山東科技大學電氣與自動化工程學院 趙 麗 陳 凱

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基于MSP430的便攜式瓦斯檢測儀設計

山東科技大學電氣與自動化工程學院 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，進行了硬件電路設計和軟件設計，實現了對井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測。

【關鍵詞】催化燃燒；瓦斯；MSP430

0　引言

煤礦井下瓦斯?jié)舛冗^高容易產生瓦斯爆炸，威脅井下工人的生命安全，對瓦斯?jié)舛冗M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，本文設計了一種便攜式瓦斯檢測儀，實現對井下瓦斯的準確檢測。

1　瓦斯檢測原理

瓦斯檢測的方法由催化燃燒法、光干涉法、熱導法、紅外線法、氣敏半導體法［2，3］，目前應用最廣泛的是催化燃燒法，本文采用催化燃燒元件實現對瓦斯?jié)舛鹊臋z測。載體催化元件由敏感元件R1和催化補償元件R2兩部分構成，在催化劑的作用下，瓦斯在催化元件表面發(fā)生無焰燃燒，進而改變R1阻值，瓦斯?jié)舛炔煌琑1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，調整電橋使之平衡，信號輸出端電壓U=0，當風流中有瓦斯時，R1阻值隨溫度上升而增加為R1+△R1而補償元件R2阻值不變，從而導致電橋失去平衡，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成線性關系，因此只需要測量輸出電壓U即可實現對瓦斯?jié)舛鹊木_檢測。

2　總體設計

系統(tǒng)的硬件組成結構如圖2所示，惠思登電橋的輸出電壓U經由信號電路調理之后，送至單片機進行AD轉換，單片機將采集到的數字信號送至存儲單元儲存并且經由數碼管顯示電路實時顯示出來。當瓦斯?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)以太網將數據實時傳輸至井下監(jiān)控系統(tǒng)。

圖2　硬件組成結構圖

3　硬件電路設計

3.1控制器模塊設計

本文設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轉換、看門狗以及DCO。主控器要完成工作，需要外加晶振、復位電路、JTAG電路、電源電路構成最小系統(tǒng)。

3.2電源模塊設計

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，因此設計了7.2V轉5V，5V轉3.3V電路，如圖3所示。3.3V電源電路采用穩(wěn)壓芯片LM1117設計，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設計，該芯片轉換效率高。

圖3　電源電路

3.3信號調理電路設計

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中進行處理，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，通過調整電阻的阻值可以實現將電壓信號比例放大，輸出U0。MSP430F149單片機本身具有12位AD轉換模塊，因此不需要外加AD轉換芯片，便可將瓦斯信號采集到單片機內部。

圖4　信號調理電路

3.4數碼管顯示電路設計

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

圖5　紅外通信電路設計

3.5紅外通信電路設計

為了實現將瓦斯檢測儀的數據及時傳輸出去，設計了紅外通信電路，如圖5所示，采用NE555設計了38KHz的載波信號，與單片機的發(fā)射信號相與后驅動專用發(fā)光二級管，采用專用的紅外接收模塊TSOP1738將接收到的信號進行轉換處理。

3.6其他電路設計

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

圖6　主程序流程圖

4　軟件設計

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

5　結論

本文設計了基于MSP430的便攜式瓦斯檢測儀，實現了對瓦斯的檢測，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，該設備穩(wěn)定可靠、具有廣泛的應用前景。

參考文獻

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

［2］顧強，仉毅，劉斌斌等.基于ZigBee的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.電子技術應用，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—），山東濟寧人，大學本科，現就讀于山東科技大學電氣與自動化工程學院。