新型低功耗多通道氣體檢測儀

倪元敏 謝隆祥

摘要：隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，空氣中損害人體健康的物質(zhì)越來越多，傳統(tǒng)的檢測器很難同時測量多種有害氣體，且設(shè)計復(fù)雜，功耗大，故障率偏高。本文以TI公司的16位MSP430F42x系列單片機(jī)為核心，設(shè)計了一款新型低功耗多通道氣體檢測儀。實踐證明，該檢測儀具有成本低、功耗低、精度高、功能豐富、響應(yīng)快、操作方便等特點。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 低功耗 多通道 檢測儀

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，化工與材料技術(shù)得到了快速發(fā)展。然而越來越多的有毒有害物質(zhì)也隨之產(chǎn)生，導(dǎo)致空氣環(huán)境中損害人體健康的物質(zhì)也隨之增多，且大多為揮發(fā)性有機(jī)物，如甲醛、甲苯、硫化氫等。傳統(tǒng)的檢測器很難同時測量多種有害氣體，且其檢測電路采用的是功耗較大的89C51單片機(jī)，片內(nèi)沒有集成A/D轉(zhuǎn)換功能，需要外圍獨立電路實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，不僅設(shè)計復(fù)雜，功耗大，而且故障率偏高；大多數(shù)檢測儀都為便攜式設(shè)備，耗電量大，用戶往往為設(shè)備使用時間短耿耿于懷。而近年來，美國Ti公司推出的Msp430F42x單片機(jī)內(nèi)置12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，具有功耗低，體積小，可靠性高等優(yōu)點，能夠很好的解決傳統(tǒng)檢測儀面臨的難題。因此，多通道、低功耗、高可靠性檢測儀在工業(yè)生產(chǎn)流程監(jiān)測、環(huán)境保護(hù)和事故應(yīng)急處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，故提出本方案。

1 方案的實現(xiàn)

1.1 方案原理 本方案主要以美國德州儀器（TI）公司推出的16位超低功耗、高精度、高性能的Msp430F42x系列單片機(jī)為核心，利用片內(nèi)3個獨立的16位A/D轉(zhuǎn)換器，采集多個氣體傳感器信號，測量氣體的濃度。系統(tǒng)框圖如圖1所示，共分為電源、信號采集、信號調(diào)整、系統(tǒng)主控、LED顯示、報警輸出、數(shù)據(jù)通信等7大模塊。

因需要滿足低功耗，本方案采用鋰電池供電，輸入電壓范圍為（1.8V～4.4V），系統(tǒng)定時對電池電量進(jìn)行檢測，并在顯示屏上實時顯示，當(dāng)電量低于額定值（1.8V）時，系統(tǒng)告警，提示用戶進(jìn)行充電。設(shè)備提供外部電源接口，可為設(shè)備直接供電，并同時為鋰電池充電。電源模塊輸出5V、3.3V、2.5V電壓，為系統(tǒng)其它模塊提供可靠的電源。電源模塊中主要采用了TI公司的TPS6300x系列IC，由單片機(jī)MCU統(tǒng)一管理，未開機(jī)時為省電模式，工作電流為8uA，開機(jī)工作時最大電流不大于60mA。鋰電池正常使用可達(dá)4-6月。因此，功耗低是此方案特點之一。

信號采集模塊主要對原始的傳感器信號進(jìn)行采集，將傳感器信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。根據(jù)傳感器種類的不同，可支持電流或電壓型輸出，輸出方式有單線、差分兩種。此模塊還有另外一個作用就是抑制零點漂移，保證傳感器輸出信號趨于穩(wěn)定，減少測量誤差。

信號調(diào)整模塊主要采用了TI公司的TLV5524對采集的傳感器信號進(jìn)行箝位、放大處理，使相應(yīng)通道信號滿足MSP430F42x的AD轉(zhuǎn)換的要求。

系統(tǒng)主控模塊是設(shè)備的核心，采用MSP430F42x為MCU，實現(xiàn)系統(tǒng)控制、AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理等主要功能。系統(tǒng)控制包含電源管理、定時管理、用戶界面管理、按鍵掃描、背光控制、LED顯示管理、報警管理等；AD轉(zhuǎn)換采用負(fù)責(zé)將三通道模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理主要包含傳感器信號、RS485通信、參數(shù)存取等數(shù)據(jù)的處理。

采用LED顯示屏作為人機(jī)界面，如圖2所示，可顯示氣體名稱、濃度、單位、報警狀態(tài)、電量等信息。通過按鍵可進(jìn)入菜單設(shè)置，標(biāo)定零點和目標(biāo)點。LED顯示由MSP430F42x直接驅(qū)動，響應(yīng)時間快，電路簡單，信號可靠。

方案中使用RS485接口與其它系統(tǒng)通信，通過此接口可對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)下載和實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量。使用29LC256進(jìn)行參數(shù)存儲，參數(shù)類型有公共參數(shù)、默認(rèn)參數(shù)和用戶參數(shù)，公共參數(shù)和默認(rèn)參數(shù)一經(jīng)寫入后，用戶無權(quán)限改變；用戶可通過菜單修改用戶參數(shù)。

報警輸出是檢測儀主要功能之一，當(dāng)被測量氣體的濃度超過額定值，將發(fā)出聲光報警，并在顯示屏上提示報警狀態(tài)及種類（高報警或低報警），同時報警信號通過繼電器輸出給外部報警裝置。

1.2 關(guān)鍵器件 MSP430F42x主要特性：

超低功耗：活動模式，400uA，1MHz，3.0V；待機(jī)模式1.6uA；掉電模式0.1uA。

5種省電模式，從待機(jī)模式喚醒不超過6uS。

具有鎖相環(huán)。

三個獨立的16位A/D轉(zhuǎn)換通道，差分輸入。

16為RISC精簡指令體系，125nS指令周期。

提供128段集成LCD驅(qū)動。

三個帶捕獲/比較寄存器的16為定時器Timer_A。

TPS6300x主要特性：

高達(dá)96%的轉(zhuǎn)換效率；

降壓模式下輸出電流高達(dá)1200mA，升壓模式下輸出電流高達(dá)800mA，降壓模式與升壓模式可自動轉(zhuǎn)換；

輸入電壓范圍：1.8V～5.5V；

輸出電壓可調(diào)，范圍為1.2V～5.5V；

在低功率輸出時，可使用省電模式提高效率；

IC關(guān)閉時，斷開與負(fù)載的連接。

TLV5524主要特性：

低噪聲：19nV/■，1KHz；

低輸入偏置電流：1pA；

非常低功耗：每通道34uA；

寬電壓輸入：2.7V～8V；

低輸入補(bǔ)償電壓：850uV。

1.3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 本系統(tǒng)軟件部分采用C語言編程，采用模塊化設(shè)計，主要包括初始化、主程序、鍵盤掃描與處理、菜單處理、數(shù)據(jù)采集、濃度計算算法、報警處理、參數(shù)存取、LED顯示及串口通信等模塊。圖3為系統(tǒng)軟件主流程圖。

■

2 應(yīng)用與校準(zhǔn)

本文設(shè)計的檢測儀適用于測量氧氣、氫氣、氮氣、二氧化硫、二氧化碳、硫化氫、甲烷、乙醇等氣體濃度，主要應(yīng)用于化工、石油、煤礦等領(lǐng)域。設(shè)備出廠時統(tǒng)一進(jìn)行零點及目標(biāo)點校準(zhǔn)，由于用戶使用環(huán)境各不相同，若測量環(huán)境變化較大時，用戶可對設(shè)備進(jìn)行零點或目標(biāo)點校準(zhǔn)。

3 結(jié)論

本文的設(shè)計方案由于采用了MSP430F42x系列芯片，運(yùn)用其內(nèi)部16位的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號采集，提高了測量精度，使得系統(tǒng)電路集成度較高，降低了系統(tǒng)功耗和成本，提高了系統(tǒng)可靠性。同時提供3個通道測量，解決了單一氣體測量的問題，而且通過強(qiáng)大的軟件功能，提供給用戶豐富的菜單功能和簡便操作，滿足多樣化的告警功能。

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作者簡介：倪元敏（1977-），重慶渝北人，碩士，講師，研究方向：電子電氣及自動化控制；謝隆祥（1977-），重慶渝北人，大學(xué)本科，副科科員，研究方向：市政工程。