基于单片机的多参数环境监测仪的设计

代羽　辽宁省本溪市计量测试所　辽宁本溪　117000



基于单片机的多参数环境监测仪的设计

代羽辽宁省本溪市计量测试所辽宁本溪117000

【文章摘要】

针对目前环境监测仪需要使用多台传感器导致布线繁琐、不便安装且功耗较大等问题，提出一种多参数环境监测仪设计方案。该多参数环境监测仪采用MSP430F169单片机，能采集环境中O2浓度、CO2浓度、CO浓度、CH4浓度、H2S浓度、差压及温湿度等信号，通过LED数码管显示，并具有声光报警、数据通信等功能。多种试验表明：该多参数环境监测仪功耗小、稳定性好、操作简单。

【关键词】

紧急避险；多参数；MSP430F169；低功耗

0　引言

据不完全统计，我国已经制定各类国家环境标准有400余项，涵盖了大气、土壤、水质、噪声、辐射、军工等领域，并且已经开展了环境质量监测、环境质量日报、周报预报监测;污染源监测;污染事故应急监测等。这种点多、面广、任务繁重的环境监测形势，急切需要提高环境监测的自动化水平。

本文主要设计一种低功耗、多参数环境监测仪，可监测温度、湿度、差压、CO2、O2、CO、CH4、H2S等环境参数。

1　多参数环境监测仪的硬件设计

多参数环境监测仪以TI公司的超低功耗芯片MSP430F169单片机为控制核心，主要由多路信号检测电路（包括温湿度检测电路、差压检测电路、CO检测电路、CO2检测电路、O2检测电路、CH4检测电路和H2S检测电路）、LED显示电路、声光报警电路、红外遥控电路和RS485通信电路等组成，

1.1温湿度检测电路

本设计采用瑞士Sensirion公司生产的SHT11单芯片传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器, 传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个 14 位的 A/D 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接,具有超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。该传感器可以检测温度范围-40～123.8℃，可以检测湿度范围0～100%RH,主控芯片可以直接通过I2C协议读取温度湿度数据，操作简便，且工作状态时最大功耗仅为3mW。

1.2差压检测电路

紧急避险设施内，需始终维持300～500Pa的正压，避免外界有害气体侵入。本设计采用的是Honeywell公司的ASDXL05D44D型压力传感器，该传感器输出电压范围为0.50～4.00V，对应量程为为-2000～2000Pa。在实际设计中将该传感器一端与舱外环境接通，当差压为0Pa时，对应输出电压为2.50V ;当差压为2000Pa时，对应输出电压为4.00V，电压信号输入到主控MCU的AD采样通道，根据线性关系就可得出当前避险设施内外的差压数据。

1.3RS485通信电路

用Maxim公司生产的低功耗MAX485接口芯片，该芯片是一种具有高速、电流保护和失效保护功能的收发器芯片;接口信号电平低，不易损坏接口电路，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接;驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率;采用平衡驱动器和差分接收器组合方式，抗共模干扰能力强。

1.4其它电路

多参数环境监测仪需要检测8个参数，故设计采用分时循环显示方案，显示模块分为两部分，一部分是LED数码管用于显示当前参数的数值，另一部分是当前参数的名称与单位的指示。故LED数码管采用4位共阴极数码管，由单片机 4个IO口负责数码管的选通，由P4端的全部8个IO口通过芯片ULN2803A驱动数码管相应段点亮，用于显示数值。8个参数有“%”、“ppm”、“℃”、“Pa”4个单位名称，参数名称和单位名称采用绿色高亮LED点亮，共需要12个LED灯的选通点亮，单片机P1.0-1.5口通过4-16译码器CD4514进行LED灯的选通，并通过2片ULN2803A进行驱动。红外遥控采用HS0038A2红外接收头，配合FYF6遥控发送器对多参数进行的参数（零点、校准点、报警点等）进行配置。

2　结语

本文介绍的多参数环境监测仪采用本安电路设计，可以测量多种气体的含量和环境温度、湿度、差压参数，在紧急避险设施内，可以用于避险空间内的环境监测，确保生存环境的健康安全，在煤矿井下的其它地方也可使用。经试验测量该仪器工作电流为52.4mA，最大工作电流为102.5mA。在救生舱和避难硐室的多次真人模拟试验中，搭配DXBL1440/24X（A）隔爆型锂离子蓄电池电源，最长连续不间断工作了106.5小时，完全满足紧急避险系统的安全防护时间的要求，监测期间数据准确、稳定，并将数据上传到试验环境外的监测室内。综合表明，该多参数环境监测仪满足紧急避险设施内各环境参数监测需求，保障了避险环境的健康安全性。

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【作者简介】

代羽（1981.5～），男，辽宁本溪人，工程师，哈尔滨理工大学2010届毕业生，研究方向：质量技术监督管理。