多參數(shù)空氣質(zhì)量檢測儀的硬件電路設(shè)計(jì)

黃睿

摘 要： 在分析公共場合空氣質(zhì)量的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了一款以MSP430為核心的氣體檢測儀。介紹了該系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)以低功耗MSP430F2252單片機(jī)為核心，選擇高精密傳感探頭，多種傳感探頭協(xié)同工作，可完成多種污染源的檢測；對(duì)檢測電路、信號(hào)處理電路以及反饋電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和改造；系統(tǒng)檢測的數(shù)據(jù)可通過液晶顯示，通過存儲(chǔ)電路存儲(chǔ)及查詢，數(shù)據(jù)超限時(shí)還可通過報(bào)警電路聲光報(bào)警。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)具有低功耗、數(shù)據(jù)精確可靠、性能穩(wěn)定、方便攜帶以及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 聲光報(bào)警； 檢測電路； MSP430F2252； 存儲(chǔ)電路

中圖分類號(hào)：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）10-27-03

Air quality multi-parameter detector hardware circuit design

Huang Rui

（Hanghzou vocational & technical college， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： Based on the analysis of air quality in public places， a gas detector which takes MSP430 as the core is designed. The hardware circuit implementation is introduced in this paper. The system takes low power MSP430F2252 micro-controller as the core， chooses a high-precision sensing probe and plenty of sensing probes work together to detect a variety of sources. The detection circuit， the signal processing circuit and a feedback circuit are designed and optimized. System data can be detected by a liquid crystal display， store and query by storing circuit. Data can be overrun by the alarm sound and light alarm circuit. The test shows that the system has low power consumption， with accurate and reliable data， stable performance， low cost and is easy to carry.

Key words： sound and light alarm； detection circuit； MSP430F2252； memory circuit

0 引言

目前市場上大多數(shù)的空氣質(zhì)量檢測儀都是單一參數(shù)的。為數(shù)不多的幾款多參數(shù)氣體檢測儀基本都是國外進(jìn)口的，價(jià)格昂貴，性能不穩(wěn)定，不適合廣泛使用；而且目前大多數(shù)檢測儀都是針對(duì)特殊環(huán)境的。為此研究開發(fā)了一款以MSP430為核心的氣體檢測儀，以室內(nèi)公共場所為主要檢測對(duì)象，可以同時(shí)檢測人居環(huán)境中多種有害氣體和輻射。該成果可用于室內(nèi)公共場所的環(huán)境檢測，還可以用于礦井以及一些工業(yè)環(huán)境的空氣質(zhì)量檢測。

1 系統(tǒng)介紹

為提高環(huán)境監(jiān)測的穩(wěn)定性和精密性，本系統(tǒng)采用MPS430F2252作為中央處理單元。以國家標(biāo)準(zhǔn)（參考國際標(biāo)準(zhǔn)）的公共場合各類參數(shù)的允許范圍為前提，分析各污染源的特點(diǎn)，選擇有針對(duì)性的傳感器，設(shè)計(jì)傳感檢測電路，以提高檢測的敏感度。通過傳感探頭檢測后得到的數(shù)據(jù)被傳至中央處理單元后，根據(jù)不同的參數(shù)類型進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，在算法處理上建立快速、高精度、寬范圍數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)地把處理的結(jié)果通過液晶屏顯示出來，并將數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)下來，通過鍵盤設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄間隔和報(bào)警范圍。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有反饋單元，通過反饋控制電路改善儀器的工作狀態(tài)，提高儀器的穩(wěn)定性。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

[報(bào)警單元][反饋控

制單元][MSP430F2252＼&][和PC機(jī)的

USB通信][環(huán)境參數(shù)

檢測數(shù)據(jù)][鍵盤輸入][采樣間隔][報(bào)警設(shè)置][測量結(jié)果記錄、

LCD顯示等]

圖1 整機(jī)控制部分結(jié)構(gòu)圖

2 環(huán)境參數(shù)采集電路設(shè)計(jì)

2.1 甲烷和二氧化碳的采集電路

本設(shè)計(jì)的甲烷和二氧化碳檢測采用高性能二合一的紅外甲烷/二氧化碳傳感器 MSH-DP-HC/CO2，該傳感器具有良好的甲烷和二氧化碳線性輸出。傳感器連接電路如圖2所示。傳感調(diào)理電路采用儀表放大器電路，一端接傳感探頭，一端接數(shù)字電位器的中心抽頭，通過調(diào)節(jié)數(shù)字電位器的步進(jìn)數(shù)控制數(shù)字電位器的中心抽頭電壓，從而控制輸入運(yùn)放的差值電壓。該傳感器提供很好的靈活性，其輸出具有以下選擇：

⑴ 電壓信號(hào)輸出0.4V～2.0V的線性信號(hào)；

⑵ 數(shù)字輸出，輸出8數(shù)據(jù)位，1位停止位，1位無奇偶校驗(yàn)位。波特率可設(shè)置。

圖2 甲烷和二氧化碳采集電路

2.2 一氧化碳信號(hào)采集電路

一氧化碳的檢測選用CO-AF型電化學(xué)式傳感器，該傳感器利用恒電位電解法為基本原理，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，輸出端產(chǎn)生電流，提供給外電路。當(dāng)氣體濃度變化時(shí)，輸出的電流隨之成正比例變化。電化學(xué)一氧化碳傳感器設(shè)置有三個(gè)電極：工作電極、參考電極和對(duì)電極。電路如圖3所示，CO-AF傳感器信號(hào)調(diào)理電路采用兩級(jí)放大模式，放大器采用2.8V供電，一級(jí)放大為負(fù)極放大電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，二級(jí)放大為正極放大，經(jīng)兩級(jí)放大后電壓在mV級(jí)，加電容C7阻止高頻信號(hào)，通過電阻分壓后，將電壓信號(hào)輸出。此電路可以將電化學(xué)式傳感器CO-AF的微弱電流轉(zhuǎn)化2.35～2.48V的電壓輸出信號(hào)，送至MCU的ADC單元進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，便于微處理器的處理。

圖3 一氧化碳采集電路

2.3 溫濕度采集電路

溫濕度數(shù)據(jù)采集選用SHT15數(shù)字傳感器，該傳感器可以同時(shí)完成濕度和溫度的數(shù)據(jù)采集。SHT15將溫濕度傳感探頭、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、串行數(shù)字通信接口電路、數(shù)字校準(zhǔn)等全部模塊集成在一塊微形芯片上，無需外圍元件就可直接輸出經(jīng)過標(biāo)定的相對(duì)濕度和溫度的數(shù)據(jù)。傳感器能測量0～100%RH 范圍的濕度、-40℃～123.8℃范圍的溫度，響應(yīng)時(shí)間≤30s，在 2.4V～5.5V供電電壓下工作，測量狀態(tài)下功耗約3mW。SHT15的采集電路如圖4所示，SHT15為從機(jī)，單片機(jī)為主機(jī)，通過I2C總線進(jìn)行通信。具體電路設(shè)計(jì)中，SHT15需要3.3V供電電壓，在電源與地之間接入0.1μF的去耦電容，時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線各接一只200R的電阻，防止因電流過大損害器件。DATA為三態(tài)結(jié)構(gòu)，用于讀取傳感器數(shù)據(jù)，為了避免在讀取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突，在DATA端接入一只10K的上拉電阻，將其信號(hào)提拉至高電平。具體電路見圖4。

圖4 溫濕度采集電路

3 報(bào)警、存儲(chǔ)及主控電路

3.1 顯示電路

檢測儀采用LCD屏顯示方式，實(shí)現(xiàn)一屏多顯功能，達(dá)到了一目了然的效果。由于檢測儀功能多，操作項(xiàng)目多，設(shè)計(jì)中使用160×160點(diǎn)陣LCD顯示，顯示屏采用YB160160A-COG型號(hào)，帶白色背光，該屏采用UC1698驅(qū)動(dòng)，工作電壓為3.3V/5.0V，8位數(shù)據(jù)線D0～D7，并有復(fù)位、寫、讀、片選、數(shù)據(jù)控制端口，顯示電路如圖5所示。

圖5 顯示電路

3.2 聲光報(bào)警電路

根據(jù)國家公共環(huán)境的各氣體參數(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)中根據(jù)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)置氣體報(bào)警范圍。當(dāng)參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，儀器儀表通過聲和光兩種途徑報(bào)警，即蜂鳴器發(fā)出聲響和紅色 LED燈閃爍報(bào)警，同時(shí)相對(duì)應(yīng)的氣體讀數(shù)值在顯示屏上閃爍，提示是哪種氣體超出標(biāo)準(zhǔn)值。報(bào)警電路如圖6所示。若有參數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)值，PC6 端口置為高電平，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和發(fā)光二極管D8工作，進(jìn)行聲光報(bào)警。

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

為方便數(shù)據(jù)的記錄及查詢，設(shè)計(jì)中采用24lc512作為存儲(chǔ)單元。該芯片由美國微芯科技公司生產(chǎn)的電擦寫式只讀存儲(chǔ)器，其容量范圍為512K，頻率為400kHz，支持I2C串行接口，以x8位存儲(chǔ)器塊進(jìn)行組合。低電壓設(shè)計(jì)允許工作電壓2.5-5.5V，待機(jī)電流和工作電流分別為1μA和1mA。容量為1千位，具有頁寫入能力。功能性地址線允許連接到同一條總線上的器件數(shù)目最多可達(dá)八個(gè)，具體電路如圖7所示，本設(shè)計(jì)中使用了四個(gè)24lc512。

圖6 聲光報(bào)警電路

圖7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口電路

3.4 主控電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇MSP430F2252芯片作為核心芯片， 該芯片是一款超低功率混合信號(hào)微控制器，此微控制器具有兩個(gè)內(nèi)置 16位定時(shí)器，一個(gè)通用串行通信接口，具有集成基準(zhǔn)和數(shù)據(jù)傳輸控制器。MSP430 通過16位RISC構(gòu)件、16位CPU整合寄存器以及常數(shù)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了代碼的最大效率。數(shù)字控制振動(dòng)器（DSO）在低功率下能夠喚醒設(shè)備到活動(dòng)模式，響應(yīng)時(shí)間不超過6us。在該系統(tǒng)中，P3.1，P3.2用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，P2.0～P2.4及P3.0用于氣體及溫濕度測量；TXD，RXD分別作為輸入端和USB串口電路。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了基于MSP430F2252多參數(shù)空氣質(zhì)量檢測儀，系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集、顯 示、處理、傳輸及控制于一身。該檢測儀可以在現(xiàn)場進(jìn)行顯示、控制，或者經(jīng)過簡單的轉(zhuǎn)換接入網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)方監(jiān)控室；可通過按鍵設(shè)置各種參數(shù)，也可以通過語音進(jìn)行顯示和控制；數(shù)據(jù)可以按需要設(shè)定報(bào)警范圍；并且預(yù) 留有備用端口可以進(jìn)行參數(shù)、種類的擴(kuò)展，以適應(yīng)不同具體場合下的要求。該儀器可以廣泛應(yīng)用于特殊需求工作環(huán)境以及人居公共場合，具有良好的市場前景。

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