二氧化碳檢測儀在工業、農業、醫藥、環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、節約能源。另外在工業現場,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,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 系統的硬件設計
       圖1 是該系統的框圖。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。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 電流環有兩種類型:二線制和三線制。本系統采用三線制。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,讀CO2 濃度值,設置海拔高度,設置ABC 邏輯。系統上電后,讀6004 的狀態,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、讀繼電器狀態,修改系統參數。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
      本系統測量準確、有好的人機界面,操作智能化,系統運行可靠,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,溫室農業大棚等等場合。本文作者創新點: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.

相關產品：風向風速儀   光合有效輻射記錄儀   定氮儀