多參數空氣質量檢測儀的硬件電路設計

黃睿

摘 要： 在分析公共場合空氣質量的基礎上，研究開發了一款以MSP430為核心的氣體檢測儀。介紹了該系統的硬件電路實現方法。該系統以低功耗MSP430F2252單片機為核心，選擇高精密傳感探頭，多種傳感探頭協同工作，可完成多種污染源的檢測；對檢測電路、信號處理電路以及反饋電路進行了設計和改造；系統檢測的數據可通過液晶顯示，通過存儲電路存儲及查詢，數據超限時還可通過報警電路聲光報警。經實驗驗證，系統具有低功耗、數據精確可靠、性能穩定、方便攜帶以及價格低廉等優點。

關鍵詞： 聲光報警； 檢測電路； MSP430F2252； 存儲電路

中圖分類號：TP312 文獻標志碼：A 文章編號：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

目前市場上大多數的空氣質量檢測儀都是單一參數的。為數不多的幾款多參數氣體檢測儀基本都是國外進口的，價格昂貴，性能不穩定，不適合廣泛使用；而且目前大多數檢測儀都是針對特殊環境的。為此研究開發了一款以MSP430為核心的氣體檢測儀，以室內公共場所為主要檢測對象，可以同時檢測人居環境中多種有害氣體和輻射。該成果可用于室內公共場所的環境檢測，還可以用于礦井以及一些工業環境的空氣質量檢測。

1 系統介紹

為提高環境監測的穩定性和精密性，本系統采用MPS430F2252作為中央處理單元。以國家標準（參考國際標準）的公共場合各類參數的允許范圍為前提，分析各污染源的特點，選擇有針對性的傳感器，設計傳感檢測電路，以提高檢測的敏感度。通過傳感探頭檢測后得到的數據被傳至中央處理單元后，根據不同的參數類型進行相應的算法處理，在算法處理上建立快速、高精度、寬范圍數學模型，實時地把處理的結果通過液晶屏顯示出來，并將數據記錄存儲下來，通過鍵盤設定相應的數據記錄間隔和報警范圍。系統還設計有反饋單元，通過反饋控制電路改善儀器的工作狀態，提高儀器的穩定性。具體結構如圖1所示。

[報警單元][反饋控

制單元][MSP430F2252＼&][和PC機的

USB通信][環境參數

檢測數據][鍵盤輸入][采樣間隔][報警設置][測量結果記錄、

LCD顯示等]

圖1 整機控制部分結構圖

2 環境參數采集電路設計

2.1 甲烷和二氧化碳的采集電路

本設計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。傳感調理電路采用儀表放大器電路，一端接傳感探頭，一端接數字電位器的中心抽頭，通過調節數字電位器的步進數控制數字電位器的中心抽頭電壓，從而控制輸入運放的差值電壓。該傳感器提供很好的靈活性，其輸出具有以下選擇：

⑴ 電壓信號輸出0.4V～2.0V的線性信號；

⑵ 數字輸出，輸出8數據位，1位停止位，1位無奇偶校驗位。波特率可設置。

圖2 甲烷和二氧化碳采集電路

2.2 一氧化碳信號采集電路

一氧化碳的檢測選用CO-AF型電化學式傳感器，該傳感器利用恒電位電解法為基本原理，將化學能轉化為電能，輸出端產生電流，提供給外電路。當氣體濃度變化時，輸出的電流隨之成正比例變化。電化學一氧化碳傳感器設置有三個電極：工作電極、參考電極和對電極。電路如圖3所示，CO-AF傳感器信號調理電路采用兩級放大模式，放大器采用2.8V供電，一級放大為負極放大電路，將電流信號轉換為電壓信號，二級放大為正極放大，經兩級放大后電壓在mV級，加電容C7阻止高頻信號，通過電阻分壓后，將電壓信號輸出。此電路可以將電化學式傳感器CO-AF的微弱電流轉化2.35～2.48V的電壓輸出信號，送至MCU的ADC單元進行模數轉換，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

溫濕度數據采集選用SHT15數字傳感器，該傳感器可以同時完成濕度和溫度的數據采集。SHT15將溫濕度傳感探頭、信號放大調理、A/D轉換、串行數字通信接口電路、數字校準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過標定的相對濕度和溫度的數據。傳感器能測量0～100%RH 范圍的濕度、-40℃～123.8℃范圍的溫度，響應時間≤30s，在 2.4V～5.5V供電電壓下工作，測量狀態下功耗約3mW。SHT15的采集電路如圖4所示，SHT15為從機，單片機為主機，通過I2C總線進行通信。具體電路設計中，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，時鐘線和數據線各接一只200R的電阻，防止因電流過大損害器件。DATA為三態結構，用于讀取傳感器數據，為了避免在讀取數據時發生沖突，在DATA端接入一只10K的上拉電阻，將其信號提拉至高電平。具體電路見圖4。

圖4 溫濕度采集電路

3 報警、存儲及主控電路

3.1 顯示電路

檢測儀采用LCD屏顯示方式，實現一屏多顯功能，達到了一目了然的效果。由于檢測儀功能多，操作項目多，設計中使用160×160點陣LCD顯示，顯示屏采用YB160160A-COG型號，帶白色背光，該屏采用UC1698驅動，工作電壓為3.3V/5.0V，8位數據線D0～D7，并有復位、寫、讀、片選、數據控制端口，顯示電路如圖5所示。

圖5 顯示電路

3.2 聲光報警電路

根據國家公共環境的各氣體參數要求標準，在設計中根據參數的標準值設置氣體報警范圍。當參數超出標準值時，儀器儀表通過聲和光兩種途徑報警，即蜂鳴器發出聲響和紅色 LED燈閃爍報警，同時相對應的氣體讀數值在顯示屏上閃爍，提示是哪種氣體超出標準值。報警電路如圖6所示。若有參數超出標準值，PC6 端口置為高電平，驅動蜂鳴器和發光二極管D8工作，進行聲光報警。

3.3 數據存儲電路

為方便數據的記錄及查詢，設計中采用24lc512作為存儲單元。該芯片由美國微芯科技公司生產的電擦寫式只讀存儲器，其容量范圍為512K，頻率為400kHz，支持I2C串行接口，以x8位存儲器塊進行組合。低電壓設計允許工作電壓2.5-5.5V，待機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目最多可達八個，具體電路如圖7所示，本設計中使用了四個24lc512。

圖6 聲光報警電路

圖7 數據存儲接口電路

3.4 主控電路設計

本設計選擇MSP430F2252芯片作為核心芯片， 該芯片是一款超低功率混合信號微控制器，此微控制器具有兩個內置 16位定時器，一個通用串行通信接口，具有集成基準和數據傳輸控制器。MSP430 通過16位RISC構件、16位CPU整合寄存器以及常數發生器，實現了代碼的最大效率。數字控制振動器（DSO）在低功率下能夠喚醒設備到活動模式，響應時間不超過6us。在該系統中，P3.1，P3.2用于數據存儲，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 結束語

本文主要介紹了基于MSP430F2252多參數空氣質量檢測儀，系統集數據采集、顯 示、處理、傳輸及控制于一身。該檢測儀可以在現場進行顯示、控制，或者經過簡單的轉換接入網絡，將數據傳送到遠方監控室；可通過按鍵設置各種參數，也可以通過語音進行顯示和控制；數據可以按需要設定報警范圍；并且預 留有備用端口可以進行參數、種類的擴展，以適應不同具體場合下的要求。該儀器可以廣泛應用于特殊需求工作環境以及人居公共場合，具有良好的市場前景。

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