摘 要： 在分析公共场合空气质量的基础上，研究开发了一款以MSP430为核心的气体检测仪。介绍了该系统的硬件电路实现方法。该系统以低功耗MSP430F2252单片机为核心，选择高精密传感探头，多种传感探头协同工作，可完成多种污染源的检测；对检测电路、信号处理电路以及反馈电路进行了设计和改造；系统检测的数据可通过液晶显示，通过存储电路存储及查询，数据超限时还可通过报警电路声光报警。经实验验证，系统具有低功耗、数据精确可靠、性能稳定、方便携带以及价格低廉等优点。
关键词： 声光报警； 检测电路； MSP430F2252； 存储电路
中图分类号：TP312 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）10-27-03
Air quality multi-parameter detector hardware circuit design
Huang Rui
（Hanghzou vocational & technical college， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）
Abstract： Based on the analysis of air quality in public places， a gas detector which takes MSP430 as the core is designed. The hardware circuit implementation is introduced in this paper. The system takes low power MSP430F2252 micro-controller as the core， chooses a high-precision sensing probe and plenty of sensing probes work together to detect a variety of sources. The detection circuit， the signal processing circuit and a feedback circuit are designed and optimized. System data can be detected by a liquid crystal display， store and query by storing circuit. Data can be overrun by the alarm sound and light alarm circuit. The test shows that the system has low power consumption， with accurate and reliable data， stable performance， low cost and is easy to carry.
Key words： sound and light alarm； detection circuit； MSP430F2252； memory circuit
0 引言
目前市场上大多数的空气质量检测仪都是单一参数的。为数不多的几款多参数气体检测仪基本都是国外进口的，价格昂贵，性能不稳定，不适合广泛使用；而且目前大多数检测仪都是针对特殊环境的。为此研究开发了一款以MSP430为核心的气体检测仪，以室内公共场所为主要检测对象，可以同时检测人居环境中多种有害气体和辐射。该成果可用于室内公共场所的环境检测，还可以用于矿井以及一些工业环境的空气质量检测。
1 系统介绍
为提高环境监测的稳定性和精密性，本系统采用MPS430F2252作为中央处理单元。以国家标准（参考国际标准）的公共场合各类参数的允许范围为前提，分析各污染源的特点，选择有针对性的传感器，设计传感检测电路，以提高检测的敏感度。通过传感探头检测后得到的数据被传至中央处理单元后，根据不同的参数类型进行相应的算法处理，在算法处理上建立快速、高精度、宽范围数学模型，实时地把处理的结果通过液晶屏显示出来，并将数据记录存储下来，通过键盘设定相应的数据记录间隔和报警范围。系统还设计有反馈单元，通过反馈控制电路改善仪器的工作状态，提高仪器的稳定性。具体结构如图1所示。
[报警单元][反馈控
制单元][MSP430F2252＼&][和PC机的
USB通信][环境参数
检测数据][键盘输入][采样间隔][报警设置][测量结果记录、
LCD显示等]
图1 整机控制部分结构图
2 环境参数采集电路设计
2.1 甲烷和二氧化碳的采集电路
本设计的甲烷和二氧化碳检测采用高性能二合一的红外甲烷/二氧化碳传感器 MSH-DP-HC/CO2，该传感器具有良好的甲烷和二氧化碳线性输出。传感器连接电路如图2所示。传感调理电路采用仪表放大器电路，一端接传感探头，一端接数字电位器的中心抽头，通过调节数字电位器的步进数控制数字电位器的中心抽头电压，从而控制输入运放的差值电压。该传感器提供很好的灵活性，其输出具有以下选择：
⑴ 电压信号输出0.4V～2.0V的线性信号；
⑵ 数字输出，输出8数据位，1位停止位，1位无奇偶校验位。波特率可设置。
图2 甲烷和二氧化碳采集电路
2.2 一氧化碳信号采集电路
一氧化碳的检测选用CO-AF型电化学式传感器，该传感器利用恒电位电解法为基本原理，将化学能转化为电能，输出端产生电流，提供给外电路。当气体浓度变化时，输出的电流随之成正比例变化。电化学一氧化碳传感器设置有三个电极：工作电极、参考电极和对电极。电路如图3所示，CO-AF传感器信号调理电路采用两级放大模式，放大器采用2.8V供电，一级放大为负极放大电路，将电流信号转换为电压信号，二级放大为正极放大，经两级放大后电压在mV级，加电容C7阻止高频信号，通过电阻分压后，将电压信号输出。此电路可以将电化学式传感器CO-AF的微弱电流转化2.35～2.48V的电压输出信号，送至MCU的ADC单元进行模数转换，便于微处理器的处理。
图3 一氧化碳采集电路
2.3 温湿度采集电路
温湿度数据采集选用SHT15数字传感器，该传感器可以同时完成湿度和温度的数据采集。SHT15将温湿度传感探头、信号放大调理、A/D转换、串行数字通信接口电路、数字校准等全部模块集成在一块微形芯片上，无需外围元件就可直接输出经过标定的相对湿度和温度的数据。传感器能测量0～100%RH 范围的湿度、-40℃～123.8℃范围的温度，响应时间≤30s，在 2.4V～5.5V供电电压下工作，测量状态下功耗约3mW。SHT15的采集电路如图4所示，SHT15为从机，单片机为主机，通过I2C总线进行通信。具体电路设计中，SHT15需要3.3V供电电压，在电源与地之间接入0.1μF的去耦电容，时钟线和数据线各接一只200R的电阻，防止因电流过大损害器件。DATA为三态结构，用于读取传感器数据，为了避免在读取数据时发生冲突，在DATA端接入一只10K的上拉电阻，将其信号提拉至高电平。具体电路见图4。
图4 温湿度采集电路
3 报警、存储及主控电路
3.1 显示电路
检测仪采用LCD屏显示方式，实现一屏多显功能，达到了一目了然的效果。由于检测仪功能多，操作项目多，设计中使用160×160点阵LCD显示，显示屏采用YB160160A-COG型号，带白色背光，该屏采用UC1698驱动，工作电压为3.3V/5.0V，8位数据线D0～D7，并有复位、写、读、片选、数据控制端口，显示电路如图5所示。
图5 显示电路
3.2 声光报警电路
根据国家公共环境的各气体参数要求标准，在设计中根据参数的标准值设置气体报警范围。当参数超出标准值时，仪器仪表通过声和光两种途径报警，即蜂鸣器发出声响和红色 LED灯闪烁报警，同时相对应的气体读数值在显示屏上闪烁，提示是哪种气体超出标准值。报警电路如图6所示。若有参数超出标准值，PC6 端口置为高电平，驱动蜂鸣器和发光二极管D8工作，进行声光报警。
3.3 数据存储电路
为方便数据的记录及查询，设计中采用24lc512作为存储单元。该芯片由美国微芯科技公司生产的电擦写式只读存储器，其容量范围为512K，频率为400kHz，支持I2C串行接口，以x8位存储器块进行组合。低电压设计允许工作电压2.5-5.5V，待机电流和工作电流分别为1μA和1mA。容量为1千位，具有页写入能力。功能性地址线允许连接到同一条总线上的器件数目最多可达八个，具体电路如图7所示，本设计中使用了四个24lc512。
图6 声光报警电路
图7 数据存储接口电路
3.4 主控电路设计
本设计选择MSP430F2252芯片作为核心芯片， 该芯片是一款超低功率混合信号微控制器，此微控制器具有两个内置 16位定时器，一个通用串行通信接口，具有集成基准和数据传输控制器。MSP430 通过16位RISC构件、16位CPU整合寄存器以及常数发生器，实现了代码的最大效率。数字控制振动器（DSO）在低功率下能够唤醒设备到活动模式，响应时间不超过6us。在该系统中，P3.1，P3.2用于数据存储，P2.0～P2.4及P3.0用于气体及温湿度测量；TXD，RXD分别作为输入端和USB串口电路。
4 结束语
本文主要介绍了基于MSP430F2252多参数空气质量检测仪，系统集数据采集、显 示、处理、传输及控制于一身。该检测仪可以在现场进行显示、控制，或者经过简单的转换接入网络，将数据传送到远方监控室；可通过按键设置各种参数，也可以通过语音进行显示和控制；数据可以按需要设定报警范围；并且预 留有备用端口可以进行参数、种类的扩展，以适应不同具体场合下的要求。该仪器可以广泛应用于特殊需求工作环境以及人居公共场合，具有良好的市场前景。
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