养殖场环境下基于MSP430单片机的CO2检测仪的设计

唐文涛+申庆祥+刘占伟

摘 要： 设计一种基于MSP430 系列单片机的低功耗泵吸式CO2气体检测装置。研究设计中根据CO2传感器EMF（输出电势）和浓度曲线图，考虑养殖场的实际需求状况，通过Matlab仿真拟合出EMF和浓度曲线的关系式，将EMF值放大后送入单片机处理，通过12864液晶实时显示出当前的浓度，同时实现声光报警功能。研究中利用MSP430F249单片机低功耗、功能完善的特点，通过对CO2传感器EMF（输出电势）和浓度曲线图拟合，实现了一套功能丰富，结果精确稳定的CO2检测仪。

关键词： 气体检测； MSP430； 气体浓度仿真； EMF曲线拟合

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 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

养殖场中除了固体粪便和污水污染之外，空气污染也是一个重要的环境问题，其中 CO2是导致养殖场空气污染的主要气体之一。系统的MCU 采用TI公司的MSP430F249，该MCU 具有内置外围功能模块，资源丰富，集成度高，开发方便，功耗低等特点。采用该单片机进行CO2浓度检测、显示、实时控制，能够较好地提高养殖场的生产效率、较好维护管理员与牲畜的健康。

1 系统总体设计

气体检测仪以MSP430F249为核心，主要由气体传感器模块、信号调理模块、液晶显示模块、声光报警模块、气泵模块和电源模块构成。系统总体设计结构图如图1所示。气体检测仪通过气泵将气体送入检测仪内，气体检测传感器模块将相应气体的浓度转化为电信号，然后由信号调理模块对信号滤波、放大处理后，使用MSP430F249单片机内部12位ADC进行采样。将采样值进行数值处理并转化为气体浓度值，并由12864液晶模块显示。最后将气体浓度值与预设的报警值对比，超出预设范围时进行声光报警。

图1 系统总体设计结构图

2 系统硬件设计

系统硬件主要由MSP430F249单片机及其外围模块、气体传感器模块、信号调理模块、12864液晶显示模块、声光报警模块、电源模块、气泵模块等构成。

2.1 气体传感器模块

气体传感器的性能直接影响气体检测仪的性能。工业上常用的有电化学、半导体、红外、平面、催化燃烧式、固体电解质等气体传感器。根据测量范围、精度和成本等实际情况来选用不同的传感器[1]。本设计中CO2传感器采用郑州炜盛电子科技有限公司生产的型号为MG811的固体电解质气体传感器。

2.1.1 CO2传感器原理及信号调理电路

MG811固体电解质气体传感器主要由固体电解质层、金电极、铂引线、加热器、针状镀镍铜管脚组成，采用固体电解质电池原理，当传感器置于CO2气氛中时，将发生以下电极反应：

负极：[2Li++CO2+12O2+2e-=Li2CO3]

正极：[2Na++12O2+2e-=Na2O]

总电极反应：[Li2CO3+2Na+=Na2O+2Li++CO2]

传感器敏感电极与参考电极间的电势差（EMF）符合能斯特方程：

[EMF=EC-R×T2FlnPCO2]

式中：[PCO2]为CO2分压；[EC]为常量；[R]为气体常量；[T]为绝对温度[（单位：K）]；[F]为法拉第常量[2]。

传感器工作时，外部电路提供加热电压，当传感器内部温度足够高时，该元件相当于一个电池，其两端会输出一电压信号，且输出值符合能斯特方程。而且它的信号输出阻抗非常高，不能直接用普通的电压表或万用表测量其输出信号，因此信号放大电路设计时选用高输入阻抗型运算放大器CA3140。

CA3140为美国无线电公司研发，具有极高的输入阻抗、极低的输入电流以及高速的性能，运用广泛[3]。

CO2传感器模块的硬件电路主要有温度补偿电路和信号放大两部分组成，其中温度补偿电路由温敏电阻RT1和电阻R1组成，信号放大电路采用运算放大器CA3140放大3倍，将输出值送入单片机内部ADC中进行采样处理。CO2传感器模块硬件电路图如图2所示。

图2 CO2传感器模块硬件电路图

2.1.2 CO2传感器输出标定与曲线拟合

CO2传感器在温度为28 ℃、相对湿度为65%、氧气浓度为21% 时，CO2传感器EMF（输出电势）和浓度曲线图[3]如图3所示。

图3 CO2传感器EMF和浓度曲线图

根据图3中可以得到在不同气体或相同气体不同浓度情况下时该传感器的EMF值。也可以看出MG811传感器测定的EMF值易受C2H5OH，CO，CH4的影响。

由图3可知，CO2的浓度越高，输出的EMF值越小。当CO2浓度在小于1 000 ppm和大于1 000 ppm时，传感器输出的EFM值和浓度关系为两条不同关系的曲线。根据养殖场的实际情况，为减小气体检测仪的检测误差，将CO2传感器的曲线通过Matlab分为（100 ppm，1 000 ppm）和（1 000 ppm，10 000 ppm）两个区间进行拟合。区间拟合参数如表1所示。

表1 区间拟合参数表

经Matlab拟合后获得两个区间的函数关系，当CO2浓度在小于1 000 ppm时：

[y=628.8 e-x-294.519.512+739.1 e-x-159.5194.82]

其中，[R2=0.998 6]，SSE=924.2。

当CO2浓度在大于1 000 ppm时：

[y=181 80 e-x-230.541.772]

其中，[R2=0.997 8]，[SSE=17×105]。

2.1.3 CO2传感器的温度补偿

图4为CO2传感器在不同浓度时，温度与EMP的特性曲线图。由图可见，无论浓度是在350 ppm还是3 500 ppm，温度的变化会使EFM值较大的误差。因此在实际应用中需要对传感器进行温度补偿。气体检测仪的温度补偿由TCOM端引出，通过软件实现温度补偿。在标称温度环境下，TCOM端输出[VCC2]电压。当周围环境温度变化时，温敏电阻阻值变化，输出电压的信号也随之发生变化，将温度变化转换为对应的电压输出变化量。根据电压输出变化量可以确定需要的补偿值，从而减少由温度变化引起的测量误差[3]。

图4 CO2传感器在不同浓度时的温度特性图

2.2 单片机模块

MSP430F249 是 MSP430 系列超低功耗微控制器中的一种。它是由2个16位定时器、8路快速12位A/D 转换器、2个通用串行同步/异步通信信号接口（USART）和48个 I/O 引脚等构成的微控制器[4]。 MSP430单片机最小系统外围电路主要由晶振电路和复位电路组成。MSP430F249最小系统及液晶接口电路图如图5所示。

MSP430单片机的时钟输入源可以提供辅助时钟（ACLK）、系统主时钟（MCLK）和子系统时钟（SMCLK）3种时钟信号[4]。本系统晶振电路选用在XT2IN和XT2OUT管脚连接8 MHz高速晶振的高频时钟源产生系统主时钟信号。复位电路选用典型的阻容复位电路。MSP430单片机具有上电复位功能，即上电后保持RST/NMI端口为高电平。由此在RST/NMI管脚接10 kΩ上拉电阻，接0.1 μF的电容可以使复位更可靠。系统低功耗运行时，若系统断电后立即上电，利用二极管可以使电容中的电荷通过二极管释放，加速电容放电，保证复位[5]。12864液晶选用ST7920控制器，3.3 V电压驱动。其3号端口为显示对比度调节端，通过滑动变阻器可以调节液晶显示对比度。

2.3 电源电路

CO2浓度检测仪系统需要6 V和3.3 V两种不同的供电电压[2]。由于MG811型CO2传感器工作电压要求为直流或交流6±0.1 V，因此系统使用LM7806提供6 V直流电压供CO2传感器使用。MSP430系列单片机工作电压为1.8～3.6 V，系统使用ASM1117?3.3提供3.3 V电压供MSP430单片机使用[4]。电源电路如图6所示。

2.4 声光报警模块

当系统的测量结果超过报警值时，会进行报警。系统的报警装置有蜂鸣器报警和LED闪烁报警。声光报警模块电路如图7所示，所示当P3.2和P3.3为高电平时，三极管B?E极获得正向偏置，使三极管达到饱和状态，从而使蜂鸣器鸣响和LED闪烁[6]，实现系统的声光报警功能。

3 系统软件设计

系统软件实现AD采样、数据处理、显示控制和报警控制等功能。软件采用模块化设计方法，编程语言选用移值性好、结构清晰、能进行复杂运算的C语言来实现[7]。系统程序流程图如图8所示。检测仪系统程序是一个无限的循环程序，在循环中通过调用相应的函数，从而实现相应的操作。对一些时间要求严格的关键操作使用中断服务程序，保证重要任务的实时性[1]。

检测仪运行时，首先进行系统初始化操作，等待5 min时间保证传感器工作稳定后置于标准大气中进行校准，待其稳定后置于待测环境中，检测仪即可稳定工作。检测仪利用MSP430单片机内部12位ADC采集传感器输出的电压信号，通过拟合出的函数关系进行数据处理，得到CO2浓度值，最后由12864液晶显示。当CO2浓度值大于预设报警值时进行声光报警。

图6 系统电源电路

图7 声光报警模块电路

4 结 语

在养殖场环境下CO2监测仪的设计中，基于MSP430单片机实现主控，功耗大大降低。同时通过Matlab来拟合EMF和气体的浓度的关系，使气体浓度的检测精度更高，范围更合理。软硬件均采用模块化设计，为设备调试、维护及技术更新提供了便利。通过在养殖场环境下调试，传感器的数据采集及时高效，系统工作性能稳定可靠，较好地完成了实时数据采集、复杂时序控制等任务，达到了设计要求。

图8 系统程序流程图

参考文献

[1] 周鹏辉，汪献忠，薛好.基于MSP430的便携式四合一气体检测仪[J].仪表技术与传感器，2012（12）：77?79.

[2] 佚名.MG811数据手册[EB/OL].[2013?01?15].http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet?pdf/view/172004/ETC2/MG811.html.

[3] 侯存峰，谢菊芳，胡东.基于Zigbee技术的CO2监测节点设计与实现[J].农业科技与装备，2012（3）：47?51.

[4] 沈建华，杨艳琴，翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5] 周磊.基于MSP430F435的便携式硫化氢检测仪的研究[D].长春：吉林大学，2007.

[6] 袁朔.基于MSP430F435的二氧化碳检测仪设计与实现[D].长春：吉林大学，2013.

[7] 谢楷，赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2009.

检测仪运行时，首先进行系统初始化操作，等待5 min时间保证传感器工作稳定后置于标准大气中进行校准，待其稳定后置于待测环境中，检测仪即可稳定工作。检测仪利用MSP430单片机内部12位ADC采集传感器输出的电压信号，通过拟合出的函数关系进行数据处理，得到CO2浓度值，最后由12864液晶显示。当CO2浓度值大于预设报警值时进行声光报警。

图6 系统电源电路

图7 声光报警模块电路

4 结 语

在养殖场环境下CO2监测仪的设计中，基于MSP430单片机实现主控，功耗大大降低。同时通过Matlab来拟合EMF和气体的浓度的关系，使气体浓度的检测精度更高，范围更合理。软硬件均采用模块化设计，为设备调试、维护及技术更新提供了便利。通过在养殖场环境下调试，传感器的数据采集及时高效，系统工作性能稳定可靠，较好地完成了实时数据采集、复杂时序控制等任务，达到了设计要求。

图8 系统程序流程图

参考文献

[1] 周鹏辉，汪献忠，薛好.基于MSP430的便携式四合一气体检测仪[J].仪表技术与传感器，2012（12）：77?79.

[2] 佚名.MG811数据手册[EB/OL].[2013?01?15].http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet?pdf/view/172004/ETC2/MG811.html.

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[5] 周磊.基于MSP430F435的便携式硫化氢检测仪的研究[D].长春：吉林大学，2007.

[6] 袁朔.基于MSP430F435的二氧化碳检测仪设计与实现[D].长春：吉林大学，2013.

[7] 谢楷，赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2009.

检测仪运行时，首先进行系统初始化操作，等待5 min时间保证传感器工作稳定后置于标准大气中进行校准，待其稳定后置于待测环境中，检测仪即可稳定工作。检测仪利用MSP430单片机内部12位ADC采集传感器输出的电压信号，通过拟合出的函数关系进行数据处理，得到CO2浓度值，最后由12864液晶显示。当CO2浓度值大于预设报警值时进行声光报警。

图6 系统电源电路

图7 声光报警模块电路

4 结 语

在养殖场环境下CO2监测仪的设计中，基于MSP430单片机实现主控，功耗大大降低。同时通过Matlab来拟合EMF和气体的浓度的关系，使气体浓度的检测精度更高，范围更合理。软硬件均采用模块化设计，为设备调试、维护及技术更新提供了便利。通过在养殖场环境下调试，传感器的数据采集及时高效，系统工作性能稳定可靠，较好地完成了实时数据采集、复杂时序控制等任务，达到了设计要求。

图8 系统程序流程图

参考文献

[1] 周鹏辉，汪献忠，薛好.基于MSP430的便携式四合一气体检测仪[J].仪表技术与传感器，2012（12）：77?79.

[2] 佚名.MG811数据手册[EB/OL].[2013?01?15].http：//pdf1.alldatasheet.com/datasheet?pdf/view/172004/ETC2/MG811.html.

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[4] 沈建华，杨艳琴，翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[5] 周磊.基于MSP430F435的便携式硫化氢检测仪的研究[D].长春：吉林大学，2007.

[6] 袁朔.基于MSP430F435的二氧化碳检测仪设计与实现[D].长春：吉林大学，2013.

[7] 谢楷，赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2009.