加氣，LCD顯示器上的A或B點(diǎn)濃度慢慢的降下來。同時(shí)對(duì)監(jiān)測點(diǎn)A和B連續(xù)加氣，也看到了同樣的效果。

6.研制中注意的問題

調(diào)試時(shí)，把HT-IDE3000仿真箱上的單片機(jī)芯片插座與目標(biāo)板上單片機(jī)芯片插座用相應(yīng)的排線相連，可以在線對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試，也可在設(shè)計(jì)目標(biāo)板時(shí)，把通用的64腳的接口設(shè)計(jì)進(jìn)去，通過這個(gè)通用口進(jìn)行調(diào)試。要注意的問題是本單片機(jī)是一次型燒寫的，最好在調(diào)試好后再進(jìn)行芯片燒寫。

還有板子的供電問題要注意，總供電由5V加入，一路加到傳感器的加熱電阻HH端，一路經(jīng)過7805穩(wěn)壓塊花式傳感器參A端，由于nRF905要求是3V到3.6V之間供電，因此用了一個(gè)LM1117的3.3V穩(wěn)壓塊輸出給給單片機(jī)和無線NRF905供電。由于傳感器的加熱電阻阻值很小只有幾十歐，所以其供電沒有經(jīng)過7805以減少其損耗。

另外對(duì)甲烷濃度的模擬檢測并準(zhǔn)確顯示也是一個(gè)難點(diǎn)，由于條件的有限沒法對(duì)其校正，不能精確測定氣體的濃度，這在以后的研究中再相法改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]Holtek微控制器應(yīng)用范例-使用Holtek C語言[Z].盛群公司，2008.

[2]NewMsg-RF905開發(fā)指南.杭州威步科技有限公司，2009.

[3]曹龍漢，劉安才，高占國.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].重慶出版社，2004（10）.

[4]趙繼文.傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社，2002 （3）.

[5]融會(huì)貫通Protel99電路設(shè)計(jì)[M].人民交通出版社，2000.