馮 波，高 昌

（1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710300；2.西安華豐儀表有限責(zé)任公司，陜西西安，710014）

基于超低功耗單片機(jī)MSP430的礦用一氧化碳報(bào)警器設(shè)計(jì)

馮 波1，高 昌2

（1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710300；2.西安華豐儀表有限責(zé)任公司，陜西西安，710014）

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款基于MSP430F4250超低功耗單片機(jī)的一氧化碳報(bào)警器。報(bào)警器采用電化學(xué)一氧化碳傳感器輸出濃度信號(hào)，通過4位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示CO氣體濃度值，精度可達(dá)到1PPM（百萬分之一）。同時(shí)，報(bào)警器可預(yù)設(shè)報(bào)警值，當(dāng)濃度值超過報(bào)警值后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。文章最后對(duì)報(bào)警器進(jìn)行了實(shí)際校準(zhǔn)，并對(duì)檢測結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。

超低功耗單片機(jī)；CO報(bào)警器；校準(zhǔn)

0 引言

目前，氣體閃爆事故發(fā)生率呈上升趨勢(shì)，特別是具有可燃性的一氧化碳?xì)怏w，在工業(yè)中、生活中嚴(yán)重威脅到我們的生命安全。在工業(yè)生產(chǎn)中，一氧化碳?xì)怏w廣泛存在與煤炭生產(chǎn)環(huán)境中，如果未能實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測一氧化碳?xì)怏w濃度，一旦超過臨界值，將發(fā)生嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。普通的一氧化碳報(bào)警器壽命短、精度差，不能很好的完成檢測功能。為此，本文設(shè)計(jì)了一款高精度、高可靠性、低功耗的基于MSP430[1][2]系列單片機(jī)的一氧化碳報(bào)警器，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、可靠的一氧化碳檢測與報(bào)警，從而滿足日常生活需要。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 主控芯片MSP430F4250

MSP430F4250單片機(jī)采用馮·諾依曼架構(gòu)，所有程序、數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)器及外設(shè)共享同一條總線，采用統(tǒng)一CPU指令與尋址模式。該單片機(jī)具有5種低功耗模式，在非工作狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)超低功耗，滿足手持式智能設(shè)備的功耗需要。從待機(jī)狀態(tài)恢復(fù)只需要6ms，響應(yīng)速度快。允許供電范圍寬，1.8至3.6V均可供電，方便采用處理后的電池進(jìn)行整體電路供電。16位Sigma-Delta型A/ D轉(zhuǎn)換，用于處理傳感器模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換精度高。32個(gè)IO接口，可用于驅(qū)動(dòng)多段位數(shù)碼管，易于完成段位選擇和擴(kuò)展功能。同時(shí)還具備16KB的FLASH存儲(chǔ)單元和256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，滿足報(bào)警器校準(zhǔn)、報(bào)警等預(yù)設(shè)值的寫入和規(guī)模較大程序整體設(shè)計(jì)需要。具有標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口，易于在線調(diào)試與測試。MSP430F4250的片上資源已滿足報(bào)警器設(shè)計(jì)需要，因此不必使用資源更多的MSP430系列其他單片機(jī)。

在本設(shè)計(jì)中將P2口作為數(shù)碼管的數(shù)據(jù)位，將P5口作為數(shù)碼管的控制位，數(shù)碼管采用共陰極接法，用于顯示測量值、報(bào)警狀態(tài)等；采用A0通道捕獲傳感器測量值，將CO的濃度信號(hào)送入Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；P1口用于完成輔助功能模塊的設(shè)計(jì)，包括復(fù)位、蜂鳴器開關(guān)控制、報(bào)警LED開關(guān)控制等。MSP430F4250單片機(jī)資源分配[3][4]如圖1所示。

圖1 MSP430F4250資源分配圖

1.2 CO傳感器

本設(shè)計(jì)采用電化學(xué)傳感器，其測量原理是根據(jù)待測氣體與電極的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流，被測氣體的濃度與產(chǎn)生的電流值滿足法拉第定律，具備較好的線性度，經(jīng)過多次測量進(jìn)行線性擬合后，可得到精準(zhǔn)的測量值。電化學(xué)傳感器具有低功耗、高精度、高靈敏度、線性范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)和優(yōu)異的穩(wěn)定性，可滿足一定程度上的檢測要求。本例采用的CO傳感器參數(shù)見表1。

表1 CO傳感器部分參數(shù)表

CO傳感器及外圍電路圖如圖2所示。傳感器獲得氣體的檢測電信號(hào)，輸出給信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過信號(hào)前期處理后，送入MSP430F4250的A0模擬通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖2 CO傳感器及外圍電路圖

1.3 電源模塊

電源設(shè)計(jì)時(shí)采用TPS76433型號(hào)的電源芯片。該芯片是一款具有低功耗、低噪聲的線性低壓差穩(wěn)壓芯片（簡稱LDO），輸入電壓范圍3.3V～10V、固定輸出3.3V電壓，提供SOT-23封裝，外圍控制電路比較簡單。相比傳統(tǒng)的LDO穩(wěn)壓器TPS76433具有低靜態(tài)電流（小于140μA），通常在150 mA的負(fù)載電流（TPS76433）下為300 mV，并在輸出負(fù)載電流（0 mA至150 mA）的整個(gè)范圍內(nèi)穩(wěn)定，適用于電池供電設(shè)備；具有邏輯使能休眠模式，可關(guān)閉穩(wěn)壓器，降低靜態(tài)電流至1μA，低壓差電壓特性和低功耗使得使用壽命顯著增加?；谝陨咸攸c(diǎn)能夠滿足所選型號(hào)傳感器的供電電壓要求。

1.4 顯示報(bào)警模塊

顯示部分采用4位管實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)的P2、P5口實(shí)現(xiàn)位選和段選，連接方式為共陰極。驅(qū)動(dòng)電壓為3.3V。

本文所設(shè)計(jì)的報(bào)警器可進(jìn)行報(bào)警值預(yù)設(shè)，報(bào)警值被提前寫入到主控芯片的ROM中，儀器上電后，用戶也可以根據(jù)實(shí)際使用需要，可對(duì)預(yù)設(shè)值進(jìn)行更改。當(dāng)氣體濃度超過報(bào)警值時(shí)，報(bào)警器通過蜂鳴器和LED閃爍兩種方式進(jìn)行報(bào)警，用戶可根據(jù)實(shí)際使用需要，選擇蜂鳴器和LED其中之一進(jìn)行報(bào)警。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件處理流程

單片機(jī)通過其內(nèi)部AD采集傳感器得到的氣體濃度信號(hào)（模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、分析，將結(jié)果送入顯示模塊。具體的軟件控制流程[5]如圖3所示。

圖3 軟件控制流程圖

2.2 測量值計(jì)算方法

CO報(bào)警器的采樣值和顯示值為近似的線性關(guān)系，如圖4所示。因此要獲得測量值大小，就必須在使用前對(duì)報(bào)警器進(jìn)行兩次校準(zhǔn)，即：零校準(zhǔn)和滿校準(zhǔn)，以確定采樣值-顯示值關(guān)系。假設(shè)采樣值和顯示值的直線斜率為k，則k=（滿采樣值-零采樣值）/（滿顯示值-零顯示值），所以測量結(jié)果=（采樣值-零采樣值）/k+零顯示值。

圖4 采樣值-顯示值理論關(guān)系

3 實(shí)際測試/性能測試

設(shè)計(jì)完成后，本文對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行了實(shí)際測試。零校準(zhǔn)是在空氣中進(jìn)行，由于空氣中不含CO氣體，滿足零校準(zhǔn)條件。經(jīng)過調(diào)試和校準(zhǔn)，得到在空氣中，即CO濃度為0時(shí)，儀器達(dá)到最佳工作狀態(tài)，采樣值為470，如圖5所示。

圖5 零校準(zhǔn)顯示

圖6 滿校準(zhǔn)平臺(tái)

滿校準(zhǔn)平臺(tái)由以下部分組成：202PPM的標(biāo)準(zhǔn)CO氣體、流量計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)氣體和流量計(jì)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示。

滿校準(zhǔn)時(shí)，首先用流量計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)氣罐均勻輸出濃度為202PPM的CO氣體，經(jīng)由輸氣管通向傳感器罩，傳感器罩完全覆蓋傳感器表面，進(jìn)入儀器的滿校準(zhǔn)采樣界面，待采樣值穩(wěn)定后，手動(dòng)輸入滿校準(zhǔn)濃度202PPM，滿校準(zhǔn)完成。通過以上步驟可得到CO的采樣值—濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

測試使用濃度為25、50、202PPM的標(biāo)準(zhǔn)氣體，經(jīng)過超過50次測試，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果精度均在±1PPM之間，可滿足測量要求。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)一氧化碳報(bào)警器除了繼承以往報(bào)警器的功能和有點(diǎn)外，使用MSP430系列單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了聲音和燈光兩種報(bào)警模式，滿足了低功耗需求，提高了檢測精度，經(jīng)過實(shí)測，具備高可靠性。

[1]楊紹文.嵌入式有害氣體檢測儀的研制[J].今日科苑,2010,(02)：66.

[2]楊平,王威. MSP430系列超低功耗單片機(jī)及應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù),2008,(12)：48-50.

Design of Coal Mine Carbon Monoxide Alarm Based on Low Power MCU MSP430

Feng Bo1,Gao Chang2
(1.ShaanXi Institute of Technology, Xi’an Shaanxi, 710300;2.Xi’an Hua Feng Instrument Co., Ltd., Xi’an Shaanxi, 710314)

This paper design and implement a carbon monoxide alarm based on MSP430F4250 ultra low power microcontroller. The alarm uses an electrochemical carbon monoxide sensor to export concentration signal, and display real-time CO gas concentration value through a 4 digital tube. The accuracy can reach 1PPM (Parts Per Million). At the same time, the alarm can be preset alarm value by users. When the concentration value exceeds the preset value, the alarm module will work. In the end of the paper, the alarm is calibrated and the results are analyzed.

Ultra low power MCU; CO alarm; Calibration