基于“盛群”單片機和nRF905的甲烷濃度無線監測系統設計

【摘要】設計并試制了的一套甲烷濃度無線監測系統。以“盛群”HT46RU232單片機為處理器，同時以無線傳輸方式把多個監測點數據送到監控中心進行監控并在危險情況下告警。本系統可用于住宅小區以及商業大樓的化糞池甲烷濃度監測。

【關鍵詞】盛群HT46RU232單片機；nRF905收發器；氣體傳感器

1.引言

城市住宅小區及商業大樓的發生的化糞池甲烷爆炸事件多有發生，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也成了一件值得重視的事情。作者基于盛群HT46RU232單片機設計并研制了的一套甲烷濃度遠程監測系統。該系統由一個監控中心與多個檢測點組成，監控中心與檢測點間由無線通信方式進行信息傳輸。本設計簡單實用，目前，在市場上相關類似技術的產品并不多見。這不僅能可用于對住宅小區及商業大樓的化糞池甲烷濃度監測，也可以用于工業上多種其它氣體的監測。

2.系統結構及工作原理

該系統由一個監控中心與多個檢測點組成，監控中心可以安裝在物管公司監控室。如圖1所示，可以在不同的化糞池設置多個監測點同時監測，檢測點傳感器能感知環境中甲烷氣體濃度并轉換成模擬電信號，在單片機控制下對模擬信號進行模數變換，由無線收發模塊發射出去，監控中心在單片機控制下由無線收發模塊接受信息并轉換成表示甲烷濃度值的數值，送到LCD顯示器顯示出來，當檢測氣體濃度超出設定的報警值時給出聲光報警，無線傳輸距離可以100米左右，多個監測可以滿足一個小區的需要。監控中心由無線收發器RF905、單片機HT46R232、128X64LCD顯示、聲光報警器（蜂鳴器與發光管），監測點部分由甲烷傳感器MQ-2、單片機HT46RU232、無線收發器RF905組成。

3.電路原理圖

3.1 監測點原理圖

圖2所示為監測點原理電路圖，圖中JP4為核心控制芯片，臺灣“盛群”HT46RU232是8位高性能精簡指令集單片機[1]，該單片機具有低功耗、I/O 使用靈活、可編程分頻器、計數器、振蕩類型選擇、多通道A/D 轉換（12位）、脈寬調制功能、I2C 接口、UART 總線，暫停和喚醒功能，具有4096×16程序存儲器和192×8數據存儲器RAM。使這款單片機可以廣泛應用于傳感器的A/D 轉換、馬達控制、工業控制、消費類產品，子系統控制器等。

JP2為無線收發模塊接口，采用威步公司的nRF905線收發器[3]。.工作在433/902Mhz開放ISM頻段，最高工作速率50kbps，采用高效GFSK調制，抗干擾能力強。滿足多點通信和跳頻通信需要。內置硬件CRC檢錯和對多點通信地址控制。模塊采用SPI串口方式通信，在本電路連接上，與單片機通用I/O口相連，用單片機通用I/O口模擬SPI串口進行通信。

Y2為煙霧傳感器接口，H與H間為一加熱電阻絲，A與B間表現為一與氣體濃度相關的一氣敏電阻Rs，這個電阻值一般為幾十千歐。圖3為（在條件為：溫度=20℃。相對濕度=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）的關系曲線圖。R0為元件在潔凈空氣中的電阻值，這個值一般在20KΩ左右，實現測試為23KΩ。Y2與R2，R4，C2一起構成傳感器電路，模擬信號加到單片機的PB0端（A/D輸入端）。

3.2 監控中心原理圖

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

J1為LCD接口，該顯示器內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點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，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點。

聲報警通過驅動蜂鳴器發聲實現，光報警通過紅色發光二極管實現。如圖由R2，D3，LS1，Q1組成。由單片機的PC1端控制，當PC1輸出低電平時，三極管導通，發出聲光報警信號；當PC1輸出高電平時，三極管截止，不發出聲光報警信號。

4.軟件設計

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，編譯器內帶的單片機寄存器定義頭文件，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

監測點主要完成對傳感器模擬信號的A/D轉換并控制無線模塊發送數據，程序流程圖如圖5。在監控中心，程序主要有對無線收發模塊工作參數的配制，對接收數據的讀取，都是通信I/O口模擬SPI串口方式對無線模塊進行操作。對液晶顯示器的控制采用并口數據方式。程序流程圖如圖6所示。

5.系統功能測試

制作并調試了系統，監測點與監控中心的實物如圖7與圖8所示，監測點有兩套，目前可以同時監測兩個點的數據，在控制中心的顯示屏上可以看到監測點A和監測點B，顯示的單位是%LEL（Lower Explosion Limited），這是指可燃氣體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%體積比對應100%LEL。這里沒有單位PPM，測儀的通常設有一個報警點：25%LEL，相當于此時甲烷的含量為1.25%體積比。由于條件有限，測試時用打火機氣體來代替甲烷氣體，并只看氣體濃度超過25%時報警。

對監測點A或B連續的加氣，可以看到LCD顯示器上的A或B點濃度在不斷的增加，當顯示的濃度達到25%LEL時，就會產生聲光報警。停止對監測點A或B加氣，LCD顯示器上的A或B點濃度慢慢的降下來。同時對監測點A和B連續加氣，也看到了同樣的效果。

6.研制中注意的問題

調試時，把HT-IDE3000仿真箱上的單片機芯片插座與目標板上單片機芯片插座用相應的排線相連，可以在線對程序進行調試，也可在設計目標板時，把通用的64腳的接口設計進去，通過這個通用口進行調試。要注意的問題是本單片機是一次型燒寫的，最好在調試好后再進行芯片燒寫。

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，一路經過7805穩壓塊花式傳感器參A端，由于nRF905要求是3V到3.6V之間供電，因此用了一個LM1117的3.3V穩壓塊輸出給給單片機和無線NRF905供電。由于傳感器的加熱電阻阻值很小只有幾十歐，所以其供電沒有經過7805以減少其損耗。

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

參考文獻

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

[2]NewMsg-RF905開發指南.杭州威步科技有限公司，2009.

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

[4]趙繼文.傳感器與應用電路設計[M].科學出版社，2002 （3）.

[5]融會貫通Protel99電路設計[M].人民交通出版社，2000.