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基于低功率MSP430F149

单片机的煤气监测系统的设计与研究

陈宇

郑州航空工业管理学院，郑州450015，中国

摘要

本文设计一种基于单片机和无线通信等技术的煤气监测和控制系统。该系统通过LXY-3煤气传感器实现煤气浓度采集。单片机MSP430F149作为核心控制器分析和处理数据。无线收发器nRF401实现现场监控和检测设备之间的数据通信。并且主要的控制器通过MAX232接口与检测设备连接。本文详细地描述了系统结构,硬件和软件设计部分的内容。实验表明，在煤气浓度为0～5%时系统监控误差小于plusmn;0.3%，煤气浓度监测和报警设计按预期要求。

1. 介绍

煤气和煤矿开采有关。有时煤矿开采中有毒气体污染空气这是不正当的。其主体是甲烷,煤气80%以上都是甲烷在我们的煤矿安全事故中,瓦斯爆炸造成的伤亡人数是所有重工事故的50%以上^[1]。渐渐地,安全问题已经成为了一个急需解决的问题。煤气的浓度为3.5% ～ 16%时,遇到明火就会发生爆炸。矿井瓦斯灾害直接威胁井下人员的生命，毁坏矿井装置导致煤矿停止运行，并且增加巨大的人力和物力矿区应急救援^[2]。因此，在煤矿的安全生产系统中煤气的实时监测似乎更为重要。为了实现动态和连续不断的检测,一个高性能的智能无线煤气浓度检测系统是不必要的。目前,检测煤气浓度的方法包括光波干涉、气敏半导体、催化剂载体、电化学、红外吸收等^[3]。本系统选择LXK系列的催化传感器。通过无线传输芯片实现数据传输。本系统选择LXK系列的催化传感器。通过无线传输芯片实现数据传输。

1. 系统的设计原理

因为煤矿开采是在地下进行的。现场设备很难维护。所以,我们选择低功耗、高稳定性的芯片。有很多种低功耗的单片机;TI的MSP430系列具有良好的应用效果和高性价比,因此受到工程师的关注。MSP430系列的CPU工作电压为1.8 v ～ 3.6 v。并且有一种活跃模式(AM)和5种低功耗模式（LPM0-LPM4）。工作电流是很小的。本系统采用LPM3的工作模式。当时钟关闭的时候最小电流只有0.8mu;A。MSP430系列的单片机可以在各种工作模式之间灵活转换。中断没有发生时它处于低功耗状态。但是当事故发生时，中断会以6mu;s的频率使得CPU工作，当事故结束时，CPU将处于低功耗状态^[4]。

选择MSP430系列的MSP430F149作为终端监控设备的核心控制单元来控制和处理数据。地下采集时间间隔为125ms。在两次数据采集之间，单片机的CPU处于低功耗状态。但是当中断发生时,单片机将退出低功耗模式来检查浓度和显示器。检测结束后,它会自动返回到低功耗状态。系统由终端检测装置、巡检设备和控制计算机组成。地下终端检测装置包括MSP430F149单片机、LXK-3煤气检测传感器、AT24C256存储器、CPU启动电池、nRF401无线收发芯片、显示和报警电路等。系统原理图如图1所示。

图1 系统结构框图

根据地理位置分布,数据采集是通过在地下不同站点处设置气体浓度检测装置来实现的。每个数据采集接口单元都是通过无线通信来连接巡检设备。煤气浓度数据是通过与检测设备的连接而获得的。煤气浓度数据的显示与超标警报也实现了。此外，当工作人员检查一些搁浅位置的煤气浓度，指定站点的终端装置会立刻启动。通过无线传输来完成浓度数据的显示和近期历史数据的记载。并且主控制器是通过MAX232接口来连接巡检设备。控制计算机可以显示气体浓度的历史趋势。

1. 硬件电路的设计

系统的硬件电路由终端检测装置、巡检设备和控制计算机组成。其中,终端检测装置是系统设计的一个重点。

3.1.信号检测放大电路

该系统通过LXY-3煤气传感器实现浓度的收集。元件序列是一种宽带煤气传感器并且它能够适应一些可燃气体的检测和报警，如天然气、液化石油气、城市煤气。微分输出电压反映了气体浓度的起伏变化。LXK-3的输出电压范围为-50～ 50 mv。AD623是单电源集成的测量放大器。当R3的电阻值为2.56kOmega;，获得的增益为40。当REF接口增加到2.8V，相关的电压为0.8～4.8 V。煤气浓度信号检测放大电路如图2所示。

图2 信号监控和放大电路

所采集的信号经过放大后被发送到MSP430F149的内部作为ADC12采样模块。ADC12有十二个采样通道(A0 ～A11)。测到的信号发送至A1。VD是采样和转换的参考电压并且由电源TL431提供稳定的电压。

3.2. LCD电路

目前,显示器的接口包括数码显示器,液晶显示器。液晶有一些优点,如体积小,功耗低,重量轻。因此它被广泛用于各种智能仪表和低功耗电子产品。系统选择HT1620作为液晶显示模块。HT1620是一款显示段数为128(32times;4)的多功能LCD驱动器。HT1620的软件配置使得它能够使用LCD的各种应用程序，例如，LCD模块和显示子系统。并且它用3根线连接控制器，因此电路比较简单。MSP430F149和LCD模块之间的硬件接口电路如图3所示。

图3液晶显示器

接口是用来初始化串行接口电路和终止MSP430F149与HT1620之间通信。如果设为“1”,则关闭MSP430F149和HT1620之间的通信。然后开始初始化。在执行模式或转换模式，给个高电平就可以初始化HT1620的串行接口。DATA是I / O串口线。是写信号在上升沿,DATA的地址信号输入到HT1620。

3.3.时钟延时电路

在这个系统里选择飞利浦PCF8563电子元器件。低功耗CMOS实时时钟/PCF8563日历芯片可以提供一个可编程时钟输出,一个中断输出和电源故障检测。所有地址和数据都是通过Isup2;C总线串行传输。最大的总线速度为每秒400比特。读或写数据后,嵌入的地址寄存器将会自动产生增量。PCF8563和单片机之间的通信可以采用串行同步模式。只需要SCLK, SCL 和SDA 三个接口。振荡器是标准的32.768kHz石英晶体。CT电容器用于调节谐振频率，而且它的值决定了PCF8563的时钟精度。PCF8563由VDD来供电，且具有电源故障保护和重置的功能^[5]。延时电路的原理如图4所示。

图4 延时电路

在MSP430F179低功耗工作模式中，所有振荡器将停止工作并且所有功能都将处于睡眠状态。但它可以通过外部中断开始工作。本系统选择PCF8563时钟芯片可以最大限度地减少功耗。PCF8563能够在特定的时间输出中断信号。系统运行时,它给一个中断信号激活单片机处理数据,无线传输等等，是核心控制单元。

3.4.无线收发器电路

当终端控制装置接收到检测设备发出的信号，SCM通过无线通信模块从外部存储器和检测设备的结果来获得气体的浓度值。

该系统的无线通信模块是挪威Nordic 公司单片收发芯片nRF401(无线收发设备)。蓝牙技术的核心架构,在移频键控（FSK）调制类型中它的抗干扰能力是非常强的。工作频率稳定可靠并且外部组件少。所以它可以用来设计便携式产品。由于它的传输频率低,接收灵敏度高、载波频率值为ISM频段的433MHz。nRF401满足无线监管员的要求所以不需要特别的允许许可。nRF401可以从待机状态转化为常用状态或者从传输状态转化为接收状态^[6]。根据实际设计要求,nRF401的控制端口PWR_UP,CS,TXEN通过下拉电阻连接到单片机。所以,当SCM对应的端口是输入状态,由于下拉电阻,电路的损耗几乎为零。因为MSP430系列的单片机自带串行通信端口,所以它可以连接到nRF401的收发器电路。不需要进行电平转换。MSP430F149的P3.1为控制信号。射频模块的工作频带是通过nRF401的串行外围设备的CS接口来设定的。此外,通过调节RF_PWR端口偏置电阻R5,可以调节辐射功率。最大辐射功率可以达到 10dBm。同时,芯片的VCO电路需要与值为22nH的电感进行外部连接，在这里电感起至关重要的作用。Qgt;433MHz，精度是2%。无线收发器原理如图5所示。

检查设备的结构和每个检测装置的无线收发单元是一样的。无线接口设计成环形天线的形式，体积小、成本低、可以直接制成PCB板。非常适合那种便携式和低功耗产品。

图5 无线收发器电路

3.5.数据存储器

地下煤气事件总是预测不了的。因此,定期检测气体浓度变得非常重要。但是高频地采集数据似乎也是不需要的。检查频率太高的话，如果芯片的内存空间不够,下面将会造成人力资源的浪费。另一方面,如果内存空间足够大,系统和设备的功耗也将会增加。该系统选择ATMEL公司的AT24C256作为数据存储的核心单元^[7]。端口SDA、SDL和WP通过上拉电阻分别与MSP430F149的P1.5～P1.7连接。MSP430F149通过P1.7来控制写保护开关。原理如图6所示。

图6 数据存储器单元

当P1.7为输入状态时,WP为高水平,因为上拉电阻和当前的功耗接近于0。当前的损耗近似为0.3mA。P当写结束时P1.7端口会再次变为输入状态并且为AT24C256执行写保护。

3.6.看门狗电路

看门狗是避免死循环的最有效措施。在该系统中,集成电路DS1232的性能可靠,价格低,功耗低,因此被用作复位芯片^[8]。它能够停止或重启SCM，关闭的时候也可以自动复位。电源监控器的精度为5%～10%，特点是可以自动复位。也就是说,当复位输出被激活时,一段时间后重置将会失效。看门狗电路如图7所示。

图7 看门狗硬件电路

因为MSP430F149需要低电平复位，但是DS1232内部接口6没有上拉电阻，所以，外部上拉电阻R8可以连接它以确保它常规是高电平。在强电场中单片机的复位端口的峰值电压将会受干扰。所以,它可能会改变一些寄存器的状态。因此,一个0.1uF去耦电容连接到RST端口。看门狗的时间间隔有三种。当TD端接地时,是150 ms。当TD端搁置时,是600ms。当TD端接电源时,是1.2s。

3.7.CP串行接口

RS-232是一种串行异步通信的接口标准。目前,最常见的是COM端口。因为电气接口的定义不同,所以RS-232不能直接连到MSP430F149。选择Maxim的电平转换芯片MAX3221E（3～5.5V）来实现SCM和RS-232之间的PWL兼容性。MAX3221E的工作电压是 3.3 V。电平开关由外部电容C12 、C13、C14和C15来完成。电路原理如图8所示。

图8 MAX232 接口

DB9采用三线制传输数据。SCM的数据输出端口UTXD和输入端口URXD分别与MAX3221E的输入端口T11N和输出端口R1OUT连接。RS-232的接收端口2和传输端口3分别连接到MAX3221E的输出端口T1OUT和输入端口R1IN。

1. 软件设计

MSP430的嵌入式系统开发工具IAR是一个基于C语言的开发环境和调试器。该系统的软件设计基于这个平台。使用C语言而不是汇编语言，这样可以大大提高软件的工作效率和可靠性,增强程序代码的可读性和可移植性。系统初始化模块,电脑显示器模块,数据显示模块,通信模块,PC报警模块、输入模块、报表模块等的软件设计是由PC的控制软件VC 7.0和LabVIEW8.5的虚拟软件来实现的。主程序流程如图9所示。

图9 主程序进程

为了保证该系统的低功耗,在软件设计中,主要是通过中断定时器USART1来中断单片机MSP43OF149。所以，CPU不间断地连接 I/O所产生的额外功耗是可以避免的。终端检测装置测量当前的煤气浓度。传感器的电压值是每125毫秒采集一次。在两次采集之间，SCM处于休眠状态。当中断发生的时候，单片机将退出低功耗模式，开始测量煤气的浓度并且显示它。当检测完成后,它会自动地返回到低功耗状态。

1. 实验和总结

检测设备和监控终端之间数据通信的准确度是非常高的。终端信号的覆盖半径可以达到20 ～30米。为了检测系统的准确性和可靠性，我们设置传感器的探测浓度为0 ～4%。当室温为25ordm;C和相对湿度为0%RH,测的精度小于plusmn;0.3%。并且实时性很好。检测数据的漂移在误差范围内。检测数据如表1所示。

表1 实验数据

系统尽可能地避免传统电缆分布系统的滥用，并且缩短电缆分布。所以节省了安装成本。无线模块可以从地面上发送检测到的煤气浓度信息发送给监控设备。接着，她被发送到控制中心以便随时了解地下煤气浓度。在实验中检测了系统的检测精度和准确性。硬件简单,测量精度高,很方便扩展,并且比较容易实现多情境检测或远距离的检测和传输。通过每个监控设备的监控和高效地传输可以避免人员的伤亡。它对于安全开采具有重要意义,拥有广阔的应用前景。此外，温湿度的检测可以自动清零。因此,气体浓度的检测精度进一步提高。

参考文献

[1] Wang Rulin (1998). “Sensor technolo

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