基于MSP430的便携式多参数气体检测仪

权 洁 熊书敏 孙晓东 余 谦

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

在金属非金属矿山的掘进爆破作业中会产生大量的有毒有害气体，受井下通风条件所限，这些气体会对现场施工人员的身体健康造成严重危害。为此国家安全监管总局下发了《关于开展金属非金属地下矿山防中毒窒息专项整治的通知》，要求进入采掘面的施工人员必须配备气体检测装置[1]。

目前市场上的便携式气体检测仪大多只能检测单一气体，部分能够检测多种气体的检测仪也不具备NO2气体的检测功能，为此天地(常州)自动化股份有限公司组织技术人员基于MSP430单片机设计了便携式多参数气体浓度检测报警仪，能够更好地保证金属非金属矿山施工人员的人身安全。

1 检测仪的电路构成①

便携式多参数气体检测系统的电路构成如图1所示，电源电路模块包括全封闭电子开关、欠压自动关机电路和电压变换电路；数据采集电路模块包括CO、O2、 H2S 和NO2检测与信号处理电路和电池电压检测电路；数据处理模块包括CPU及时钟等；数据存储和传输模块包括蓝牙电路等；外围电路模块包括按键、显示和声光报警电路。

图1 多参数气体检测系统电路构成框图

2 工作原理

检测仪以MSP430单片机为核心，由传感器、信号处理模块、A/D转换模块及声光报警模块等组成，工作流程如图2所示。

传感元件是感知环境空气中某种气体及其浓度的器件，可将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号。天地(常州)自动化股份有限公司设计的气体多参数检测仪采用电化学式传感器对环境空气中的CO、O2、 H2S 和NO2进行检测，检测信号经放大、变换后由单片机进行信号处理，将处理后的浓度值通过显示电路在显示屏上显示实现人机交互；同时将浓度值与设定的报警值进行超限比较，当检测到的气体浓度值超出设定的报警阈值时，给出声光报警信号。电源一般采用锂离子电池。

图2 多参数气体检测仪工作流程

经过调研了解，矿方对多参数气体浓度检测仪的基本参数要求见表1。

表1 多参数气体检测仪基本参数

注：O2的浓度是体积浓度。

根据以上参数，该检测仪通过软件与硬件结合的方式实现相应的目标功能。

3 硬件电路

检测仪的硬件电路包括主电路和采集电路部分，主电路部分主要实现信号数据的处理、超限报警、本地数据存储查看及无线数据传输等功能；采集电路部分主要实现信号的采集和信号的转换。

3.1 主电路

主电路主要由以下部分组成：

a. 电源管理电路。提供工作电压和参考电压，电池采用可充电锂离子电池。

b. 开关机电路。提供电子开关，实现检测仪的软关机。

c. 充电电路。采用圆孔充电插头，直接对供电电池进行充电，并实现检测仪充满电后自动断电的功能。

d. 电池电压检测电路。检测电池电压。

e. CPU模块电路。负责信号处理，该检测仪选用的MSP430单片机具有16位总线的带Flash，支持8M 的时钟，适应工业级的运行环境，另外配置有时钟芯片及存储芯片等，具有高可靠性和低功耗的优点；另外采用DS18B20温度传感器实现温度的采集，采用蓝牙模块与PC机进行通信，实现数据的传输和打印。其中CPU模块电路、温度采集电路和蓝牙模块的电路如图3所示。

图3 检测仪的部分主电路

3.2 采集电路

以CO传感器采集电路的设计为例，说明采集电路的设计方案。CO传感器采集电路如图4所示。

图4 CO传感器采集电路

CO传感器采集电路共分为4个部分：

a. 恒定电压。主要包括三电极电化学CO传感器，该传感器响应时间短、线性度好、使用温度范围宽、灵敏度高，其检测范围最大可达2‰。

b. 两级放大。被测气体进入传感器，在恒电位环境下进行氧化还原反应，并将浓度变化转换成相应的电流输出。

c. 参考电压。为恒定电压和两级运放部分提供参考电压。

d. 电压跟随器。CO传感器电路中接入电压跟随器来提高电路性能，电压跟随器的输入电压与输出电压和相位一样，电压跟随器的输入阻抗很大，输出阻抗小，可以看成是一个阻抗转换电路，可以提高原电路的带负载能力[1～3]。

其他3种采集电路和CO传感器电路的结构相同，只是NO2电路的R、W极性相反，这是因为在敏感电极上氧化的气体线路的输出为正(如CO、H2S、SO2及H2等)，而对那些在敏感电极上还原的气体则输出为负(如NO2及O3等)。

4 系统软件

系统软件采用C语言编写。上位机软件主要是对上传的数据进行读取并按数据采集时间顺序存储、显示并具有打印功能；下位机软件采用模块化方式编写，结合硬件实现采集数据精度的要求、报警参数的设置及参数标定等功能，界面具有电池电量显示、报警标志显示、可视化人机交互对应按键操作等，还实现了手动数据存储及查看等功能[4]。系统软件的设计流程如图5所示。

图5 检测仪的系统软件流程

5 结束语

天地(常州)自动化股份有限公司研制的便携式多参数气体浓度检测仪，充分利用了MSP430单片机高性能低功耗的内核及其片内丰富的外设资源，检测精度高、稳定性好，既可在固定检测点检测，也可随身携带。本检测仪体积小、携带方便、灵敏度高，能同时对CO、O2、H2S和NO24种气体浓度进行检测，为井下作业人员提供了安全保障，特别适宜在金属、非金属矿山作业现场使用。

[1] 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.

[2] 周晓红.基于ARM的矿用便携式多参数气体检测仪的设计[J].电子技术,2014,41(7):75～78.

[3] 陈文礼.便携式多气体检测仪设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2013,13(10):54～56.

[4] 唐文涛.基于MSP430单片机的H2S检测仪的设计[J].荆楚理工学院学报,2014,29(8):49～53.