多參數泵吸式檢測儀的設計

史 政

（煤炭科學研究總院北京分院 100013）

目前我國煤礦所廣泛使用的傳感器大多只能對一種參數進行檢測，每個傳感器單獨供電并通過數據線與上位機進行通訊。當進行多參數檢測時，大量電纜及通信線使現場施工難度增加，整個系統也更為復雜。因此筆者設計了一種多參數泵吸式檢測儀，很好的解決了該問題。

1 硬件設計

本檢測儀以MSP430F1611為核心，主要由氧氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、溫濕度檢測電路，數碼管控制電路，RS-485通信電路，聲光報警電路，紅外遙控電路，氣泵驅動電路組成。

1.1 氧氣檢測電路

正常狀態下，環境中氧氣的安全濃度為18.5%～22%，低于18.5%屬于缺氧環境[1]。本檢測儀選用英國City公司生產的4OX2氧氣敏感元件，該元件采用隔膜式伽伐尼電池工作原理，當有氧氣進入敏感元件內部時，敏感元件內部發生氧化還原反應，兩電極之間產生電流，該電流大小與當前環境中氧氣濃度成正比。敏感元件外接一定值電阻將電流信號轉為電壓信號，再將其輸入MSP430F1611自帶的A/D轉換器，通過程序即可計算出氧氣濃度值。為避免敏感元件極化，采用P型場效應管J177來防止極化反應。電路原理圖如圖1.1所示：

圖1.1 氧氣檢測電路原理圖

1.2 一氧化碳檢測電路

一氧化碳檢測電路選用City公司生產的4CF+一氧化碳敏感元件，該元件以參考電極R極電位作為工作極電壓參考值。考慮到低濃度情況下敏感元件輸出電流極小易受干擾，增加R-C濾波電路進行濾波，通過運放AD8607A對信號進行放大。同時AD8607A對4CF+的R極電位進行限制，采用P型場效應管J177防止電極極化。電路原理圖如圖1.2所示：

圖1.2 一氧化碳檢測電路原理圖

1.3 二氧化碳及甲烷檢測電路

二氧化碳及甲烷檢測電路分別選用英國Dynament公司生產的MSH-P-CO25V及MSH-PHC5紅外敏感元件，這兩種元件既可以輸出模擬信號，也可以輸出數字信號。為降低程序復雜度本檢測儀取模擬信號，敏感元件輸出電壓信號，電壓值大小符合A/D轉換器輸入范圍，可直接輸入A/D轉換器。

1.4 溫濕度檢測電路

溫濕度檢測電路選用瑞士Sensirion公司生產的SHT11敏感元件，該元件采用能隙技術，測量精度極高，可向MSP430F1611輸出完全標定的數字信號，有效解決了模擬式溫濕度元件誤差大，配套電路復雜的問題。根據接口定義，SHT11數據引腳DATA為雙向數據接口，敏感元件和微處理器可通過DATA接口直接進行雙向通信。SHT11同微處理器相連時必須和微處理器保持時鐘同步，以便微處理器讀取和處理數據，因此其時鐘端SCK應與微處理器的時鐘端直接連接。同時，在電源引腳（VDD，GND）間盡量靠近敏感元件的位置加一100nF的電容用于濾波。因待測溫度與敏感元件出廠標定溫度25℃不同，需在程序中對輸出濕度值進行溫度補償。[2]

1.5 數碼管控制電路

本檢測儀采用4位數碼管循環顯示6種參數，由MSP430F1611和ULN2803A八重達靈頓陣列芯片驅動數碼管DPY_7-SEG_DP。ULN2803A為大電流高電壓反相輸出芯片，8路信號輸入，8路信號輸出，輸入電平典型值為0V低電平或5V高電平。

MSP430F1611輸出12路電平信號，其中8路通過ULN2803A接DPY_7-SEG_DP共陽數碼管陽極，數碼管陰極接一置于放大狀態的PNP三極管C極，高電平VCC加在PNP管E極驅動數碼管。另外4路信號分別輸入一NPN三極管B極，E極接地，C極通過下拉電阻接PNP管，該NPN管起開關作用。

當MSP430F1611向ULN2803A輸出低電平時，NPN管處于截止狀態，電路斷開，此時沒有電流通過數碼管，數碼管熄滅。當MSP430F1611向ULN2803A輸出5V高電平信號時，NPN三極管處于飽和狀態，相當于開關，即MSP430F1611輸出為5V高電平時，NPN三極管導通，由于下拉電阻的存在，導致PNP三極管的Vc＜Vb＜Ve，PNP管導通，數碼管點亮。

1.6 RS-485通信電路

本檢測儀檢測參數較多，因此采用基于MAX485芯片的RS-485通信電路，如圖1.3所示。MAX485的檢測靈敏度為200mV，即差分輸入端UA-UB≥200mV時，輸出邏輯1；UA-UB≤-200mV時，輸出邏輯0；而在200mV和-200mV之間時，輸出為不確定狀態。如果總線上所有發送器被禁止，即所有節點都處于接收狀態，此時接收器的輸出就是不定狀態，此時如果接收器輸出邏輯0，就會使MSP430F1611的串口誤認為收到字節起始位，從而引起工作不正常。解決這一問題的方法是人為地使A端電位高于B端電位，這樣使485總線空閑時呈現唯一的高電平，從而使MSP430F1611不會誤中斷。如圖1.3所示，在A端接上拉電阻R27接+5V電源，B端接下拉電阻R26接地，這樣就可以很好地解決這個問題。

圖1.3 RS-485通信電路

另外在MAX485接收端和發送端都并聯了發光二極管，以指示有數據發送和接收。

1.7 聲光報警

本檢測儀采用聲光報警結合的方式，6個待檢參數有“%”、“ppm”、“℃”3個單位名稱，參數種類和單位采用綠色LED顯示，MSP430F1611通過4-16譯碼器CD4514進行LED的選通，并通過2片ULN2803A進行驅動。若某個參數超限，則LED在循環顯示到該參數時，呈現閃爍狀態，對應的紅色LED亮起，同時蜂鳴器報警。

1.8 紅外遙控

本檢測儀選用以HT6221為基礎設計的FXY遙控器（煤安標志號MFA070096）作為發送端，HS0038B紅外接收器作為接收端，HS0038B集成了紅外接收元件和預處理濾波電路，直接向微處理器輸出數字信號。通過遙控器可對檢測儀的各種參數進行調節。

1.9 泵吸式采樣

常見的擴散式采樣方式易受外界條件干擾，泵吸式采樣方式則可以避免或減少此類干擾，從而有效提高精度和響應時間。本檢測儀選用5V直流小功率氣泵，型號為托馬斯（THOMAS）G6/01EB，由MSP430F1611驅動。

2 軟件設計

檢測儀程序采用C語言模塊化設計[3]，主要完成數據采集及顯示、溫度補償、參數設置、聲光報警、氣泵開停及RS-485通信等功能。程序采用多種方法降低誤差，首先采用中位值濾波法，即每取20個數據，去掉其中的極大值和極小值后其余數值取平均值進行運算，從而有效的避免突發脈沖干擾對檢測儀檢測值的影響[4]；其次加入看門狗程序，可有效糾正異常程序，防止程序跑飛導致工作異常；最后制定了高效嚴密的通信協議以確保設備間的正常通信。主程序運算流程圖如圖2.1所示：

圖2.1 檢測儀程序運算流程圖

3 結論

該型多參數泵吸式檢測儀可檢測多個參數，集成度高，配套設備數量少，不僅降低了安裝難度，也便于維護及觀察；采用泵吸式采樣方式，解決了原有氣體傳感器所采用的擴散式采樣的缺點，精度高，響應速度快；軟硬件設計方面都進行了抗干擾設計，提高了抗干擾性能；采用低功耗高性能MSP430F1611芯片，無需額外使用A/D轉換芯片及E2PROM等元件，降低了能耗，節約了成本。同時由于采用泵吸式采樣，可以很方便的切換檢測區域，因此非常適合用于救生艙和避難硐室的內外環境檢測。

本檢測儀已與原有單參數傳感器進行了對比試驗、、救生艙內106小時實際運行實驗、抗干擾實驗。結果表明其具有精度高，響應時間短，能耗低，抗干擾能力強的特點，與原有單參數傳感器相比優勢明顯。

[1]Wang P X.Aerospace Environmental Control and Life Support Engineering Fundamentals.Beijing：National Defense Industry Press，2003（王普秀 航天環境控制與生命保障工程基礎 北京，國防工業出版社，2003）

[2]SHT1X系列數字溫濕度傳感器技術手冊 4.3版，瑞士Sensirion公司.

[3]譚浩強，C語言程序設計[M].北京：清華出版社，2005.

[4]張俊，匠人手記：一個單片機工作者的實踐與思考 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.