基于單片機程序的二氧化碳檢測儀主程序開發(fā)方案

        二氧化碳檢測儀在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)境保護等都有著重要意義。采用單片機進行二氧化碳濃度檢測、顯示、實時控制能夠提高生產效率、節(jié)約能源。另外在工業(yè)現場,往往需要完成信號的長線傳輸,如果傳輸的信號是電壓信號,傳輸線會受到噪聲的干擾,傳輸線的分布電阻會產生電壓降,為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響,考慮用電流來傳輸信號,因為電流對噪聲并不敏感。為此,對本文介紹一種利用MSP430F169 單片控制的二氧化碳檢測系統(tǒng),并帶有三線制4~20mA 電流輸出,還可以用標準的Modbus 協議與上位機通訊。

1 系統(tǒng)的硬件設計
       圖1 是該系統(tǒng)的框圖。單片機通過串行通訊口讀取二氧化碳傳感器送來的信號(濃度值),經過內部處理后用LCD 顯示,同時轉化為相應的4~20mA 電流輸出, 或者將二氧化碳濃度值通過RS485 串口送到上位機。同時單片機將采樣到的信號與系統(tǒng)設定的報警點比較,控制相應的繼電器的吸合。另外還可以用按鍵或者上位機軟件通過RS485 串口修改系統(tǒng)參數:海拔、報警點、通訊地址、通訊波特率、ABC 邏輯、密碼、輸出電流標定。
1.1 CPU 及其外圍電路接口
       為了最大限度地利用單片機端口和片內外設并降低設計成本,本系統(tǒng)選用MSP430F169。該單片機具有極低的功耗、強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便高效的開發(fā)方式等特點。它有兩個16 位定時器,內置一個12 位AD 轉換器和一個雙12 位DA 轉換器,兩個串行通訊接口,60KB 的FLASH,完全滿足于本系統(tǒng)的需要。CPU 采用內部1MHz 晶振。單片機通過SPI 模式控制LCD的工作, 通過外部中斷來識別四個按鍵的狀態(tài)。單片機的P6.2口和P6.3 口分別控制兩路繼電器的吸合。另外分別用單片機的兩個串口與二氧化碳傳感器和485 通信通信。
1.2 傳感器電路
       本設計采用美國Telaire 公司生產的紅外吸收型傳感器6004。該傳感器利用非分光紅外(NDIR)原理檢測二氧化碳濃度,由一個鍍金封裝的光學系統(tǒng)和其它嚴格篩選的信號放大和處理元器件組成。其測量范圍為:0~5000ppm;測量精度:在22℃時與工廠標準氣體相比誤差約±40ppm 或者讀數的3%;響應時間:小于2 分鐘即可達典型階躍變化的90%;信號變化周期:每2 秒鐘。最高功耗為150mA,平均功耗30mA。6004 傳感器模塊有下面兩種輸出方式: 模擬量輸出:0~4VDC;數字口口:SPI/Microwire 或者UART(9600bps),它有相應的通訊協議。目前市場上大部分產品都是檢測模擬輸出信號,信號處理簡單。這里考慮到數字輸出比模擬輸出精度高并且抗干擾性好,本設計采用UART 接口來讀取傳感器輸出的數字信號。由于6004 與MSP430F169 的電平不兼容, 將6004 的串行輸出端(TDX)通過電阻分壓接到MSP430F169 的P3.7(URXD1)口,6004的串行輸入端(RDX)經過一個高速光耦芯片HCPL0631 升壓接到MSP430F169 的P3.6 (UTXD1)口。具體電路見圖2。

1.3 三線制電流輸出模塊4~20mA 電流環(huán)有兩種類型:二線制和三線制。本系統(tǒng)采用三線制。如圖3 是一個V-I 轉化電路,提供一路三線制4~20mA的電流輸出。圖中U4 使用的是TLE2022 運放,這是一款精密、高速、低功耗的運算放大器,與類似的器件相比,它在單位增益帶寬和斜升率方面作了很大的改進, 該器件即使在溫度發(fā)生變化和使用了許多年的情況下仍能保持高精度。這里用+24V 和-5V 的電源對TLE2022 供電, 采用負電源供電能讓運放輸出比較寬的控制電壓,保證運放能輸出0V 電壓,因為有些運放輸出0V 時在供電正時,不能輸出0V,總是高1 到2 伏。并且運放也能接收負壓信號輸入,尤其是交流電壓信號。該電路在保證V-I 變換精度高的同時,顯著提高了抗負載變化能力。分析電路可知:所以為了獲得4~20mA 的輸出電流, 經單片機DA 轉換輸出的電壓控制在0.2~1V1.4 RS485 通訊模塊通訊模塊實現了單片機與上位機之間長距離數據通訊。系統(tǒng)直接通過單片機的USART0 與MAX3485 芯片通訊,按照標準的MODBUS 協議與上位機進行通訊。如圖4,MAX3485 的串行輸出端(TXD485)接到MSP430F169 的P3.4(UTXD0)口,串行輸入端(RXD485)接到MSP430F169 的P3.5(URXD0)口。MSP430F169的P6.4 口與KCOM,用于使能MAX3485 串行輸入輸出。

3 軟件設計
     本系統(tǒng)程序用C 語言編寫,圖5 是主程序流程圖。
3.1 單片機與6004 之間的通訊
      單片機與6004 之間采用Telaire 特定的通訊協議。它們之間的主要操作就是讀6004 狀態(tài),讀CO2 濃度值,設置海拔高度,設置ABC 邏輯。系統(tǒng)上電后,讀6004 的狀態(tài),直到讀到6004 預熱完畢,才能開始讀傳感器的濃度值,每2S 讀一次。

3.2 單片機與485 之間的通訊
      單片機與485 之間采用標準的MODBUS 協議進行通訊,主要完成讀取CO2 濃度、讀報警點狀態(tài)、讀繼電器狀態(tài),修改系統(tǒng)參數。Modbus 分為兩種傳輸模式:ASCII 和RTU。這里選用RTU傳輸模式,這種方式的主要優(yōu)點是:在同樣的波特率下,可以比ASCII 方式傳送更多的數據。
4 結束語
      本系統(tǒng)測量準確、有好的人機界面,操作智能化,系統(tǒng)運行可靠,可廣泛的應用于商用樓宇控制、空調管理、智能化住宅、商場、賓館,體育館,電影院、機場,網吧,溫室農業(yè)大棚等等場合。本文作者創(chuàng)新點:選用了紅外吸收型傳感器,讀取它的數字輸出信號,精度高且抗干擾性好。采用了一種新穎的三線制電流輸出電路,該電路精度高,抗負載變化能力強。采用標準的MODBUS 協議與上位機通訊.

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