基于單片機的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計

代羽　遼寧省本溪市計量測試所　遼寧本溪　117000

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基于單片機的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計

代羽遼寧省本溪市計量測試所遼寧本溪117000

【文章摘要】

針對目前環(huán)境監(jiān)測儀需要使用多臺傳感器導(dǎo)致布線繁瑣、不便安裝且功耗較大等問題，提出一種多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀設(shè)計方案。該多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀采用MSP430F169單片機，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，通過LED數(shù)碼管顯示，并具有聲光報警、數(shù)據(jù)通信等功能。多種試驗表明：該多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀功耗小、穩(wěn)定性好、操作簡單。

【關(guān)鍵詞】

緊急避險；多參數(shù)；MSP430F169；低功耗

0　引言

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已經(jīng)制定各類國家環(huán)境標準有400余項，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)開展了環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、環(huán)境質(zhì)量日報、周報預(yù)報監(jiān)測;污染源監(jiān)測;污染事故應(yīng)急監(jiān)測等。這種點多、面廣、任務(wù)繁重的環(huán)境監(jiān)測形勢，急切需要提高環(huán)境監(jiān)測的自動化水平。

本文主要設(shè)計一種低功耗、多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀，可監(jiān)測溫度、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)測儀的硬件設(shè)計

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

1.1溫濕度檢測電路

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

1.2差壓檢測電路

緊急避險設(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，對應(yīng)量程為為-2000～2000Pa。在實際設(shè)計中將該傳感器一端與艙外環(huán)境接通，當(dāng)差壓為0Pa時，對應(yīng)輸出電壓為2.50V ;當(dāng)差壓為2000Pa時，對應(yīng)輸出電壓為4.00V，電壓信號輸入到主控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、電流保護和失效保護功能的收發(fā)器芯片;接口信號電平低，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)動器擺率不受限制，可以實現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率;采用平衡驅(qū)動器和差分接收器組合方式，抗共模干擾能力強。

1.4其它電路

多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀需要檢測8個參數(shù)，故設(shè)計采用分時循環(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 4個IO口負責(zé)數(shù)碼管的選通，由P4端的全部8個IO口通過芯片ULN2803A驅(qū)動數(shù)碼管相應(yīng)段點亮，用于顯示數(shù)值。8個參數(shù)有“%”、“ppm”、“℃”、“Pa”4個單位名稱，參數(shù)名稱和單位名稱采用綠色高亮LED點亮，共需要12個LED燈的選通點亮，單片機P1.0-1.5口通過4-16譯碼器CD4514進行LED燈的選通，并通過2片ULN2803A進行驅(qū)動。紅外遙控采用HS0038A2紅外接收頭，配合FYF6遙控發(fā)送器對多參數(shù)進行的參數(shù)（零點、校準點、報警點等）進行配置。

2　結(jié)語

本文介紹的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀采用本安電路設(shè)計，可以測量多種氣體的含量和環(huán)境溫度、濕度、差壓參數(shù)，在緊急避險設(shè)施內(nèi)，可以用于避險空間內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測，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)試驗測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中，搭配DXBL1440/24X（A）隔爆型鋰離子蓄電池電源，最長連續(xù)不間斷工作了106.5小時，完全滿足緊急避險系統(tǒng)的安全防護時間的要求，監(jiān)測期間數(shù)據(jù)準確、穩(wěn)定，并將數(shù)據(jù)上傳到試驗環(huán)境外的監(jiān)測室內(nèi)。綜合表明，該多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀滿足緊急避險設(shè)施內(nèi)各環(huán)境參數(shù)監(jiān)測需求，保障了避險環(huán)境的健康安全性。

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【作者簡介】

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。