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        基于MG811探頭的二氧化碳采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

        2014-08-27 08:34:04陳樹成楊志勇王科
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        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.

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