陳樹成，楊志勇，王科

（1.成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院，成都610225；2.中國華云氣象科技集團(tuán)公司）

引 言

隨著工業(yè)的發(fā)展和含碳燃料的長期使用，大氣中的二氧化碳含量日益增多，其產(chǎn)生的“溫室效應(yīng)”已經(jīng)一定程度地破壞了人們的生活環(huán)境，因此對(duì)于二氧化碳含量進(jìn)行定量的測(cè)量與控制已成為一項(xiàng)極具實(shí)際意義的任務(wù)。此外，二氧化碳濃度的監(jiān)控對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域也有著重要的意義。以醫(yī)療衛(wèi)生為例，世界各國都很重視對(duì)二氧化碳的監(jiān)測(cè)和控制，這對(duì)于減少呼吸系統(tǒng)疾病、提高人們的生活水平有著無法估量的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益［1］。

采用單片機(jī)進(jìn)行二氧化碳濃度檢測(cè)、實(shí)時(shí)顯示，能夠提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源。為此，設(shè)計(jì)一種利用MSP430F169作為主控芯片的二氧化碳采集系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以通過USB與上位機(jī)之間進(jìn)行交互。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MSP430F169作為主控CPU，MG811傳感器輸出經(jīng)放大的模擬信號(hào)，經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)換后計(jì)算對(duì)應(yīng)的二氧化碳濃度值，將結(jié)果通過HT1621送段式LCD 顯示，并將數(shù)據(jù)通過M25P80進(jìn)行存儲(chǔ)。需要時(shí)可通過USB對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，完成與上位機(jī)之間的交互。系統(tǒng)采用鋰電池供電。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 MSP430F169最小系統(tǒng)

MSP430系列單片機(jī)是TI公司推出的一種16 位超低功耗單片機(jī)。該系列單片機(jī)具有運(yùn)算能力強(qiáng)、片內(nèi)外設(shè)豐富、低電壓、超低功耗、速度快和效率高等特點(diǎn)。其電源電壓采用1.8～3.6V 低電壓，RAM 數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅為0.1μA，活動(dòng)模式，耗電為250μA／MIPS，I／O 輸入端口的最大漏電流僅為50nA。該單片機(jī)系統(tǒng)有一種活動(dòng)模式和5種低功耗模式，并且各種模式間可以自由切換。其具備精簡(jiǎn)指令集和較高的處理速度，大量的片內(nèi)寄存器可以參加運(yùn)算，有豐富的I／O 接口，支持JTAG 在線編程和調(diào)試［2］。設(shè)計(jì)的二氧化碳采集系統(tǒng)以MSP430F169為主控CPU，該芯片具備MSP430系列單片機(jī)幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其封裝為LQPF64，大大縮小了電路板的空間。設(shè)計(jì)的MSP430F169最小系統(tǒng)電路如圖2所示。該最小系統(tǒng)包括了低速晶振和高速晶振電路、上電復(fù)位電路、JTAG程序下載調(diào)試電路以及電源端和地端。

圖2 MSP430F169最小系統(tǒng)

2.2 MG811二氧化碳傳感器電路設(shè)計(jì)

二氧化碳傳感器采用鄭州煒盛電子公司的MG811。MG811為固體電解質(zhì)傳感器，它的信號(hào)輸出阻抗非常高，因此不能直接用普通的電壓表或萬用表測(cè)量其輸出信號(hào)［3］，也不能將輸出直接接到MSP430 的ADC 輸入端。設(shè)計(jì)時(shí)，在傳感器信號(hào)輸出后端接一級(jí)阻抗變換電路，將傳感器輸出阻抗降低到普通可測(cè)量級(jí)別，而阻抗變換運(yùn)算放大器必須選用高輸入阻抗型，芯片選用美國無線電公司的CA3410放大芯片。MG811傳感器正常工作時(shí)內(nèi)核溫度可以達(dá)到500 ℃以上，而內(nèi)核和周圍空氣是直接接觸的，因此環(huán)境溫度變化會(huì)影響到傳感器的靈敏度，所以設(shè)計(jì)中采用溫度補(bǔ)償電路，補(bǔ)償電路由R1 溫感電阻和R2構(gòu)成。

MG811二氧化碳傳感器電路如圖3所示。二氧化碳傳感器經(jīng)CA3140放大后的輸出端與溫度補(bǔ)償輸出端分別接到MSP430F169的P6.4和P6.3引腳。由于在一定的溫度和濕度的條件下，傳感器輸出的電壓和測(cè)量環(huán)境中的二氧化碳濃度近似成正比關(guān)系，所以經(jīng)過A／D 轉(zhuǎn)換后的電壓值可以通過該正比關(guān)系式轉(zhuǎn)換成為二氧化碳濃度值。如果環(huán)境的溫度變化較為明顯，就需要對(duì)二氧化碳傳感器進(jìn)行人工標(biāo)定。

2.3 HT1621驅(qū)動(dòng)段式液晶電路設(shè)計(jì)

段式LCD以其超低的功耗廣泛應(yīng) 用 于 各 種 便 攜 式 設(shè) 備。MSP430F169電路本身不具有段式液晶驅(qū)動(dòng)能力，由于系統(tǒng)采用鋰電池供電，才對(duì)功耗有著較高的要求，所以設(shè)計(jì)中采用HT1621 芯片驅(qū)動(dòng)段式液晶顯示。HT1621 是128 點(diǎn)內(nèi)存映像和多功能的LCD 驅(qū)動(dòng)器，HT1621的軟件配置特性使它適用于多種LCD應(yīng)用場(chǎng)合，包括LCD 模塊和顯示子系統(tǒng)。靜態(tài)顯示內(nèi)存RAM 及32×4位的格式存儲(chǔ)所顯示的數(shù)據(jù)，RAM 的數(shù)據(jù)直接映像到LCD驅(qū)動(dòng)器，可以用READ、WRITE和READ-MODIFY-WRITE 命令訪問［4］。HT1621驅(qū)動(dòng)段式LCD 電路如圖4所示。

圖3 MG811傳感器電路

圖4 HT1621驅(qū)動(dòng)段式LCD電路

2.4 USB通信及存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，考慮到MSP430F169自身的存儲(chǔ)空間有限，所以外擴(kuò)M25P80存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。M25Pxx系列FLASH 是ST公司的高速SPI接口FLASH，讀寫時(shí)鐘最快可達(dá)到40 MHz，分為1 MB、2MB、4MB、8MB、16MB等多種容量，不同容量的芯片引腳和封裝完全相同［5］。該設(shè)計(jì)采用8MB 容量的M25P80，電路圖如圖5下半部分所示。M25P80FLASH 可以按頁、扇區(qū)和整片擦除，并提供按頁寫數(shù)據(jù)功能。MSP430F169有獨(dú)立的SPI控制器，可以直接控制M25P80 FLASH 的讀寫操作，自動(dòng)生成讀寫SPI FLASH 控制時(shí)序。

存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)需要與上位機(jī)之間進(jìn)行交互，設(shè)計(jì)采用CP2102串口芯片，通過USB接口進(jìn)行通信。CP2102是一種高度集成的USB轉(zhuǎn)UART 橋接器，提供一個(gè)使用最小化元件和PCB空間實(shí)現(xiàn)RS232轉(zhuǎn)USB的簡(jiǎn)便解決方案。CP2102的USB功能控制器是一個(gè)符合USB2.0的全速電路，帶有收發(fā)器和片內(nèi)上拉電阻，USB 功能控制器管理USB與UART間的所有數(shù)據(jù)傳輸，以及由USB主控制器發(fā)出的請(qǐng)求命令和用于控制UART 功能的命令［6］。設(shè)計(jì)的USB通信電路如圖5上半部分所示，圖中U＿RXD、U＿TXD分別接MSP430F169的P3.5、P3.4引腳。USB接口選用通用的Micro-USB，CP2102中的3.3V 電壓可以使用LM1117-3.3將USB端口的5V輸入轉(zhuǎn)換而來。

圖5 USB通信及存儲(chǔ)電路

2.5 鋰電池升降壓電路設(shè)計(jì)

綜合以上系統(tǒng)的便攜性考慮，系統(tǒng)采用鋰電池供電。由于本系統(tǒng)MSP430F169、HT1621和M25P80等芯片都使用標(biāo)準(zhǔn)3.3V 供電，二氧化碳傳感器MG811采用6V供電，而標(biāo)準(zhǔn)鋰電池充滿電時(shí)的輸出電壓為3.7V，所以需要對(duì)鋰電池進(jìn)行升壓和降壓。降壓芯片選用TI公司的TPS62046，升壓芯片選用MAXIM 公司的MAX17112。降壓電路和升壓電路如圖6所示。其中左半部分為TPS62046降壓至3.3V 電路，右半部分為MAX17112升壓至6V 電路。實(shí)際測(cè)試表明，該升壓和降壓電路所得到的電壓能使電路穩(wěn)定工作。

圖6 降壓電路和升壓電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件子功能程序分別與硬件模塊電路相對(duì)應(yīng)。系統(tǒng)軟件主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、段式LCD 顯示子程序、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序、存儲(chǔ)子程序和串行通信子程序等。此處只給出系統(tǒng)的主程序流程圖，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

結(jié) 語

設(shè)計(jì)的二氧化碳采集系統(tǒng)利用MSP430F169控制傳感器MG811，能夠比較準(zhǔn)確地對(duì)二氧化碳濃度值采樣測(cè)量，并能夠通過HT1621驅(qū)動(dòng)段式LCD準(zhǔn)確顯示，系統(tǒng)功耗較低、精度較高、集成化程度高。其便攜性使得系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種工農(nóng)業(yè)二氧化碳濃度測(cè)量場(chǎng)合，應(yīng)用前景廣闊。

［1］袁超，何保山，韓小賢，等.二氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展［J］.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2009（6）：133-136.

［2］魏小龍.MSP430 系列單片機(jī)接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［3］侯存峰，謝菊芳，胡東.基于ZigBee技術(shù)的CO2監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)科技與裝備，2012，3：47-51.

［4］汪川，樊澤明.基于單片機(jī)的HT1621 液晶顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（23）：165-167.

［5］胥嘉佳，黃克平.一種基于FPGA 最小系統(tǒng)的PROM 擴(kuò)展方法［J］.電子科技，2013（4）：126-128.

［6］黃燕妮，王少云.USB、RS232／UART 接口轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012（22）：27-29.