基于MSP430单片机的H2S检测仪的设计

唐文涛

(荆楚理工学院 电子信息工程学院，湖北 荆门 448000)

基于MSP430单片机的H2S检测仪的设计

唐文涛

(荆楚理工学院 电子信息工程学院，湖北 荆门 448000)

设计了一套基于MSP430系列单片机的低功耗泵吸式H2S气体检测装置。其通过H2S电化学传感器与H2S气体发生化学反应，产生大小与气体浓度成线性比例的电流，将该电流进行二级放大，放大信号送入单片机进行实时处理，通过12864液晶模块显示当前的浓度，并实现声光报警功能。MSP430F149单片机功耗低、功能完善，电化学传感器反应迅速、状态稳定，能较好的实现H2S检测仪的设计。

气体检测；MSP430；运放电路

0 引言

在工业及农业生产中，浓度很低的H2S气体也会产生恶臭，高浓度的H2S对人和畜都有害[1]。因而要对H2S气体进行实时检测，来控制H2S的浓度。本文所设计的H2S检测仪，采用TI公司的单片机MSP430F149进行系统开发，该芯片内置外围功能模块，具有功耗低、资源丰富、性能稳定的特点。以该单片机为核心进行H2S检测仪的设计，可实现气体浓度的检测和显示，完成对相关生产环境的控制，保证人员与牲畜的健康。

1 系统总体设计

本设计中的H2S气体检测仪以单片机MSP430F149为控制核心，主要由按键模块、H2S传感器模块、信号调理模块、显示模块、报警模块等构成。系统总体设计结构图如图1所示。

图1 系统总体设计结构图

传感器实时检测H2S气体浓度，输出电流信号，再经信号调理电路输出电压信号，使用A / D转换采样其输出信号，数据送入微处理器处理后，由12864液晶模块显示H2S气体的浓度值，并且用户可通过按键设置检测仪的报警值，当气体浓度超过报警值时，微控制器控制报警电路进行声光报警[2]，提醒用户H2S气体浓度超限，需要及时通风换气。

2 系统硬件设计

系统硬件主要由MSP430F149单片机最小控制系统、按键模块、H2S传感器模块、信号调理模块、12864液晶显示模块、声光报警模块及电源模块等构成。

2.1 单片机模块

MSP430系列单片机采用的是冯诺依曼结构，主要包含16位的RISC结构的CPU、存储器、外围模块、灵活的时钟系统以及连接它们的数据总线和地址总线。MSP430F149具有超低功耗结构，RAM保持方式下电流为0.1 μA；等待方式时，电流为0.8 μA；活动状态时，电流仅为250 μA/MIPS。系统内部集成12位200 ksps的A/D转换器，自带采样保持功能。16位的RISC中央处理器，125 ns指令周期，可以较少的代码空间实现高性能的应用。

复位电路选用阻容复位电路。MSP430单片机上电后保持RST/NMI端口为高电平。在单片机RST/NMI管脚接10 k上拉电阻，0.1 μF的电容可以使复位可靠性更高。若系统断电后立即上电，电容中的电荷通过二极管释放电荷，保证复位[3]。

12864液晶显示器采用ST7920控制器，3.3 V电压驱动，通过滑动变阻器调节液晶显示对比度。MSP430F149最小系统及液晶显示电路如图2所示。

图2 MSP430F149最小系统及液晶显示电路

2.2 气体传感器模块

气体传感器种类多样，工业上常用的有红外、催化燃烧式、电化学、半导体、平面等气体传感器[4]。本设计采用H2S-A1型H2S三电极电化学传感器，由Alphasense公司生产，其性能参数如下：测量范围：0～100 ppm；输出电流：550～875 nA/ppm；最小分辨率：0.05 ppm；响应时间：小于25 s；无需偏置电压。

2.2.1 传感器标定原理

电化学传感器在工作过程中，使受监测气体在其内发生化学反应，由此产生大小与气体浓度成比例的电流。由于传感器产生的电流为纳安级，加上一部分噪声影响，所以对该电流进行实时测量显得非常不易。在本设计中，通过二级运放将该纳安级电流放大为毫安级电流来处理，同时选定一定浓度的标准气体，采用自然扩散法对气体进行检测，得到浓度与电流的对应关系，从而得到浓度的标定。标准气体选用H2S标准气体，气体采用铝合金气瓶盛装。气体浓度标准值80.5 ppm，气体充装压力10±0.5 MPa，使用压力下限0.1 Mpa，组分含量的相对扩展不确定度为5%，平衡气体为N2。

2.2.2 传感器及信号调理电路

该传感器电极分别是工作电极、计数电极和参考电极。工作电极(WE)主要是对目标气体做出反应，产生与气体浓度成正比例的电流；参考电极(RE)采用恒电位电路，使用该电极使工作电极处于固定的电位；计数电极(CE)是在工作电极还原或氧化时与工作电极构成一个回路。气体传感器及信号调理电路如图3所示。该电路有两个功能：检测来自传感器工作电极的电流信号和恒定的固定工作电极电位[5]。OP296型集成运放U1B和P型JEFT Q1构成恒电位电路，U1B有两个功能：向计数电极提供电流以保持与工作电极之间的平衡及向工作电极提供电流使其电压与参考电极保持一致；Q1 作为开关使用：通电时Q1 处于高增益工作状态，断电时Q1 源极和漏极导通使得工作电极和参考电极发生短路并具有相同的电位，避免电路无电源时传感器发生极化。电路的稳定性及干扰处理取决于R6、R7及C2，R6、R7取值10 k，C2取值100 nF。

图3 气体传感器及信号调理电路

U1A和R1、R2组成一级运放电路，R1和传感器内部电容并联的方式建立RC回路，这样可通过较低R1阻抗值达到最快的响应时间，U1A为OP296放大器，通过R2将流向传感器的电流信号进行放大后转换为电压信号。放大倍数为1 000倍。

由于电路本身的低阻抗，采用由低干扰电流的运算放大器U2和C1、R3、R4、R5组成的二级运放电路，实现电压放大及低频滤波功能。电压通带放大倍数为AUP=-R4/R3=-9.32，通带截止频率fo=1/2π(R4+ R5)C1=33.56 Hz。二级运放电路在实现电压放大的同时，能有效的实现低频滤波功能。

2.2.3 传感器及信号调理电路测试结果

实验采用浓度分别为80.5 ppm的H2S标准气体，在通风橱中进行，H2S气体流量为500 mL/s。H2S检测仪正常启动后，将流量为500 mL/s的H2S气体对准H2S传感器，待显示数值稳定后记录数据，完成1次测量后撤除H2S气体，10 min后再进行下一次测量，如此经过多次测量，输出电压值均稳定在48.8 mv，计算表明，流过传感器的电流值稳定在650 nA。

由于该传感器输出电流参数为550～875 nA/ppm，通过对该电路进行测试，结果表明输出电流实际值在传感器给出的参数范围内，符合实际要求，因而可选择实际输出电流为650 nA/ppm。

2.3 报警电路

系统的报警通过蜂鸣器鸣叫和LED闪烁来实现。报警模块电路如图4所示，当输入口P3.2为高电平时，三极管达到饱和状态，蜂鸣器鸣响；当输入口P3.3为低电平时，LED发光。由此实现系统的声光报警功能[6]。

图4 报警模块电路

2.4 电源供给

MSP430单片机工作电压为1.8～3.6 V，传感器及信号调理电路中集成运放OP296及OP90需要±3 V电压供电，报警电路工作电压为+6 V，考虑到电路的整体设计及工频对小信号的干扰，供电采用干电池供电，可以满足供电的要求。

3 系统软件设计

软件设计采用模块化设计方法，编程语言选用C语言来实现[7]。系统程序流程图如图5所示，分模块实现AD采样、数据处理、显示控制和报警控制等功能。系统程序设计为闭合循环系统，通过调用相应的函数，实现相关操作。

图5 系统程序流程图

检测仪运行开始即进行系统初始化操作并等待5 min，待传感器工作稳定后置于标准大气中进行校准，稳定后再置于待测环境中，检测仪开始检测工作。检测仪通过MSP430单片机内部的12位ADC采集传感器及信号调理电路输出电流信号，利用该电流值和H2S浓度的线性关系，得到H2S浓度值，最后由12864液晶模块进行显示，当H2S浓度值大于预设报警值时进行声光报警。

4 结语

在基于MSP430系列单片机的低功耗泵吸式H2S检测仪的设计中， H2S气体与传感器发生化学反应，产生了大小与气体浓度成线性比例的小电流，该电流经过恒势电路信号调理以后，输出电流的大小能精确反映出气体浓度。本检测仪软硬件均采用模块化设计，为设备调试、维护及技术更新提供了便利。通过调试后，检测仪的数据采集高效，时序控制稳定，系统工作性能可靠，整体设计达到要求。

[1] 周益明,杨祥龙,王华,等.畜禽舍硫化氢检测方法的研究现状[J].农机化研究,2008(4):186-190．

[2] 朱亮,严龙,邹兵,等.便携式硫化氢检测仪[J].仪表技术与传感器,2011(3):31-33．

[3] 沈建华,杨艳琴,翟晓曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004．

[4] 周鹏辉,汪献忠,薛妤.基于MSP430的便携式四合一气体检测仪[J].仪表技术与传感器,2012(11):77-79．

[5] 蔡勇,王太宏,邓积微,等.基于MSP430的硫化氢监测系统[J].微计算机信息,2010,26(32):14-15．

[6] 唐文涛,申庆祥,刘占伟.养殖场环境下基于MSP430单片机的CO2检测仪的设计[J].现代电子技术,2014,37(4):125-128.

[7] 谢楷,赵建.MSP430系列单片机系统工程设计与实践[M].北京:机械工业出版社,2009．

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荆楚理工学院学报编辑部

2014-07-05

荆门市科技计划项目(2012G05)；荆楚理工学院校级科研项目(ZR201102)；湖北省高等学校青年教师深入企业行动计划项目(XD2014365)

唐文涛(1982-)，男，湖北荆门人，荆楚理工学院讲师，硕士。研究方向：智能信号处理与电子系统设计。

TP216.1

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1008-4657(2014)04-0047-05

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