新型低功耗多通道气体检测仪

倪元敏 谢隆祥

摘要：随着现代科技的不断进步，空气中损害人体健康的物质越来越多，传统的检测器很难同时测量多种有害气体，且设计复杂，功耗大，故障率偏高。本文以TI公司的16位MSP430F42x系列单片机为核心，设计了一款新型低功耗多通道气体检测仪。实践证明，该检测仪具有成本低、功耗低、精度高、功能丰富、响应快、操作方便等特点。

关键词：单片机 低功耗 多通道 检测仪

0 引言

随着现代科技的不断进步，化工与材料技术得到了快速发展。然而越来越多的有毒有害物质也随之产生，导致空气环境中损害人体健康的物质也随之增多，且大多为挥发性有机物，如甲醛、甲苯、硫化氢等。传统的检测器很难同时测量多种有害气体，且其检测电路采用的是功耗较大的89C51单片机，片内没有集成A/D转换功能，需要外围独立电路实现A/D转换，不仅设计复杂，功耗大，而且故障率偏高；大多数检测仪都为便携式设备，耗电量大，用户往往为设备使用时间短耿耿于怀。而近年来，美国Ti公司推出的Msp430F42x单片机内置12位的A/D转换模块，具有功耗低，体积小，可靠性高等优点，能够很好的解决传统检测仪面临的难题。因此，多通道、低功耗、高可靠性检测仪在工业生产流程监测、环境保护和事故应急处理等领域具有广泛的应用前景，故提出本方案。

1 方案的实现

1.1 方案原理 本方案主要以美国德州仪器（TI）公司推出的16位超低功耗、高精度、高性能的Msp430F42x系列单片机为核心，利用片内3个独立的16位A/D转换器，采集多个气体传感器信号，测量气体的浓度。系统框图如图1所示，共分为电源、信号采集、信号调整、系统主控、LED显示、报警输出、数据通信等7大模块。

因需要满足低功耗，本方案采用锂电池供电，输入电压范围为（1.8V～4.4V），系统定时对电池电量进行检测，并在显示屏上实时显示，当电量低于额定值（1.8V）时，系统告警，提示用户进行充电。设备提供外部电源接口，可为设备直接供电，并同时为锂电池充电。电源模块输出5V、3.3V、2.5V电压，为系统其它模块提供可靠的电源。电源模块中主要采用了TI公司的TPS6300x系列IC，由单片机MCU统一管理，未开机时为省电模式，工作电流为8uA，开机工作时最大电流不大于60mA。锂电池正常使用可达4-6月。因此，功耗低是此方案特点之一。

信号采集模块主要对原始的传感器信号进行采集，将传感器信号转换成电压信号。根据传感器种类的不同，可支持电流或电压型输出，输出方式有单线、差分两种。此模块还有另外一个作用就是抑制零点漂移，保证传感器输出信号趋于稳定，减少测量误差。

信号调整模块主要采用了TI公司的TLV5524对采集的传感器信号进行箝位、放大处理，使相应通道信号满足MSP430F42x的AD转换的要求。

系统主控模块是设备的核心，采用MSP430F42x为MCU，实现系统控制、AD转换、数据处理等主要功能。系统控制包含电源管理、定时管理、用户界面管理、按键扫描、背光控制、LED显示管理、报警管理等；AD转换采用负责将三通道模拟信号转换成数字信号；数据处理主要包含传感器信号、RS485通信、参数存取等数据的处理。

采用LED显示屏作为人机界面，如图2所示，可显示气体名称、浓度、单位、报警状态、电量等信息。通过按键可进入菜单设置，标定零点和目标点。LED显示由MSP430F42x直接驱动，响应时间快，电路简单，信号可靠。

方案中使用RS485接口与其它系统通信，通过此接口可对设备进行参数下载和实现远程测量。使用29LC256进行参数存储，参数类型有公共参数、默认参数和用户参数，公共参数和默认参数一经写入后，用户无权限改变；用户可通过菜单修改用户参数。

报警输出是检测仪主要功能之一，当被测量气体的浓度超过额定值，将发出声光报警，并在显示屏上提示报警状态及种类（高报警或低报警），同时报警信号通过继电器输出给外部报警装置。

1.2 关键器件 MSP430F42x主要特性：

超低功耗：活动模式，400uA，1MHz，3.0V；待机模式1.6uA；掉电模式0.1uA。

5种省电模式，从待机模式唤醒不超过6uS。

具有锁相环。

三个独立的16位A/D转换通道，差分输入。

16为RISC精简指令体系，125nS指令周期。

提供128段集成LCD驱动。

三个带捕获/比较寄存器的16为定时器Timer_A。

TPS6300x主要特性：

高达96%的转换效率；

降压模式下输出电流高达1200mA，升压模式下输出电流高达800mA，降压模式与升压模式可自动转换；

输入电压范围：1.8V～5.5V；

输出电压可调，范围为1.2V～5.5V；

在低功率输出时，可使用省电模式提高效率；

IC关闭时，断开与负载的连接。

TLV5524主要特性：

低噪声：19nV/■，1KHz；

低输入偏置电流：1pA；

非常低功耗：每通道34uA；

宽电压输入：2.7V～8V；

低输入补偿电压：850uV。

1.3 系统软件实现 本系统软件部分采用C语言编程，采用模块化设计，主要包括初始化、主程序、键盘扫描与处理、菜单处理、数据采集、浓度计算算法、报警处理、参数存取、LED显示及串口通信等模块。图3为系统软件主流程图。

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2 应用与校准

本文设计的检测仪适用于测量氧气、氢气、氮气、二氧化硫、二氧化碳、硫化氢、甲烷、乙醇等气体浓度，主要应用于化工、石油、煤矿等领域。设备出厂时统一进行零点及目标点校准，由于用户使用环境各不相同，若测量环境变化较大时，用户可对设备进行零点或目标点校准。

3 结论

本文的设计方案由于采用了MSP430F42x系列芯片，运用其内部16位的AD转换器进行信号采集，提高了测量精度，使得系统电路集成度较高，降低了系统功耗和成本，提高了系统可靠性。同时提供3个通道测量，解决了单一气体测量的问题，而且通过强大的软件功能，提供给用户丰富的菜单功能和简便操作，满足多样化的告警功能。

参考文献：

[1]国家环境保护总局.HJ/T167-2004室内环境空气质量监测技术规范[S].2004：63-68.

[2]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.

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[4]兰吉昌.运算放大器集成电路手册[M].北京：化学工业出版社，2006：104-112.

[5]张洪润，刘秀英，张亚凡.单片机应用设计200例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006：468-486.

作者简介：倪元敏（1977-），重庆渝北人，硕士，讲师，研究方向：电子电气及自动化控制；谢隆祥（1977-），重庆渝北人，大学本科，副科科员，研究方向：市政工程。