基于MSP430單片機(jī)的瓦斯風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)

王君松,王 奧,李 勤,胡耀盟

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京 100083）

基于MSP430單片機(jī)的瓦斯風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)

王君松,王 奧,李 勤,胡耀盟

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京 100083）

針對煤礦現(xiàn)有各個(gè)傳感器模塊相對獨(dú)立，數(shù)據(jù)傳輸量大，相互配合復(fù)雜等現(xiàn)象，用MSP430F5529高性能單片機(jī)設(shè)計(jì)了能同時(shí)將檢測瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速的傳感器。該傳感器采用MQ-4氣體傳感器模塊采集瓦斯?jié)舛龋诠怆娋幋a器設(shè)計(jì)了風(fēng)速傳感器，利用12864液晶顯示，含有RS-485數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并能實(shí)現(xiàn)瓦斯超限報(bào)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(hù)，有較大的發(fā)展前景。

單片機(jī)；瓦斯檢測；風(fēng)速檢測

在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，煤炭作為主要能源起到了重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭產(chǎn)量也逐步提升，各種煤礦事故成為制約煤炭產(chǎn)量增長的主要因素，其中因?yàn)橥咚钩抟鸬耐咚贡ㄎ：ψ顬閲?yán)重，所以瓦斯的檢測與排放至關(guān)重要。隨著節(jié)能理念的提升，根據(jù)瓦斯?jié)舛鹊牟煌?，通過變壓變頻控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)用到的越來越多，而控制風(fēng)機(jī)的前提是檢測到瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速。在傳統(tǒng)的礦用傳感器中瓦斯和風(fēng)速分開檢測，數(shù)據(jù)處理相對復(fù)雜。本文以MSP430F5529單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一款可以同時(shí)檢測瓦斯含量和風(fēng)速的傳感器，具有精確、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。

1 單片機(jī)的選取

MSP430F5529是TI公司推出的具有USB集成的超低功耗單片機(jī)，16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，可拓展內(nèi)存，高達(dá) 25MHZ 的系統(tǒng)時(shí)鐘；具有內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，采樣和保持及自動(dòng)掃描功能的 12 位 ADC；具有多個(gè)捕獲，比較寄存器。其集成的USB功能有利于售后軟件的升級(jí)。并且TI公司推出多款MSP430F5529的開發(fā)板，有利于該單片機(jī)的學(xué)習(xí)和開發(fā)?；谝陨咸攸c(diǎn)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(fēng)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(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在瓦斯等氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中瓦斯?jié)舛鹊脑黾佣龃蟆Ｍㄟ^調(diào)理電路將電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷鹤兓?，利用單片機(jī)采樣計(jì)算出瓦斯?jié)舛?。MQ-4氣體傳感器對瓦斯的靈敏度高，成本低。適合用于設(shè)計(jì)瓦斯傳感器。

目前風(fēng)速傳感器使用較多的是利用卡曼渦街效應(yīng)設(shè)計(jì)的超聲波旋渦式風(fēng)速傳感器，該傳感器雖然精度較高，但是價(jià)格昂貴，性價(jià)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(shè)計(jì)一種簡單實(shí)用的風(fēng)速傳感器。該傳感器采用工程塑料葉片作為風(fēng)速感應(yīng)元件, 將編碼器的碼盤與葉片連接到一起，當(dāng)有風(fēng)吹過時(shí)，帶動(dòng)葉片和碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，用過槽型光耦模塊產(chǎn)生對應(yīng)的PWM波形。將產(chǎn)生的信號(hào)輸入到單片機(jī)的定時(shí)器捕獲輸入口測出頻率，即可得到葉片的轉(zhuǎn)速。針對葉片的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速之間的對應(yīng)關(guān)系與葉片的大小和形狀、潤滑程度等多種因素有關(guān)，沒有很好地計(jì)算方法，實(shí)際應(yīng)用中較好的解決辦法是將風(fēng)速傳感器放在已知風(fēng)速的環(huán)境中改變風(fēng)速記錄轉(zhuǎn)速，做成對應(yīng)的表格，然后通過查表和線性插值的方法，求出在任意轉(zhuǎn)速對應(yīng)的風(fēng)速。這種風(fēng)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(huán)境中。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成框圖：

3 顯示和數(shù)據(jù)傳輸

在實(shí)際應(yīng)用中瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速值需要實(shí)時(shí)顯示并且傳輸?shù)缴衔粰C(jī)等，所以顯示和數(shù)據(jù)傳輸部分同樣重要。市面上的瓦斯與風(fēng)速傳感器相對獨(dú)立，LED數(shù)碼管具有簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，所以被大量采用。針對該系統(tǒng)中瓦斯和風(fēng)速同時(shí)采集，并考慮到人機(jī)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(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)陣、128個(gè)字符（8*6點(diǎn)陣）及64*256點(diǎn)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(jié)省單片機(jī)的管腳。

數(shù)據(jù)傳輸采用RS-485通信方式，RS-485是一種多發(fā)送器標(biāo)準(zhǔn)，在通信線路上最多可以使用32對差分驅(qū)動(dòng)器/接收器。如果在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中連接的設(shè)備超過32個(gè)，還可以使用中繼器，另外所以利用RS-485還具有通信距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，傳輸距離可達(dá)1200m，利用485總線很容易實(shí)現(xiàn)傳感器的組網(wǎng)檢測。利用MAX485模塊實(shí)現(xiàn)TTL信號(hào)轉(zhuǎn)485信號(hào)。

4 按鍵與報(bào)警電路

在煤礦中不同地區(qū)的瓦斯?jié)舛壬舷薏煌?，所以需要按鍵中斷改變瓦斯?jié)舛葓?bào)警值和風(fēng)速報(bào)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(bào)警電路采用無源蜂鳴器和發(fā)光二極管即可，利用PWM控制，根據(jù)不同的瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速實(shí)現(xiàn)不同的報(bào)警信號(hào)。

系統(tǒng)程序流程圖為：

5 總結(jié)

與傳統(tǒng)的礦用傳感器不同，該傳感器結(jié)合瓦斯和風(fēng)速傳感器兩部分，采用MSP430F5529高性能單片機(jī)，選用合適的瓦斯傳感器和獨(dú)特的風(fēng)速檢測方法，方便的人機(jī)交互，簡易的與上位機(jī)通信，使該傳感器具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等特點(diǎn)。雖然現(xiàn)在煤礦的各個(gè)傳感器還是相對獨(dú)立。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)傳感器的整合，該傳感器有很大的發(fā)展前景。

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

項(xiàng)目資助：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助

項(xiàng)目編號(hào)：Y20131404