原创 基于MSP430的便携式甲烷气体浓度检测仪

1 引 言

甲烷是引发煤矿瓦斯爆炸的主要因素，严重威胁到煤矿井下作业人员的生命安全。实时准确地检测甲烷的存在及其含量成为避免事故的关键。因此，研制一种可随身携带的低功耗甲烷浓度检测仪具有很大的应用价值。本文提出了一种以微控制器MSP430为核心的智能型甲烷气体浓度检测仪。

2 系统原理与结构

仪器采用催化燃烧式传感元件作为甲烷传感器，将热催化传感元件、补偿元件和电阻构成惠斯顿电桥，施加恒定电压或电流，甲烷气体以扩散方式进入传感器腔内在热催化传感元件表面发生氧化放热反应，使元件温度升高，阻值增大，电桥输出不平衡电压，反映被测甲烷气体的浓度。

系统以低功耗MSP430F147为核心，由催化燃烧式气体传感器、信号调理、电源监控、实时时钟、数据存储、人机交互(包括显示、按键及声光报警)及通信等模块组成。仪器可以对甲烷气体浓度进行现场自动实时测量，并将测量结果及当前时间保存于EEPROM中(图1)。传感器与电阻组成电桥电路，电桥输出的微弱电压信号经过由放大器组成的差分放大器处理后输入到MSP430内部集成的12位ADC中，微处理器经过运算处理后转化为浓度值，送LED显示并将该值与用户预先设定的报警值进行比较，判断是否需要报警，报警方式采用声光报警。

仪器具有与PC机通信的功能，通过串口可将测量浓度值输出给PC机，实现历史数据的保存；同时可通过与PC机的通信接口，实现对检测仪的参数设置。电源方面采用可充电电池，通过高转换效率的LDO对各模块供电，结合低功耗器件的选择与软件控制，大大降低了仪器功耗；通过电压监控模块实时监控电压，低于设定限值时进行报警提醒用户。

3 硬件电路设计

微控制器选择TI公司的MSP430F147单片机。该型号为16位RISC结构，具有32k Flash，1kRAM；并有5种低功耗模式，丰富的片内外围模块，灵活的时钟系统等诸多优点。MSP430可在1.8～3.6 V低电压下工作，系统采用3.3 V工作电压。为了保存历史数据及报警时间，系统采用1片24C1024做外部数据存储器，1片DS1302做日历时钟芯片。

传感器是决定检测仪精度的关键元件，其选择依据主要包括工作环境、稳定性、响应速度、线性度及功耗等。选用的催化燃烧式传感器采用了特殊的将参比元件染黑工艺．使得传感器具有补偿性好，回零快；具有优异的稳定性、重复性、响应快速，且输出与气体浓度成线性变化。

传感器与电阻组成惠斯顿电桥，电桥输出的微弱电压信号经过由3个运算放大器组成的差分放大器处理后输入到MSP430内部集成的12位ADC中。ADC12选择内部2.5 V参考电压，输入信号到微处理器进行A／D转换后的值与用户预先设定的报警值进行比较判断，从而控制声光报警电路的开闭。

按键控制电路由4个按键组成，采用独立按键式键盘，实现浓度／时间显示切换、密码设置与输人、报警点设置、时间调整及系统复位等功能。

电源模块采用单节可充电锰酸锂离子电池供电，经过SPX5205系列LDO稳压芯片得到3.3 V和2.8 V稳定的工作电压，分别为系统及传感器供电。充电电路采用TI公司生产的LM3658充电芯片，2.5～6 V输入电压，输出电流可以高达1 A，电流的实际大小可以通过外置电阻加以调节。此外，内置的功率FET可以根据环境温度自行调节操作速率，以确保芯片无论在任何温度下也能以最高的效率进行充电。这款芯片还有两个漏极开路输出，以便启动发光二极管状态指示灯或与通用输入／输出建立联系。

4 软件设计

检测仪的软件主要包括嵌入式系统程序没计和用户上位机数据管理程序两个部分。

4.1 嵌入式系统程序设计

系统软件程序主要使用C语言编写，采用模块化结构程序设汁方法设计，程序流程如图2所示。系统软件由主程序、初始化子程序和功能子程序三大部分组成。软件中多数功能子程序采用中断处理方式。初始化子程序包括：时钟模块初始化子程序、I／O端口初始化子程序、模数转换器ADC12初始化子程序、串口初始化子程序、EEPROM模块初始化子程序。功能子程序包括：ADC12采样及电压-浓度转换子程序、显示子程序、报警子程序、按键判断子程序、键盘处理子程序、延时予程序、数据存储子程序及串口中断处理子程序等。

4.2 上位机软件设计

上位机软件是浓度检测报警仪的数据管理系统，通过该系统可以方便地对存储于EEPROM的历史数据进行同放及存储管理。程序代码使用C++Builder完成，并将主要算法及通信接口部分与主界面代码分离，单独编译成动态链接库，以增加代码的可重用性，从而能方便地移植到其他软件中去。该软件主要由数据通信模块、数据存储模块、数据采集模块、数据回放模块等组成，软件功能如下：数据采集模块利用串几通信完成，将下位机中保存的历史数据读出，并通过数据存储模块将传上来的数据按即定的格式存储保存到上位机中作为历史记录。数据回放模块可将指定历史数据以两种形式呈现出来。一种是数据表格的形式；另一种是数据曲线的形式，给人以直观的感觉。

5 结 论

该仪器具有体积小、灵敏度高、响应时间短、便携等特点，能方便实时检测现场气体浓度，测量电路通用性强，配合不同气敏元件就可实现对多种气体的测量，具有很强的实用性。