标题 | 新型低功耗多通道气体检测仪 |
范文 | 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。 ■ 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. [3]魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:北京航天航空大学出版社,2002. [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。 |
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