基于MSP430的便携式瓦斯检测仪设计

山东科技大学电气与自动化工程学院 赵 丽 陈 凯



基于MSP430的便携式瓦斯检测仪设计

山东科技大学电气与自动化工程学院 赵 丽 陈 凯

【摘要】由于传统瓦斯检测仪体积大、精度低、功耗大的缺点，本文设计了一种低功耗便携式瓦斯检测仪。本文主要介绍了瓦斯检测的原理，进行了硬件电路设计和软件设计，实现了对井下瓦斯浓度的检测。

【关键词】催化燃烧；瓦斯；MSP430

0　引言

煤矿井下瓦斯浓度过高容易产生瓦斯爆炸，威胁井下工人的生命安全，对瓦斯浓度进行检测可以避免此类事故的发生。由于传统的瓦斯检测设备体积大、不易携带、功耗大、检测精度低［1］，并不能很好的发挥作用。因此，本文设计了一种便携式瓦斯检测仪，实现对井下瓦斯的准确检测。

1　瓦斯检测原理

瓦斯检测的方法由催化燃烧法、光干涉法、热导法、红外线法、气敏半导体法［2，3］，目前应用最广泛的是催化燃烧法，本文采用催化燃烧元件实现对瓦斯浓度的检测。载体催化元件由敏感元件R1和催化补偿元件R2两部分构成，在催化剂的作用下，瓦斯在催化元件表面发生无焰燃烧，进而改变R1阻值，瓦斯浓度不同，R1的阻值就会不同，因此催化元件的阻值变化直接反映被测瓦斯的含量。通过惠斯登电桥可以测量出阻值的变化量，如图1所示。

图1　惠思登电桥电路

在无瓦斯的新鲜空气中，R2≈R1，调整电桥使之平衡，信号输出端电压U=0，当风流中有瓦斯时，R1阻值随温度上升而增加为R1+△R1而补偿元件R2阻值不变，从而导致电桥失去平衡，可得输出电压U为：

由式2可以看出，瓦斯的浓度近似与输出电压U成线性关系，因此只需要测量输出电压U即可实现对瓦斯浓度的精确检测。

2　总体设计

系统的硬件组成结构如图2所示，惠思登电桥的输出电压U经由信号电路调理之后，送至单片机进行AD转换，单片机将采集到的数字信号送至存储单元储存并且经由数码管显示电路实时显示出来。当瓦斯浓度超限时，检测仪会发出声光报警信号，提醒工作人员采取措施。此外，该设计采用红外通讯方式，将采集到的信息传输至井下通信分站，通信分站通过工业以太网将数据实时传输至井下监控系统。

图2　硬件组成结构图

3　硬件电路设计

3.1控制器模块设计

本文设计的瓦斯检测仪是便携式的，需要考虑系统的功耗，选择TI公司的MSP430F149单片机作为主控器，该芯片可以在超低功耗模式下工作。MSP430F149芯片具有丰富的硬件资源，具有定时器、UART、12位的A/D转换、看门狗以及DCO。主控器要完成工作，需要外加晶振、复位电路、JTAG电路、电源电路构成最小系统。

3.2电源模块设计

系统采用7.2V电池作为供电电源，由于主控器以及电路模块供电电压为5V和3.3V两个等级，因此设计了7.2V转5V，5V转3.3V电路，如图3所示。3.3V电源电路采用稳压芯片LM1117设计，它对输入压差要求不高，输出电压能够稳定在3.3V。5V电路采用LM2940设计，该芯片转换效率高。

图3　电源电路

3.3信号调理电路设计

由催化瓦斯元件组成的测量电桥输出的信号非常小，很难满足AD转换的要求，因此需要增加信号放大电路，以便将信号送入到单片机中进行处理，信号放大电路如图4所示，前级为差放电路，消除干扰信号；后级为放大电路，通过调整电阻的阻值可以实现将电压信号比例放大，输出U0。MSP430F149单片机本身具有12位AD转换模块，因此不需要外加AD转换芯片，便可将瓦斯信号采集到单片机内部。

图4　信号调理电路

3.4数码管显示电路设计

数码显示电路能将瓦斯浓度直观的反映出来，本设计瓦斯浓度需要显示三位数，故使用三片LED数码管。驱动芯片选择74HC595，它功耗低、占用IO少并且成本不高，用它来驱动数码管经济高效。

图5　红外通信电路设计

3.5红外通信电路设计

为了实现将瓦斯检测仪的数据及时传输出去，设计了红外通信电路，如图5所示，采用NE555设计了38KHz的载波信号，与单片机的发射信号相与后驱动专用发光二级管，采用专用的红外接收模块TSOP1738将接收到的信号进行转换处理。

3.6其他电路设计

为了保障井下人员的生命安全，当井下瓦斯浓度超限时，应及时发出信号通知知操作人员撤离，因此设计了声光报警电路，采用单片机IO口控制LED以及蜂鸣器。为了防止采集到的信息和系统各参数及数据的丢失，本设计采用AT24C16芯片设计了存储扩展电路。为了方便工作人员对瓦斯检测仪进行功能选择以及操作，设计了键盘电路。

图6　主程序流程图

4　软件设计

便携式瓦斯检测仪的设计是一个系统既需要硬件系统的设计又需要软件算法的配合。软件设计的流程图如图6所示，主要完成瓦斯浓度的测量采集、数据处理并将其存至外部存储器、超限处理、信号输出等功能。单片机上电复位后，完成初始化工作，然后开始进行数据的处理并且及时把数据存至外部存储器，接下来把数据送显示并判断，若瓦斯浓度未超限程序将继续执行，调用通信子程序将数据发送出去，否则将发出声光报警信号。

5　结论

本文设计了基于MSP430的便携式瓦斯检测仪，实现了对瓦斯的检测，该系统具有功耗低、体积小、精度高的优点，很好地解决了煤矿井下瓦斯检测的问题，该设备稳定可靠、具有广泛的应用前景。

参考文献

［1］付华，刘娜，周坤等.基于ATMEGA16的便携式瓦斯检测仪［J］.传感器技术学报，2012（9）： 1322-1327.

［2］顾强，仉毅，刘斌斌等.基于ZigBee的瓦斯监测系统研究［J］.电子技术应用，2015，41（3）： 65-67.

［3］蒋磊，刘芳华.催化燃烧型CH4传感器恒温检测桥路的研究［J］.工矿自动化，2006（12）：22-25.

作者简介：

赵丽（1995—），山东济宁人，大学本科，现就读于山东科技大学电气与自动化工程学院。