養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境下基于MSP430單片機(jī)的CO2檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

唐文濤+申慶祥+劉占偉

摘 要： 設(shè)計(jì)一種基于MSP430 系列單片機(jī)的低功耗泵吸式CO2氣體檢測(cè)裝置。研究設(shè)計(jì)中根據(jù)CO2傳感器EMF（輸出電勢(shì)）和濃度曲線(xiàn)圖，考慮養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際需求狀況，通過(guò)Matlab仿真擬合出EMF和濃度曲線(xiàn)的關(guān)系式，將EMF值放大后送入單片機(jī)處理，通過(guò)12864液晶實(shí)時(shí)顯示出當(dāng)前的濃度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。研究中利用MSP430F249單片機(jī)低功耗、功能完善的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)CO2傳感器EMF（輸出電勢(shì)）和濃度曲線(xiàn)圖擬合，實(shí)現(xiàn)了一套功能豐富，結(jié)果精確穩(wěn)定的CO2檢測(cè)儀。

關(guān)鍵詞： 氣體檢測(cè)； MSP430； 氣體濃度仿真； EMF曲線(xiàn)擬合

中圖分類(lèi)號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）04?0125?04

Design of CO2 gas detector used in farm environment and based on MCU in MSP430 series

TANG Wen?tao， SHEN Qing?xiang， LIU Zhan?wei

（school of Electronics and Information Engineering， Jingchu University of Technology， Jingmen， Hubei， 448000， China）

Abstract： A low?power pump suction CO2 gas detector based on MCU in MSP430 series was designed. The relation of EMF and concentration curves was deduced by means of Matlab according to the sensor EMF and concentration curves of CO2， and the actual demand of farms. The enlarged EMF value is sent to the MCU for data processing. The current concentration is displayed by 12864 liquid crystal. The sound and light alarm function is realized. A CO2 gas detector with abundant functions and high?accuracy was realized by utilizing the low?power consumption and perfect function characteristics of MSP430F249， and fitting the relation curves of sensor EMF and gas concentration.

Keywords： gas detection； MSP430； gas concentration simulation； EMF curve fitting

養(yǎng)殖場(chǎng)中除了固體糞便和污水污染之外，空氣污染也是一個(gè)重要的環(huán)境問(wèn)題，其中 CO2是導(dǎo)致養(yǎng)殖場(chǎng)空氣污染的主要?dú)怏w之一。系統(tǒng)的MCU 采用TI公司的MSP430F249，該MCU 具有內(nèi)置外圍功能模塊，資源豐富，集成度高，開(kāi)發(fā)方便，功耗低等特點(diǎn)。采用該單片機(jī)進(jìn)行CO2濃度檢測(cè)、顯示、實(shí)時(shí)控制，能夠較好地提高養(yǎng)殖場(chǎng)的生產(chǎn)效率、較好維護(hù)管理員與牲畜的健康。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

氣體檢測(cè)儀以MSP430F249為核心，主要由氣體傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、液晶顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、氣泵模塊和電源模塊構(gòu)成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。氣體檢測(cè)儀通過(guò)氣泵將氣體送入檢測(cè)儀內(nèi)，氣體檢測(cè)傳感器模塊將相應(yīng)氣體的濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后由信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)信號(hào)濾波、放大處理后，使用MSP430F249單片機(jī)內(nèi)部12位ADC進(jìn)行采樣。將采樣值進(jìn)行數(shù)值處理并轉(zhuǎn)化為氣體濃度值，并由12864液晶模塊顯示。最后將氣體濃度值與預(yù)設(shè)的報(bào)警值對(duì)比，超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由MSP430F249單片機(jī)及其外圍模塊、氣體傳感器模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、12864液晶顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、電源模塊、氣泵模塊等構(gòu)成。

2.1 氣體傳感器模塊

氣體傳感器的性能直接影響氣體檢測(cè)儀的性能。工業(yè)上常用的有電化學(xué)、半導(dǎo)體、紅外、平面、催化燃燒式、固體電解質(zhì)等氣體傳感器。根據(jù)測(cè)量范圍、精度和成本等實(shí)際情況來(lái)選用不同的傳感器[1]。本設(shè)計(jì)中CO2傳感器采用鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為MG811的固體電解質(zhì)氣體傳感器。

2.1.1 CO2傳感器原理及信號(hào)調(diào)理電路

MG811固體電解質(zhì)氣體傳感器主要由固體電解質(zhì)層、金電極、鉑引線(xiàn)、加熱器、針狀鍍鎳銅管腳組成，采用固體電解質(zhì)電池原理，當(dāng)傳感器置于CO2氣氛中時(shí)，將發(fā)生以下電極反應(yīng)：

負(fù)極：[2Li++CO2+12O2+2e-=Li2CO3]

正極：[2Na++12O2+2e-=Na2O]

總電極反應(yīng)：[Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2]

傳感器敏感電極與參考電極間的電勢(shì)差（EMF）符合能斯特方程：

[EMF=EC-R×T2FlnPCO2]

式中：[PCO2]為CO2分壓；[EC]為常量；[R]為氣體常量；[T]為絕對(duì)溫度[（單位：K）]；[F]為法拉第常量[2]。

傳感器工作時(shí)，外部電路提供加熱電壓，當(dāng)傳感器內(nèi)部溫度足夠高時(shí)，該元件相當(dāng)于一個(gè)電池，其兩端會(huì)輸出一電壓信號(hào)，且輸出值符合能斯特方程。而且它的信號(hào)輸出阻抗非常高，不能直接用普通的電壓表或萬(wàn)用表測(cè)量其輸出信號(hào)，因此信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)時(shí)選用高輸入阻抗型運(yùn)算放大器CA3140。

CA3140為美國(guó)無(wú)線(xiàn)電公司研發(fā)，具有極高的輸入阻抗、極低的輸入電流以及高速的性能，運(yùn)用廣泛[3]。

CO2傳感器模塊的硬件電路主要有溫度補(bǔ)償電路和信號(hào)放大兩部分組成，其中溫度補(bǔ)償電路由溫敏電阻RT1和電阻R1組成，信號(hào)放大電路采用運(yùn)算放大器CA3140放大3倍，將輸出值送入單片機(jī)內(nèi)部ADC中進(jìn)行采樣處理。CO2傳感器模塊硬件電路圖如圖2所示。

圖2 CO2傳感器模塊硬件電路圖

2.1.2 CO2傳感器輸出標(biāo)定與曲線(xiàn)擬合

CO2傳感器在溫度為28 ℃、相對(duì)濕度為65%、氧氣濃度為21% 時(shí)，CO2傳感器EMF（輸出電勢(shì)）和濃度曲線(xiàn)圖[3]如圖3所示。

圖3 CO2傳感器EMF和濃度曲線(xiàn)圖

根據(jù)圖3中可以得到在不同氣體或相同氣體不同濃度情況下時(shí)該傳感器的EMF值。也可以看出MG811傳感器測(cè)定的EMF值易受C2H5OH，CO，CH4的影響。

由圖3可知，CO2的濃度越高，輸出的EMF值越小。當(dāng)CO2濃度在小于1 000 ppm和大于1 000 ppm時(shí)，傳感器輸出的EFM值和濃度關(guān)系為兩條不同關(guān)系的曲線(xiàn)。根據(jù)養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)際情況，為減小氣體檢測(cè)儀的檢測(cè)誤差，將CO2傳感器的曲線(xiàn)通過(guò)Matlab分為（100 ppm，1 000 ppm）和（1 000 ppm，10 000 ppm）兩個(gè)區(qū)間進(jìn)行擬合。區(qū)間擬合參數(shù)如表1所示。

表1 區(qū)間擬合參數(shù)表

經(jīng)Matlab擬合后獲得兩個(gè)區(qū)間的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)CO2濃度在小于1 000 ppm時(shí)：

[y=628.8 e-x-294.519.512+739.1 e-x-159.5194.82]

其中，[R2=0.998 6]，SSE=924.2。

當(dāng)CO2濃度在大于1 000 ppm時(shí)：

[y=181 80 e-x-230.541.772]

其中，[R2=0.997 8]，[SSE=17×105]。

2.1.3 CO2傳感器的溫度補(bǔ)償

圖4為CO2傳感器在不同濃度時(shí)，溫度與EMP的特性曲線(xiàn)圖。由圖可見(jiàn)，無(wú)論濃度是在350 ppm還是3 500 ppm，溫度的變化會(huì)使EFM值較大的誤差。因此在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。氣體檢測(cè)儀的溫度補(bǔ)償由TCOM端引出，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。在標(biāo)稱(chēng)溫度環(huán)境下，TCOM端輸出[VCC2]電壓。當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度變化時(shí)，溫敏電阻阻值變化，輸出電壓的信號(hào)也隨之發(fā)生變化，將溫度變化轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓輸出變化量。根據(jù)電壓輸出變化量可以確定需要的補(bǔ)償值，從而減少由溫度變化引起的測(cè)量誤差[3]。

圖4 CO2傳感器在不同濃度時(shí)的溫度特性圖

2.2 單片機(jī)模塊

MSP430F249 是 MSP430 系列超低功耗微控制器中的一種。它是由2個(gè)16位定時(shí)器、8路快速12位A/D 轉(zhuǎn)換器、2個(gè)通用串行同步/異步通信信號(hào)接口（USART）和48個(gè) I/O 引腳等構(gòu)成的微控制器[4]。 MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)外圍電路主要由晶振電路和復(fù)位電路組成。MSP430F249最小系統(tǒng)及液晶接口電路圖如圖5所示。

MSP430單片機(jī)的時(shí)鐘輸入源可以提供輔助時(shí)鐘（ACLK）、系統(tǒng)主時(shí)鐘（MCLK）和子系統(tǒng)時(shí)鐘（SMCLK）3種時(shí)鐘信號(hào)[4]。本系統(tǒng)晶振電路選用在XT2IN和XT2OUT管腳連接8 MHz高速晶振的高頻時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)主時(shí)鐘信號(hào)。復(fù)位電路選用典型的阻容復(fù)位電路。MSP430單片機(jī)具有上電復(fù)位功能，即上電后保持RST/NMI端口為高電平。由此在RST/NMI管腳接10 kΩ上拉電阻，接0.1 μF的電容可以使復(fù)位更可靠。系統(tǒng)低功耗運(yùn)行時(shí)，若系統(tǒng)斷電后立即上電，利用二極管可以使電容中的電荷通過(guò)二極管釋放，加速電容放電，保證復(fù)位[5]。12864液晶選用ST7920控制器，3.3 V電壓驅(qū)動(dòng)。其3號(hào)端口為顯示對(duì)比度調(diào)節(jié)端，通過(guò)滑動(dòng)變阻器可以調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度。

2.3 電源電路

CO2濃度檢測(cè)儀系統(tǒng)需要6 V和3.3 V兩種不同的供電電壓[2]。由于MG811型CO2傳感器工作電壓要求為直流或交流6±0.1 V，因此系統(tǒng)使用LM7806提供6 V直流電壓供CO2傳感器使用。MSP430系列單片機(jī)工作電壓為1.8～3.6 V，系統(tǒng)使用ASM1117?3.3提供3.3 V電壓供MSP430單片機(jī)使用[4]。電源電路如圖6所示。

2.4 聲光報(bào)警模塊

當(dāng)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果超過(guò)報(bào)警值時(shí)，會(huì)進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)的報(bào)警裝置有蜂鳴器報(bào)警和LED閃爍報(bào)警。聲光報(bào)警模塊電路如圖7所示，所示當(dāng)P3.2和P3.3為高電平時(shí)，三極管B?E極獲得正向偏置，使三極管達(dá)到飽和狀態(tài)，從而使蜂鳴器鳴響和LED閃爍[6]，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的聲光報(bào)警功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)AD采樣、數(shù)據(jù)處理、顯示控制和報(bào)警控制等功能。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，編程語(yǔ)言選用移值性好、結(jié)構(gòu)清晰、能進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。系統(tǒng)程序流程圖如圖8所示。檢測(cè)儀系統(tǒng)程序是一個(gè)無(wú)限的循環(huán)程序，在循環(huán)中通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。對(duì)一些時(shí)間要求嚴(yán)格的關(guān)鍵操作使用中斷服務(wù)程序，保證重要任務(wù)的實(shí)時(shí)性[1]。

檢測(cè)儀運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，等待5 min時(shí)間保證傳感器工作穩(wěn)定后置于標(biāo)準(zhǔn)大氣中進(jìn)行校準(zhǔn)，待其穩(wěn)定后置于待測(cè)環(huán)境中，檢測(cè)儀即可穩(wěn)定工作。檢測(cè)儀利用MSP430單片機(jī)內(nèi)部12位ADC采集傳感器輸出的電壓信號(hào)，通過(guò)擬合出的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到CO2濃度值，最后由12864液晶顯示。當(dāng)CO2濃度值大于預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖6 系統(tǒng)電源電路

圖7 聲光報(bào)警模塊電路

4 結(jié) 語(yǔ)

在養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境下CO2監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)中，基于MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)主控，功耗大大降低。同時(shí)通過(guò)Matlab來(lái)擬合EMF和氣體的濃度的關(guān)系，使氣體濃度的檢測(cè)精度更高，范圍更合理。軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，為設(shè)備調(diào)試、維護(hù)及技術(shù)更新提供了便利。通過(guò)在養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境下調(diào)試，傳感器的數(shù)據(jù)采集及時(shí)高效，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，較好地完成了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜時(shí)序控制等任務(wù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖

參考文獻(xiàn)

[1] 周鵬輝，汪獻(xiàn)忠，薛好.基于MSP430的便攜式四合一氣體檢測(cè)儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（12）：77?79.

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[5] 周磊.基于MSP430F435的便攜式硫化氫檢測(cè)儀的研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

[6] 袁朔.基于MSP430F435的二氧化碳檢測(cè)儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[7] 謝楷，趙建.MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

檢測(cè)儀運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，等待5 min時(shí)間保證傳感器工作穩(wěn)定后置于標(biāo)準(zhǔn)大氣中進(jìn)行校準(zhǔn)，待其穩(wěn)定后置于待測(cè)環(huán)境中，檢測(cè)儀即可穩(wěn)定工作。檢測(cè)儀利用MSP430單片機(jī)內(nèi)部12位ADC采集傳感器輸出的電壓信號(hào)，通過(guò)擬合出的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到CO2濃度值，最后由12864液晶顯示。當(dāng)CO2濃度值大于預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖6 系統(tǒng)電源電路

圖7 聲光報(bào)警模塊電路

4 結(jié) 語(yǔ)

在養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境下CO2監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)中，基于MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)主控，功耗大大降低。同時(shí)通過(guò)Matlab來(lái)擬合EMF和氣體的濃度的關(guān)系，使氣體濃度的檢測(cè)精度更高，范圍更合理。軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，為設(shè)備調(diào)試、維護(hù)及技術(shù)更新提供了便利。通過(guò)在養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境下調(diào)試，傳感器的數(shù)據(jù)采集及時(shí)高效，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，較好地完成了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜時(shí)序控制等任務(wù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖

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檢測(cè)儀運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，等待5 min時(shí)間保證傳感器工作穩(wěn)定后置于標(biāo)準(zhǔn)大氣中進(jìn)行校準(zhǔn)，待其穩(wěn)定后置于待測(cè)環(huán)境中，檢測(cè)儀即可穩(wěn)定工作。檢測(cè)儀利用MSP430單片機(jī)內(nèi)部12位ADC采集傳感器輸出的電壓信號(hào)，通過(guò)擬合出的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到CO2濃度值，最后由12864液晶顯示。當(dāng)CO2濃度值大于預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖6 系統(tǒng)電源電路

圖7 聲光報(bào)警模塊電路

4 結(jié) 語(yǔ)

在養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境下CO2監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)中，基于MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)主控，功耗大大降低。同時(shí)通過(guò)Matlab來(lái)擬合EMF和氣體的濃度的關(guān)系，使氣體濃度的檢測(cè)精度更高，范圍更合理。軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，為設(shè)備調(diào)試、維護(hù)及技術(shù)更新提供了便利。通過(guò)在養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境下調(diào)試，傳感器的數(shù)據(jù)采集及時(shí)高效，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，較好地完成了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜時(shí)序控制等任務(wù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖

參考文獻(xiàn)

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