基于單片機(jī)的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

代羽　遼寧省本溪市計(jì)量測(cè)試所　遼寧本溪　117000

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基于單片機(jī)的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

代羽遼寧省本溪市計(jì)量測(cè)試所遼寧本溪117000

【文章摘要】

針對(duì)目前環(huán)境監(jiān)測(cè)儀需要使用多臺(tái)傳感器導(dǎo)致布線繁瑣、不便安裝且功耗較大等問(wèn)題，提出一種多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)方案。該多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀采用MSP430F169單片機(jī)，能采集環(huán)境中O2濃度、CO2濃度、CO濃度、CH4濃度、H2S濃度、差壓及溫濕度等信號(hào)，通過(guò)LED數(shù)碼管顯示，并具有聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)通信等功能。多種試驗(yàn)表明：該多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀功耗小、穩(wěn)定性好、操作簡(jiǎn)單。

【關(guān)鍵詞】

緊急避險(xiǎn)；多參數(shù)；MSP430F169；低功耗

0　引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已經(jīng)制定各類國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)有400余項(xiàng)，涵蓋了大氣、土壤、水質(zhì)、噪聲、輻射、軍工等領(lǐng)域，并且已經(jīng)開(kāi)展了環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、環(huán)境質(zhì)量日?qǐng)?bào)、周報(bào)預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè);污染源監(jiān)測(cè);污染事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)等。這種點(diǎn)多、面廣、任務(wù)繁重的環(huán)境監(jiān)測(cè)形勢(shì)，急切需要提高環(huán)境監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化水平。

本文主要設(shè)計(jì)一種低功耗、多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀，可監(jiān)測(cè)溫度、濕度、差壓、CO2、O2、CO、CH4、H2S等環(huán)境參數(shù)。

1　多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀以TI公司的超低功耗芯片MSP430F169單片機(jī)為控制核心，主要由多路信號(hào)檢測(cè)電路（包括溫濕度檢測(cè)電路、差壓檢測(cè)電路、CO檢測(cè)電路、CO2檢測(cè)電路、O2檢測(cè)電路、CH4檢測(cè)電路和H2S檢測(cè)電路）、LED顯示電路、聲光報(bào)警電路、紅外遙控電路和RS485通信電路等組成，

1.1溫濕度檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)采用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT11單芯片傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器, 傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè) 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接,具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。該傳感器可以檢測(cè)溫度范圍-40～123.8℃，可以檢測(cè)濕度范圍0～100%RH,主控芯片可以直接通過(guò)I2C協(xié)議讀取溫度濕度數(shù)據(jù)，操作簡(jiǎn)便，且工作狀態(tài)時(shí)最大功耗僅為3mW。

1.2差壓檢測(cè)電路

緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)，需始終維持300～500Pa的正壓，避免外界有害氣體侵入。本設(shè)計(jì)采用的是Honeywell公司的ASDXL05D44D型壓力傳感器，該傳感器輸出電壓范圍為0.50～4.00V，對(duì)應(yīng)量程為為-2000～2000Pa。在實(shí)際設(shè)計(jì)中將該傳感器一端與艙外環(huán)境接通，當(dāng)差壓為0Pa時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出電壓為2.50V ;當(dāng)差壓為2000Pa時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出電壓為4.00V，電壓信號(hào)輸入到主控MCU的AD采樣通道，根據(jù)線性關(guān)系就可得出當(dāng)前避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)外的差壓數(shù)據(jù)。

1.3RS485通信電路

用Maxim公司生產(chǎn)的低功耗MAX485接口芯片，該芯片是一種具有高速、電流保護(hù)和失效保護(hù)功能的收發(fā)器芯片;接口信號(hào)電平低，不易損壞接口電路，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接;驅(qū)動(dòng)器擺率不受限制，可以實(shí)現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率;采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器組合方式，抗共模干擾能力強(qiáng)。

1.4其它電路

多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀需要檢測(cè)8個(gè)參數(shù)，故設(shè)計(jì)采用分時(shí)循環(huán)顯示方案，顯示模塊分為兩部分，一部分是LED數(shù)碼管用于顯示當(dāng)前參數(shù)的數(shù)值，另一部分是當(dāng)前參數(shù)的名稱與單位的指示。故LED數(shù)碼管采用4位共陰極數(shù)碼管，由單片機(jī) 4個(gè)IO口負(fù)責(zé)數(shù)碼管的選通，由P4端的全部8個(gè)IO口通過(guò)芯片ULN2803A驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管相應(yīng)段點(diǎn)亮，用于顯示數(shù)值。8個(gè)參數(shù)有“%”、“ppm”、“℃”、“Pa”4個(gè)單位名稱，參數(shù)名稱和單位名稱采用綠色高亮LED點(diǎn)亮，共需要12個(gè)LED燈的選通點(diǎn)亮，單片機(jī)P1.0-1.5口通過(guò)4-16譯碼器CD4514進(jìn)行LED燈的選通，并通過(guò)2片ULN2803A進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。紅外遙控采用HS0038A2紅外接收頭，配合FYF6遙控發(fā)送器對(duì)多參數(shù)進(jìn)行的參數(shù)（零點(diǎn)、校準(zhǔn)點(diǎn)、報(bào)警點(diǎn)等）進(jìn)行配置。

2　結(jié)語(yǔ)

本文介紹的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀采用本安電路設(shè)計(jì)，可以測(cè)量多種氣體的含量和環(huán)境溫度、濕度、差壓參數(shù)，在緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)，可以用于避險(xiǎn)空間內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，確保生存環(huán)境的健康安全，在煤礦井下的其它地方也可使用。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量該儀器工作電流為52.4mA，最大工作電流為102.5mA。在救生艙和避難硐室的多次真人模擬試驗(yàn)中，搭配DXBL1440/24X（A）隔爆型鋰離子蓄電池電源，最長(zhǎng)連續(xù)不間斷工作了106.5小時(shí)，完全滿足緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)的安全防護(hù)時(shí)間的要求，監(jiān)測(cè)期間數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，并將數(shù)據(jù)上傳到試驗(yàn)環(huán)境外的監(jiān)測(cè)室內(nèi)。綜合表明，該多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀滿足緊急避險(xiǎn)設(shè)施內(nèi)各環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)需求，保障了避險(xiǎn)環(huán)境的健康安全性。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張鵬，胡桃英，胡敏.礦用可移動(dòng)式救生艙的現(xiàn)狀及其環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案[J].工礦自動(dòng)化.2011（8）：30～31.

[2]劉中奇，王汝琳.礦用智能紅外一氧化碳檢測(cè)儀的研究[J].工礦自動(dòng)化,2011（06）:2～4.

[3]謝國(guó)寶，李國(guó)斌.催化燃燒型瓦斯檢測(cè)儀器性能特征及影響因素淺析[J].煤礦安全，2002,33（3）：54～55.

[4]徐耀松，郭磊，王丹丹.多傳感器模糊信息融合算法在煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008（06）：42～44

[5]孫繼平．煤礦井下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)研究，[J]．煤炭科學(xué)技術(shù),2011（01）：69～71．

[6]譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華出版社，2005.

[7]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，2002.

【作者簡(jiǎn)介】

代羽（1981.5～），男，遼寧本溪人，工程師，哈爾濱理工大學(xué)2010屆畢業(yè)生，研究方向：質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理。