基于MSP430單片機的瓦斯風速傳感器設計

王君松,王 奧,李 勤,胡耀盟

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院,北京 100083）

基于MSP430單片機的瓦斯風速傳感器設計

王君松,王 奧,李 勤,胡耀盟

（中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院,北京 100083）

針對煤礦現有各個傳感器模塊相對獨立，數據傳輸量大，相互配合復雜等現象，用MSP430F5529高性能單片機設計了能同時將檢測瓦斯濃度和風速的傳感器。該傳感器采用MQ-4氣體傳感器模塊采集瓦斯濃度，基于光電編碼器設計了風速傳感器，利用12864液晶顯示，含有RS-485數據傳輸模塊，通過按鍵實現人機交互，并能實現瓦斯超限報警等功能。將礦用的兩種傳感器融合到一起，方便了安裝、使用和維護，有較大的發展前景。

單片機；瓦斯檢測；風速檢測

在國民經濟發展過程中，煤炭作為主要能源起到了重要作用。隨著經濟的快速發展，煤炭產量也逐步提升，各種煤礦事故成為制約煤炭產量增長的主要因素，其中因為瓦斯超限引起的瓦斯爆炸危害最為嚴重，所以瓦斯的檢測與排放至關重要。隨著節能理念的提升，根據瓦斯濃度的不同，通過變壓變頻控制風機轉速的技術用到的越來越多，而控制風機的前提是檢測到瓦斯濃度和風速。在傳統的礦用傳感器中瓦斯和風速分開檢測，數據處理相對復雜。本文以MSP430F5529單片機為核心，設計了一款可以同時檢測瓦斯含量和風速的傳感器，具有精確、實用、經濟等特點。

1 單片機的選取

MSP430F5529是TI公司推出的具有USB集成的超低功耗單片機，16 位 RISC 結構，可拓展內存，高達 25MHZ 的系統時鐘；具有內部基準電壓，采樣和保持及自動掃描功能的 12 位 ADC；具有多個捕獲，比較寄存器。其集成的USB功能有利于售后軟件的升級。并且TI公司推出多款MSP430F5529的開發板，有利于該單片機的學習和開發。基于以上特點選取MSP430F5529作為傳感器的主控芯片。

2 傳感器的選擇

傳感器分為兩部分：瓦斯傳感器和風速傳感器。瓦斯傳感器選取MQ-4氣體傳感器模塊,該模塊使用的氣敏材料是清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環境中存在瓦斯等氣體時，傳感器的電導率隨空氣中瓦斯濃度的增加而增大。通過調理電路將電導率變化轉變為輸出電壓變化，利用單片機采樣計算出瓦斯濃度。MQ-4氣體傳感器對瓦斯的靈敏度高，成本低。適合用于設計瓦斯傳感器。

目前風速傳感器使用較多的是利用卡曼渦街效應設計的超聲波旋渦式風速傳感器，該傳感器雖然精度較高，但是價格昂貴，性價比不高。本文利用光電編碼器（包括槽型光耦模塊和光電碼盤）設計一種簡單實用的風速傳感器。該傳感器采用工程塑料葉片作為風速感應元件, 將編碼器的碼盤與葉片連接到一起，當有風吹過時，帶動葉片和碼盤轉動，用過槽型光耦模塊產生對應的PWM波形。將產生的信號輸入到單片機的定時器捕獲輸入口測出頻率，即可得到葉片的轉速。針對葉片的轉速和風速之間的對應關系與葉片的大小和形狀、潤滑程度等多種因素有關，沒有很好地計算方法，實際應用中較好的解決辦法是將風速傳感器放在已知風速的環境中改變風速記錄轉速，做成對應的表格，然后通過查表和線性插值的方法，求出在任意轉速對應的風速。這種風速傳感器制作簡單，成本很低，精度相對較高，適用于煤礦等環境中。

系統結構構成框圖：

3 顯示和數據傳輸

在實際應用中瓦斯濃度和風速值需要實時顯示并且傳輸到上位機等，所以顯示和數據傳輸部分同樣重要。市面上的瓦斯與風速傳感器相對獨立，LED數碼管具有簡單、經濟、實用的優點，所以被大量采用。針對該系統中瓦斯和風速同時采集，并考慮到人機交互的需要，我們采用帶中文字庫的12864液晶屏。液晶體積小，功耗低，顯示操作簡單。12864液晶是內置8192個16*16點陣、128個字符（8*6點陣）及64*256點陣顯示RAM（GDRAM）。與外部cpu接口采用并行或串行兩種控制方式，在這里我們采用串行的控制方式，可以節省單片機的管腳。

數據傳輸采用RS-485通信方式，RS-485是一種多發送器標準，在通信線路上最多可以使用32對差分驅動器/接收器。如果在一個網絡中連接的設備超過32個，還可以使用中繼器，另外所以利用RS-485還具有通信距離遠的優點，傳輸距離可達1200m，利用485總線很容易實現傳感器的組網檢測。利用MAX485模塊實現TTL信號轉485信號。

4 按鍵與報警電路

在煤礦中不同地區的瓦斯濃度上限不同，所以需要按鍵中斷改變瓦斯濃度報警值和風速報警值，還需要按鍵改變液晶的背光亮度和對比度。通過4*5的矩陣鍵盤即可滿足上按鍵的要求。報警電路采用無源蜂鳴器和發光二極管即可，利用PWM控制，根據不同的瓦斯濃度和風速實現不同的報警信號。

系統程序流程圖為：

5 總結

與傳統的礦用傳感器不同，該傳感器結合瓦斯和風速傳感器兩部分，采用MSP430F5529高性能單片機，選用合適的瓦斯傳感器和獨特的風速檢測方法，方便的人機交互，簡易的與上位機通信，使該傳感器具有經濟、實用等特點。雖然現在煤礦的各個傳感器還是相對獨立。但是隨著技術的發展，各個傳感器的整合，該傳感器有很大的發展前景。

[1]郭天祥.51單片機C語言教程[S].電子工業出版社，2013：4-18.

項目資助：中國礦業大學（北京）大學生創新訓練項目資助

項目編號：Y20131404