基于CP-15-A4傳感器的遠程大氣顆粒檢測系統(tǒng)設計

王炳祥，李先鋒，陳 中

(1.鹽城工學院 信息工程學院,江蘇 鹽城 224051；2.鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城 224051)

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，環(huán)境監(jiān)測越來越被重視。北京益衫科技公司出品的第4代激光傳感器CP-15-A4，可以監(jiān)測PM2.5、PM10等多種大氣顆粒，同時具有自校正功能[1]；而無線模塊傳輸不僅可以節(jié)省成本，還可以降低人為故障率。因此，利用CP-15-A4傳感器通信和無線模塊可發(fā)送幀數(shù)據(jù)的特點，可以進行遠程大氣顆粒檢測系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)對大氣顆粒的濃度計算、無線傳輸、數(shù)據(jù)處理和顯示等功能。試驗結果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的應用價值。

1 檢測系統(tǒng)工作原理

監(jiān)測系統(tǒng)選擇北京益衫科技公司出品的第4代激光傳感器CP-15-A4，以大氣顆粒為檢測對象，以無線模塊為傳輸橋梁，經(jīng)單片機處理后實現(xiàn)大氣顆粒的無線遠程監(jiān)測，其結構框圖如圖1所示。由圖1可知，大氣顆粒遠程監(jiān)測系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成，發(fā)射系統(tǒng)利用大氣顆粒傳感器CP-15-A4檢測數(shù)據(jù)，通過單片機MSP430f169處理后，由無線模塊nRF24L01發(fā)送到接收系統(tǒng)；接收系統(tǒng)由無線模塊nRF24L01接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機MSP430f169處理后再在顯示屏12864上實時顯示。

監(jiān)測及發(fā)射系統(tǒng) 接收系統(tǒng)圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure block diagram

圖1中的傳感器CP-15-A4，標準工作電壓為5 V，端口電壓為3.3 V，響應時間小于10 s，量程為0～6 mg/m3，能夠檢測0.3～0.8 μm的大氣顆粒[2]，具有較強的抗干擾性能和自校驗功能，檢測響應快速、數(shù)據(jù)準確，在環(huán)境監(jiān)測方面有著廣泛的應用。單片機MSP430f169是MSP430系列單片機中的一種，該系列單片機比51系列單片機擁有多性能、低成本、低功耗等特點[3]，具有哈佛結構、三級流水線和分支預測、可以嵌套中斷等特征，多應用于醫(yī)療和手持設備及工業(yè)檢測與控制儀器中。

在監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程中，為了驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，需要在系統(tǒng)發(fā)送端和接收端均配置液晶顯示屏。另外，在系統(tǒng)調(diào)試過程中，采用雙重驗證方法，分別驗證CP-15-A4校驗后的數(shù)據(jù)是否和所監(jiān)測的數(shù)據(jù)相等，是否和進口儀器檢測的一致。

2 檢測系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 傳感器檢測電路和單片機接口

CP-15-A4模塊和MCU控制器之間是串行通信，而MSP430單片機對于串行通信有著固定的接口，所以不能采用其他普通端口來實現(xiàn)串行通信[4]。

MSP430單片機有兩個獨立的移位寄存器，從最低位開始發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，采用串行中斷方式。使用時用戶可以通過軟件設置數(shù)據(jù)位、停止位和波特率等參數(shù)，設定后，單片機就能夠實時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并具有喚醒發(fā)送和激活等功能。

CP-15-A4模塊有6個端口，分別是電源、接地、復位、置位、RXD和TXD。其置位端口和復位端口均接高電平，表明是無條件傳輸；TXD端口為發(fā)送端口，將信息以多幀數(shù)據(jù)塊形式傳送到單片機的串行接收端口，波特率設置為9 600 b/s；RXD端口懸空。

2.2 無線模塊電路和單片機接口

CP-15-A4傳感器把監(jiān)測到的室外多種大氣顆粒數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機MSP430f169，經(jīng)過處理后一邊發(fā)送到無線模塊nRF24L01，由無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)包，無線傳輸?shù)绞覂?nèi)監(jiān)控系統(tǒng)；一邊在發(fā)射系統(tǒng)顯示屏12864上實時顯示，顯示內(nèi)容有大氣顆粒數(shù)值及校驗和等。因此，無線模塊是室外監(jiān)測和室內(nèi)監(jiān)控的橋梁，其通信方式為SPI、波特率為9 600 b/s，可以傳輸數(shù)據(jù)的長度為40 b，且高位先出[5]。

MSP430單片機的SPI通信有3種方式，分別為模擬SPI時序、寄存器方式和中斷方式。由于寄存器和中斷的通信方式必須使用MSP430專用端口，而傳感器采用的是串行通信方式，兩者的專用端口相同；如果無線模塊采用寄存器方式，就占據(jù)了單片機MSP430端口的第二功能，使得大氣顆粒傳感器無法正常工作，所以無線模塊必須采用模擬時序的方法通信[6]，且接口方式為無線模塊的IQR接單片機P1.7、MOSI接單片機P3.1、CSN接單片機P3.0、MISO接單片機P3.2、SCK接單片機P3.3、CE接單片機P1.6，3.3 V供電。

2.3 液晶顯示電路和單片機接口

液晶顯示電路用于顯示大氣顆粒數(shù)據(jù)，采用串行通信方式，電源為3.3 V，其串并行選擇端口為低電平，串同步時鐘信號端口接單片機P5.2端口，讀寫選擇端口接單片機P5.1端口，命令選擇端口接單片機P5.0端口。

3 檢測系統(tǒng)軟件編程

在進行系統(tǒng)的硬件設計后，需要進行軟件編程。軟件編程主要包括傳感器軟件編程和無線模塊的軟件編程兩個部分。

3.1 傳感器軟件編程

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中CP-15-A4傳感器的工作原理，可知其運行流程如圖2所示。圖2中串口通信初始化程序為：

P3SEL |= 0x30; ∥ 選擇P3.4和P3.5作UART(串口)通信端

ME1|= UTXE0 + URXE0; ∥ 串口中斷0使能

UCTL0 |= CHAR; ∥ 字符的確定

UTCTL0 |= SSEL0; ∥ 時鐘源選擇

UBR00=0x03; ∥ 波特率的設定

UBR10=0x00; UMCTL0=0x4A; ∥ 波特率修正

UCTL0&= ～SWRST; ∥ 控制位

IE1 |= URXIE0; ∥ 使能0分中斷

IFG1&=～ URXIFG0; ∥ 清除標志位

_EINT();

圖2 大氣顆粒傳感器應用流程圖Fig.2 The flow chart of application of atmospheric particle sensor

由于采用串口通信，傳感器的軟件設計主要有端口和串口初始化、接收數(shù)據(jù)位、波特率修正、串口中斷等。發(fā)生串口中斷時，接收的數(shù)據(jù)(PM2.5濃度、PM10濃度、PM1.0濃度和校驗碼)被送入臨時變量，并清除中斷標志位。接收數(shù)據(jù)完成后經(jīng)過單片機處理方能在顯示屏中顯示。另外，在主程序中可以看到數(shù)據(jù)接收是否完成，若未完成，則持續(xù)等待。同時，由校驗和可以判斷檢測數(shù)據(jù)的正確性，即PM1.0、PM2.5和PM10大氣顆粒濃度的數(shù)據(jù)之和必須與校驗和的數(shù)據(jù)相等，這樣才表明采集的數(shù)據(jù)正確。

CP-15-A4傳感器采用異步串行通信方式與單片機通信[7]，其數(shù)據(jù)幀長度為32 B，主要包括起始位、數(shù)據(jù)位和校驗位等。異步串行通信方式運行時序如圖3所示、數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

圖3 異步串行通信方式時序圖Fig.3 Sequence diagram of asynchronous serial communication mode

圖4 異步串行通信方式格式圖Fig.4 Format diagram of asynchronous serial communication mode

異步傳輸模式中接收方和發(fā)送方有各自的時鐘來控制數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送過程。用戶可以通過軟件設置停止位以及數(shù)據(jù)位的位數(shù)，甚至可以設置有無奇偶位、選擇時鐘源的波特率寄存器來確定幀數(shù)據(jù)和位周期。

圖4中，單片機MSP430f169收到CP-15-A4傳感器發(fā)送的有效起始位(SYN)時就可以進行接收操作，并以RXD端口下降沿為標志，由3次采樣多數(shù)表決方法確定下降沿；MSP430f169單片機按照控制寄存器設定的控制方式，接收數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)，包括異步字符SYN、序始字符、標題、幀長度、源地址等信息，直到一幀數(shù)據(jù)采集并發(fā)送完畢。

CP-15-A4傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)有PM1.0、PM2.5和PM10的大氣顆粒濃度，而0.1 L空氣中質(zhì)量濃度在0.3 μg/m3以上的顆粒物，其個數(shù)等數(shù)值是不開放的，即這些數(shù)據(jù)的輸出為零。

單片機把傳感器輸出的16進制數(shù)據(jù)轉換為10進制數(shù)據(jù)的程序如下：

if(Uart_RecvFlag==1)

{

PM1_0=100*rx_buffer[4]+rx_buffer[5];

PM2_5=100*rx_buffer[6]+rx_buffer[7];

PM10=100*rx_buffer[8]+rx_buffer[9];

.........

上面語句顯示，單片機把通過串行通信接收的PM1.0、PM2.5和PM10大氣顆粒濃度數(shù)據(jù)轉換為十進制數(shù)據(jù)。

3.2 無線模塊的軟件編程

無線模塊運行流程如圖5所示。無線模塊是SPI通信方式，采用模擬SPI時序控制，其初始化設置只需要設置端口即可，即把IRQ、MISO設置成輸入，其他端口設置為輸出[8]。

圖5 無線模塊應用流程圖Fig.5 The flow chart of wireless module application

無線模塊發(fā)送部分程序如下:

char SPI_RW(char data)

{

char i,temp=0;

for(i=0;i<8;i++) ∥ 輸出 8位

{

if((data & 0x80)==0x80) ∥檢測最高位是否為1？

{

RF24L01_MOSI_1; ∥ 輸出高電平

}

else

{

RF24L01_MOSI_0; ∥否則輸出低電平

}

data = (data ? 1); ∥ 數(shù)據(jù)左移

temp?=1;

RF24L01_SCK_1; ∥ 拉高 SCK

if((P3IN&0x04)==0x04)temp++; ∥ 捕獲當前 MISO 位

RF24L01_SCK_0; ∥ 拉低SCK

}

return(temp); ∥ 返回數(shù)據(jù)

}

4 檢測系統(tǒng)產(chǎn)品驗證

根據(jù)檢測系統(tǒng)的工作原理及其硬件設計和軟件編程，研制成具體成品，并進行檢測試驗，結果如圖6所示。

由圖6可知，檢測系統(tǒng)發(fā)射板12864液晶顯示和接收板的12864液晶顯示相同，大氣顆粒PM1.0、PM2.5、PM10質(zhì)量濃度分別為107 μg/m3、114 μg/m3、148 μg/m3；而且當大氣顆粒發(fā)生改變時，發(fā)射板和接收板的顯示數(shù)據(jù)也隨之改變。因此，該檢測系統(tǒng)有效。

圖6 實驗效果圖Fig.6 Experimental renderings

5 結論

為遠程監(jiān)測空氣中PM1.0、PM2.5、PM10濃度，根據(jù)單片機的相關理論和CP-15-A4傳感器的工作原理，采用MSP430f169單片機為主控芯片，以CP-15-A4傳感器檢測大氣顆粒濃度，以無線模塊為傳播媒介，進行了UART通信和SPI通信設計，并在12864液晶屏上顯示結果，實現(xiàn)對空氣環(huán)境中多種大氣顆粒的遠程檢測；最后通過產(chǎn)品研制試驗，驗證了該監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，同時也為分析和設計大氣顆粒檢測提供了新的途徑。