養(yǎng)殖場環(huán)境下基于MSP430單片機的CO2檢測儀的設計

唐文濤+申慶祥+劉占偉

摘 要： 設計一種基于MSP430 系列單片機的低功耗泵吸式CO2氣體檢測裝置。研究設計中根據(jù)CO2傳感器EMF（輸出電勢）和濃度曲線圖，考慮養(yǎng)殖場的實際需求狀況，通過Matlab仿真擬合出EMF和濃度曲線的關系式，將EMF值放大后送入單片機處理，通過12864液晶實時顯示出當前的濃度，同時實現(xiàn)聲光報警功能。研究中利用MSP430F249單片機低功耗、功能完善的特點，通過對CO2傳感器EMF（輸出電勢）和濃度曲線圖擬合，實現(xiàn)了一套功能豐富，結果精確穩(wěn)定的CO2檢測儀。

關鍵詞： 氣體檢測； MSP430； 氣體濃度仿真； EMF曲線擬合

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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)殖場中除了固體糞便和污水污染之外，空氣污染也是一個重要的環(huán)境問題，其中 CO2是導致養(yǎng)殖場空氣污染的主要氣體之一。系統(tǒng)的MCU 采用TI公司的MSP430F249，該MCU 具有內置外圍功能模塊，資源豐富，集成度高，開發(fā)方便，功耗低等特點。采用該單片機進行CO2濃度檢測、顯示、實時控制，能夠較好地提高養(yǎng)殖場的生產(chǎn)效率、較好維護管理員與牲畜的健康。

1 系統(tǒng)總體設計

氣體檢測儀以MSP430F249為核心，主要由氣體傳感器模塊、信號調理模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊、氣泵模塊和電源模塊構成。系統(tǒng)總體設計結構圖如圖1所示。氣體檢測儀通過氣泵將氣體送入檢測儀內，氣體檢測傳感器模塊將相應氣體的濃度轉化為電信號，然后由信號調理模塊對信號濾波、放大處理后，使用MSP430F249單片機內部12位ADC進行采樣。將采樣值進行數(shù)值處理并轉化為氣體濃度值，并由12864液晶模塊顯示。最后將氣體濃度值與預設的報警值對比，超出預設范圍時進行聲光報警。

圖1 系統(tǒng)總體設計結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件主要由MSP430F249單片機及其外圍模塊、氣體傳感器模塊、信號調理模塊、12864液晶顯示模塊、聲光報警模塊、電源模塊、氣泵模塊等構成。

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儀的性能。工業(yè)上常用的有電化學、半導體、紅外、平面、催化燃燒式、固體電解質等氣體傳感器。根據(jù)測量范圍、精度和成本等實際情況來選用不同的傳感器[1]。本設計中CO2傳感器采用鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的型號為MG811的固體電解質氣體傳感器。

2.1.1 CO2傳感器原理及信號調理電路

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

負極：[2Li++CO2+12O2+2e-=Li2CO3]

正極：[2Na++12O2+2e-=Na2O]

總電極反應：[Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2]

傳感器敏感電極與參考電極間的電勢差（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]為絕對溫度[（單位：K）]；[F]為法拉第常量[2]。

傳感器工作時，外部電路提供加熱電壓，當傳感器內部溫度足夠高時，該元件相當于一個電池，其兩端會輸出一電壓信號，且輸出值符合能斯特方程。而且它的信號輸出阻抗非常高，不能直接用普通的電壓表或萬用表測量其輸出信號，因此信號放大電路設計時選用高輸入阻抗型運算放大器CA3140。

CA3140為美國無線電公司研發(fā)，具有極高的輸入阻抗、極低的輸入電流以及高速的性能，運用廣泛[3]。

CO2傳感器模塊的硬件電路主要有溫度補償電路和信號放大兩部分組成，其中溫度補償電路由溫敏電阻RT1和電阻R1組成，信號放大電路采用運算放大器CA3140放大3倍，將輸出值送入單片機內部ADC中進行采樣處理。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傳感器輸出標定與曲線擬合

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

圖3 CO2傳感器EMF和濃度曲線圖

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該傳感器的EMF值。也可以看出MG811傳感器測定的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CO2濃度在小于1 000 ppm和大于1 000 ppm時，傳感器輸出的EFM值和濃度關系為兩條不同關系的曲線。根據(jù)養(yǎng)殖場的實際情況，為減小氣體檢測儀的檢測誤差，將CO2傳感器的曲線通過Matlab分為（100 ppm，1 000 ppm）和（1 000 ppm，10 000 ppm）兩個區(qū)間進行擬合。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擬合后獲得兩個區(qū)間的函數(shù)關系，當CO2濃度在小于1 000 ppm時：

[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CO2濃度在大于1 000 ppm時：

[y=181 80 e-x-230.541.772]

其中，[R2=0.997 8]，[SSE=17×105]。

2.1.3 CO2傳感器的溫度補償

圖4為CO2傳感器在不同濃度時，溫度與EMP的特性曲線圖。由圖可見，無論濃度是在350 ppm還是3 500 ppm，溫度的變化會使EFM值較大的誤差。因此在實際應用中需要對傳感器進行溫度補償。氣體檢測儀的溫度補償由TCOM端引出，通過軟件實現(xiàn)溫度補償。在標稱溫度環(huán)境下，TCOM端輸出[VCC2]電壓。當周圍環(huán)境溫度變化時，溫敏電阻阻值變化，輸出電壓的信號也隨之發(fā)生變化，將溫度變化轉換為對應的電壓輸出變化量。根據(jù)電壓輸出變化量可以確定需要的補償值，從而減少由溫度變化引起的測量誤差[3]。

圖4 CO2傳感器在不同濃度時的溫度特性圖

2.2 單片機模塊

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

MSP430單片機的時鐘輸入源可以提供輔助時鐘（ACLK）、系統(tǒng)主時鐘（MCLK）和子系統(tǒng)時鐘（SMCLK）3種時鐘信號[4]。本系統(tǒng)晶振電路選用在XT2IN和XT2OUT管腳連接8 MHz高速晶振的高頻時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)主時鐘信號。復位電路選用典型的阻容復位電路。MSP430單片機具有上電復位功能，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的電容可以使復位更可靠。系統(tǒng)低功耗運行時，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二極管釋放，加速電容放電，保證復位[5]。12864液晶選用ST7920控制器，3.3 V電壓驅動。其3號端口為顯示對比度調節(jié)端，通過滑動變阻器可以調節(jié)液晶顯示對比度。

2.3 電源電路

CO2濃度檢測儀系統(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單片機使用[4]。電源電路如圖6所示。

2.4 聲光報警模塊

當系統(tǒng)的測量結果超過報警值時，會進行報警。系統(tǒng)的報警裝置有蜂鳴器報警和LED閃爍報警。聲光報警模塊電路如圖7所示，所示當P3.2和P3.3為高電平時，三極管B?E極獲得正向偏置，使三極管達到飽和狀態(tài)，從而使蜂鳴器鳴響和LED閃爍[6]，實現(xiàn)系統(tǒng)的聲光報警功能。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)AD采樣、數(shù)據(jù)處理、顯示控制和報警控制等功能。軟件采用模塊化設計方法，編程語言選用移值性好、結構清晰、能進行復雜運算的C語言來實現(xiàn)[7]。系統(tǒng)程序流程圖如圖8所示。檢測儀系統(tǒng)程序是一個無限的循環(huán)程序，在循環(huán)中通過調用相應的函數(shù)，從而實現(xiàn)相應的操作。對一些時間要求嚴格的關鍵操作使用中斷服務程序，保證重要任務的實時性[1]。

檢測儀運行時，首先進行系統(tǒng)初始化操作，等待5 min時間保證傳感器工作穩(wěn)定后置于標準大氣中進行校準，待其穩(wěn)定后置于待測環(huán)境中，檢測儀即可穩(wěn)定工作。檢測儀利用MSP430單片機內部12位ADC采集傳感器輸出的電壓信號，通過擬合出的函數(shù)關系進行數(shù)據(jù)處理，得到CO2濃度值，最后由12864液晶顯示。當CO2濃度值大于預設報警值時進行聲光報警。

圖6 系統(tǒng)電源電路

圖7 聲光報警模塊電路

4 結 語

在養(yǎng)殖場環(huán)境下CO2監(jiān)測儀的設計中，基于MSP430單片機實現(xiàn)主控，功耗大大降低。同時通過Matlab來擬合EMF和氣體的濃度的關系，使氣體濃度的檢測精度更高，范圍更合理。軟硬件均采用模塊化設計，為設備調試、維護及技術更新提供了便利。通過在養(yǎng)殖場環(huán)境下調試，傳感器的數(shù)據(jù)采集及時高效，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，較好地完成了實時數(shù)據(jù)采集、復雜時序控制等任務，達到了設計要求。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖

參考文獻

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[7] 謝楷，趙建.MSP430系列單片機系統(tǒng)工程設計與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

檢測儀運行時，首先進行系統(tǒng)初始化操作，等待5 min時間保證傳感器工作穩(wěn)定后置于標準大氣中進行校準，待其穩(wěn)定后置于待測環(huán)境中，檢測儀即可穩(wěn)定工作。檢測儀利用MSP430單片機內部12位ADC采集傳感器輸出的電壓信號，通過擬合出的函數(shù)關系進行數(shù)據(jù)處理，得到CO2濃度值，最后由12864液晶顯示。當CO2濃度值大于預設報警值時進行聲光報警。

圖6 系統(tǒng)電源電路

圖7 聲光報警模塊電路

4 結 語

在養(yǎng)殖場環(huán)境下CO2監(jiān)測儀的設計中，基于MSP430單片機實現(xiàn)主控，功耗大大降低。同時通過Matlab來擬合EMF和氣體的濃度的關系，使氣體濃度的檢測精度更高，范圍更合理。軟硬件均采用模塊化設計，為設備調試、維護及技術更新提供了便利。通過在養(yǎng)殖場環(huán)境下調試，傳感器的數(shù)據(jù)采集及時高效，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，較好地完成了實時數(shù)據(jù)采集、復雜時序控制等任務，達到了設計要求。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖

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檢測儀運行時，首先進行系統(tǒng)初始化操作，等待5 min時間保證傳感器工作穩(wěn)定后置于標準大氣中進行校準，待其穩(wěn)定后置于待測環(huán)境中，檢測儀即可穩(wěn)定工作。檢測儀利用MSP430單片機內部12位ADC采集傳感器輸出的電壓信號，通過擬合出的函數(shù)關系進行數(shù)據(jù)處理，得到CO2濃度值，最后由12864液晶顯示。當CO2濃度值大于預設報警值時進行聲光報警。

圖6 系統(tǒng)電源電路

圖7 聲光報警模塊電路

4 結 語

在養(yǎng)殖場環(huán)境下CO2監(jiān)測儀的設計中，基于MSP430單片機實現(xiàn)主控，功耗大大降低。同時通過Matlab來擬合EMF和氣體的濃度的關系，使氣體濃度的檢測精度更高，范圍更合理。軟硬件均采用模塊化設計，為設備調試、維護及技術更新提供了便利。通過在養(yǎng)殖場環(huán)境下調試，傳感器的數(shù)據(jù)采集及時高效，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定可靠，較好地完成了實時數(shù)據(jù)采集、復雜時序控制等任務，達到了設計要求。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖

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