山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 趙 麗 陳 凱

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基于MSP430的便攜式瓦斯檢測儀設(shè)計

山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 趙 麗 陳 凱

【摘要】由于傳統(tǒng)瓦斯檢測儀體積大、精度低、功耗大的缺點，本文設(shè)計了一種低功耗便攜式瓦斯檢測儀。本文主要介紹了瓦斯檢測的原理，進(jìn)行了硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，實現(xiàn)了對井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測。

【關(guān)鍵詞】催化燃燒；瓦斯；MSP430

0　引言

煤礦井下瓦斯?jié)舛冗^高容易產(chǎn)生瓦斯爆炸，威脅井下工人的生命安全，對瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測可以避免此類事故的發(fā)生。由于傳統(tǒng)的瓦斯檢測設(shè)備體積大、不易攜帶、功耗大、檢測精度低［1］，并不能很好的發(fā)揮作用。因此，本文設(shè)計了一種便攜式瓦斯檢測儀，實現(xiàn)對井下瓦斯的準(zhǔn)確檢測。

1　瓦斯檢測原理

瓦斯檢測的方法由催化燃燒法、光干涉法、熱導(dǎo)法、紅外線法、氣敏半導(dǎo)體法［2，3］，目前應(yīng)用最廣泛的是催化燃燒法，本文采用催化燃燒元件實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛鹊臋z測。載體催化元件由敏感元件R1和催化補(bǔ)償元件R2兩部分構(gòu)成，在催化劑的作用下，瓦斯在催化元件表面發(fā)生無焰燃燒，進(jìn)而改變R1阻值，瓦斯?jié)舛炔煌?，R1的阻值就會不同，因此催化元件的阻值變化直接反映被測瓦斯的含量。通過惠斯登電橋可以測量出阻值的變化量，如圖1所示。

圖1　惠思登電橋電路

在無瓦斯的新鮮空氣中，R2≈R1，調(diào)整電橋使之平衡，信號輸出端電壓U=0，當(dāng)風(fēng)流中有瓦斯時，R1阻值隨溫度上升而增加為R1+△R1而補(bǔ)償元件R2阻值不變，從而導(dǎo)致電橋失去平衡，可得輸出電壓U為：

由式2可以看出，瓦斯的濃度近似與輸出電壓U成線性關(guān)系，因此只需要測量輸出電壓U即可實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛鹊木_檢測。

2　總體設(shè)計

系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示，惠思登電橋的輸出電壓U經(jīng)由信號電路調(diào)理之后，送至單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，單片機(jī)將采集到的數(shù)字信號送至存儲單元儲存并且經(jīng)由數(shù)碼管顯示電路實時顯示出來。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r，檢測儀會發(fā)出聲光報警信號，提醒工作人員采取措施。此外，該設(shè)計采用紅外通訊方式，將采集到的信息傳輸至井下通信分站，通信分站通過工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)實時傳輸至井下監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2　硬件組成結(jié)構(gòu)圖

3　硬件電路設(shè)計

3.1控制器模塊設(shè)計

本文設(shè)計的瓦斯檢測儀是便攜式的，需要考慮系統(tǒng)的功耗，選擇TI公司的MSP430F149單片機(jī)作為主控器，該芯片可以在超低功耗模式下工作。MSP430F149芯片具有豐富的硬件資源，具有定時器、UART、12位的A/D轉(zhuǎn)換、看門狗以及DCO。主控器要完成工作，需要外加晶振、復(fù)位電路、JTAG電路、電源電路構(gòu)成最小系統(tǒng)。

3.2電源模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用7.2V電池作為供電電源，由于主控器以及電路模塊供電電壓為5V和3.3V兩個等級，因此設(shè)計了7.2V轉(zhuǎn)5V，5V轉(zhuǎn)3.3V電路，如圖3所示。3.3V電源電路采用穩(wěn)壓芯片LM1117設(shè)計，它對輸入壓差要求不高，輸出電壓能夠穩(wěn)定在3.3V。5V電路采用LM2940設(shè)計，該芯片轉(zhuǎn)換效率高。

圖3　電源電路

3.3信號調(diào)理電路設(shè)計

由催化瓦斯元件組成的測量電橋輸出的信號非常小，很難滿足AD轉(zhuǎn)換的要求，因此需要增加信號放大電路，以便將信號送入到單片機(jī)中進(jìn)行處理，信號放大電路如圖4所示，前級為差放電路，消除干擾信號；后級為放大電路，通過調(diào)整電阻的阻值可以實現(xiàn)將電壓信號比例放大，輸出U0。MSP430F149單片機(jī)本身具有12位AD轉(zhuǎn)換模塊，因此不需要外加AD轉(zhuǎn)換芯片，便可將瓦斯信號采集到單片機(jī)內(nèi)部。

圖4　信號調(diào)理電路

3.4數(shù)碼管顯示電路設(shè)計

數(shù)碼顯示電路能將瓦斯?jié)舛戎庇^的反映出來，本設(shè)計瓦斯?jié)舛刃枰@示三位數(shù)，故使用三片LED數(shù)碼管。驅(qū)動芯片選擇74HC595，它功耗低、占用IO少并且成本不高，用它來驅(qū)動數(shù)碼管經(jīng)濟(jì)高效。

圖5　紅外通信電路設(shè)計

3.5紅外通信電路設(shè)計

為了實現(xiàn)將瓦斯檢測儀的數(shù)據(jù)及時傳輸出去，設(shè)計了紅外通信電路，如圖5所示，采用NE555設(shè)計了38KHz的載波信號，與單片機(jī)的發(fā)射信號相與后驅(qū)動專用發(fā)光二級管，采用專用的紅外接收模塊TSOP1738將接收到的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。

3.6其他電路設(shè)計

為了保障井下人員的生命安全，當(dāng)井下瓦斯?jié)舛瘸迺r，應(yīng)及時發(fā)出信號通知知操作人員撤離，因此設(shè)計了聲光報警電路，采用單片機(jī)IO口控制LED以及蜂鳴器。為了防止采集到的信息和系統(tǒng)各參數(shù)及數(shù)據(jù)的丟失，本設(shè)計采用AT24C16芯片設(shè)計了存儲擴(kuò)展電路。為了方便工作人員對瓦斯檢測儀進(jìn)行功能選擇以及操作，設(shè)計了鍵盤電路。

圖6　主程序流程圖

4　軟件設(shè)計

便攜式瓦斯檢測儀的設(shè)計是一個系統(tǒng)既需要硬件系統(tǒng)的設(shè)計又需要軟件算法的配合。軟件設(shè)計的流程圖如圖6所示，主要完成瓦斯?jié)舛鹊臏y量采集、數(shù)據(jù)處理并將其存至外部存儲器、超限處理、信號輸出等功能。單片機(jī)上電復(fù)位后，完成初始化工作，然后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理并且及時把數(shù)據(jù)存至外部存儲器，接下來把數(shù)據(jù)送顯示并判斷，若瓦斯?jié)舛任闯蕹绦驅(qū)⒗^續(xù)執(zhí)行，調(diào)用通信子程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送出去，否則將發(fā)出聲光報警信號。

5　結(jié)論

本文設(shè)計了基于MSP430的便攜式瓦斯檢測儀，實現(xiàn)了對瓦斯的檢測，該系統(tǒng)具有功耗低、體積小、精度高的優(yōu)點，很好地解決了煤礦井下瓦斯檢測的問題，該設(shè)備穩(wěn)定可靠、具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

［1］付華，劉娜，周坤等.基于ATMEGA16的便攜式瓦斯檢測儀［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報，2012（9）： 1322-1327.

［2］顧強(qiáng)，仉毅，劉斌斌等.基于ZigBee的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（3）： 65-67.

［3］蔣磊，劉芳華.催化燃燒型CH4傳感器恒溫檢測橋路的研究［J］.工礦自動化，2006（12）：22-25.

作者簡介：

趙麗（1995—），山東濟(jì)寧人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于山東科技大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院。