基于超低功耗單片機MSP430的礦用一氧化碳報警器設計

馮 波，高 昌

（1.陜西國防工業職業技術學院，陜西西安，710300；2.西安華豐儀表有限責任公司，陜西西安，710014）

基于超低功耗單片機MSP430的礦用一氧化碳報警器設計

馮 波1，高 昌2

（1.陜西國防工業職業技術學院，陜西西安，710300；2.西安華豐儀表有限責任公司，陜西西安，710014）

本文設計實現了一款基于MSP430F4250超低功耗單片機的一氧化碳報警器。報警器采用電化學一氧化碳傳感器輸出濃度信號，通過4位數碼管實時顯示CO氣體濃度值，精度可達到1PPM（百萬分之一）。同時，報警器可預設報警值，當濃度值超過報警值后，發出報警信號。文章最后對報警器進行了實際校準，并對檢測結果進行了數據分析。

超低功耗單片機；CO報警器；校準

0 引言

目前，氣體閃爆事故發生率呈上升趨勢，特別是具有可燃性的一氧化碳氣體，在工業中、生活中嚴重威脅到我們的生命安全。在工業生產中，一氧化碳氣體廣泛存在與煤炭生產環境中，如果未能實時有效的監測一氧化碳氣體濃度，一旦超過臨界值，將發生嚴重的生產事故。普通的一氧化碳報警器壽命短、精度差，不能很好的完成檢測功能。為此，本文設計了一款高精度、高可靠性、低功耗的基于MSP430[1][2]系列單片機的一氧化碳報警器，可實現實時、可靠的一氧化碳檢測與報警，從而滿足日常生活需要。

1 硬件電路設計

1.1 主控芯片MSP430F4250

MSP430F4250單片機采用馮·諾依曼架構，所有程序、數據、存儲器及外設共享同一條總線，采用統一CPU指令與尋址模式。該單片機具有5種低功耗模式，在非工作狀態下可實現超低功耗，滿足手持式智能設備的功耗需要。從待機狀態恢復只需要6ms，響應速度快。允許供電范圍寬，1.8至3.6V均可供電，方便采用處理后的電池進行整體電路供電。16位Sigma-Delta型A/ D轉換，用于處理傳感器模擬信號，轉換精度高。32個IO接口，可用于驅動多段位數碼管，易于完成段位選擇和擴展功能。同時還具備16KB的FLASH存儲單元和256B的數據存儲單元，滿足報警器校準、報警等預設值的寫入和規模較大程序整體設計需要。具有標準JTAG接口，易于在線調試與測試。MSP430F4250的片上資源已滿足報警器設計需要，因此不必使用資源更多的MSP430系列其他單片機。

在本設計中將P2口作為數碼管的數據位，將P5口作為數碼管的控制位，數碼管采用共陰極接法，用于顯示測量值、報警狀態等；采用A0通道捕獲傳感器測量值，將CO的濃度信號送入Sigma-Delta轉換器進行A/D轉換；P1口用于完成輔助功能模塊的設計，包括復位、蜂鳴器開關控制、報警LED開關控制等。MSP430F4250單片機資源分配[3][4]如圖1所示。

圖1 MSP430F4250資源分配圖

1.2 CO傳感器

本設計采用電化學傳感器，其測量原理是根據待測氣體與電極的化學反應，產生電流，被測氣體的濃度與產生的電流值滿足法拉第定律，具備較好的線性度，經過多次測量進行線性擬合后，可得到精準的測量值。電化學傳感器具有低功耗、高精度、高靈敏度、線性范圍寬、抗干擾能力強和優異的穩定性，可滿足一定程度上的檢測要求。本例采用的CO傳感器參數見表1。

表1 CO傳感器部分參數表

CO傳感器及外圍電路圖如圖2所示。傳感器獲得氣體的檢測電信號，輸出給信號調理電路，經過信號前期處理后，送入MSP430F4250的A0模擬通道進行A/D轉換。

圖2 CO傳感器及外圍電路圖

1.3 電源模塊

電源設計時采用TPS76433型號的電源芯片。該芯片是一款具有低功耗、低噪聲的線性低壓差穩壓芯片（簡稱LDO），輸入電壓范圍3.3V～10V、固定輸出3.3V電壓，提供SOT-23封裝，外圍控制電路比較簡單。相比傳統的LDO穩壓器TPS76433具有低靜態電流（小于140μA），通常在150 mA的負載電流（TPS76433）下為300 mV，并在輸出負載電流（0 mA至150 mA）的整個范圍內穩定，適用于電池供電設備；具有邏輯使能休眠模式，可關閉穩壓器，降低靜態電流至1μA，低壓差電壓特性和低功耗使得使用壽命顯著增加。基于以上特點能夠滿足所選型號傳感器的供電電壓要求。

1.4 顯示報警模塊

顯示部分采用4位管實現，利用單片機的P2、P5口實現位選和段選，連接方式為共陰極。驅動電壓為3.3V。

本文所設計的報警器可進行報警值預設，報警值被提前寫入到主控芯片的ROM中，儀器上電后，用戶也可以根據實際使用需要，可對預設值進行更改。當氣體濃度超過報警值時，報警器通過蜂鳴器和LED閃爍兩種方式進行報警，用戶可根據實際使用需要，選擇蜂鳴器和LED其中之一進行報警。

2 軟件設計

2.1 軟件處理流程

單片機通過其內部AD采集傳感器得到的氣體濃度信號（模擬信號）轉換成數字信號進行數據處理、計算、分析，將結果送入顯示模塊。具體的軟件控制流程[5]如圖3所示。

圖3 軟件控制流程圖

2.2 測量值計算方法

CO報警器的采樣值和顯示值為近似的線性關系，如圖4所示。因此要獲得測量值大小，就必須在使用前對報警器進行兩次校準，即：零校準和滿校準，以確定采樣值-顯示值關系。假設采樣值和顯示值的直線斜率為k，則k=（滿采樣值-零采樣值）/（滿顯示值-零顯示值），所以測量結果=（采樣值-零采樣值）/k+零顯示值。

圖4 采樣值-顯示值理論關系

3 實際測試/性能測試

設計完成后，本文對設計產品進行了實際測試。零校準是在空氣中進行，由于空氣中不含CO氣體，滿足零校準條件。經過調試和校準，得到在空氣中，即CO濃度為0時，儀器達到最佳工作狀態，采樣值為470，如圖5所示。

圖5 零校準顯示

圖6 滿校準平臺

滿校準平臺由以下部分組成：202PPM的標準CO氣體、流量計，標準氣體和流量計均符合國家標準，如圖6所示。

滿校準時，首先用流量計控制標準氣罐均勻輸出濃度為202PPM的CO氣體，經由輸氣管通向傳感器罩，傳感器罩完全覆蓋傳感器表面，進入儀器的滿校準采樣界面，待采樣值穩定后，手動輸入滿校準濃度202PPM，滿校準完成。通過以上步驟可得到CO的采樣值—濃度的對應關系。

測試使用濃度為25、50、202PPM的標準氣體，經過超過50次測試，發現測試結果精度均在±1PPM之間，可滿足測量要求。

4 結束語

本文所設計一氧化碳報警器除了繼承以往報警器的功能和有點外，使用MSP430系列單片機，實現了聲音和燈光兩種報警模式，滿足了低功耗需求，提高了檢測精度，經過實測，具備高可靠性。

[1]楊紹文.嵌入式有害氣體檢測儀的研制[J].今日科苑,2010,(02)：66.

[2]楊平,王威. MSP430系列超低功耗單片機及應用[J].國外電子測量技術,2008,(12)：48-50.

Design of Coal Mine Carbon Monoxide Alarm Based on Low Power MCU MSP430

Feng Bo1,Gao Chang2
(1.ShaanXi Institute of Technology, Xi’an Shaanxi, 710300;2.Xi’an Hua Feng Instrument Co., Ltd., Xi’an Shaanxi, 710314)

This paper design and implement a carbon monoxide alarm based on MSP430F4250 ultra low power microcontroller. The alarm uses an electrochemical carbon monoxide sensor to export concentration signal, and display real-time CO gas concentration value through a 4 digital tube. The accuracy can reach 1PPM (Parts Per Million). At the same time, the alarm can be preset alarm value by users. When the concentration value exceeds the preset value, the alarm module will work. In the end of the paper, the alarm is calibrated and the results are analyzed.

Ultra low power MCU; CO alarm; Calibration