【MCU方案】 + 基于MSP430F425的有害气体测试仪

1万 · 2015-7-30 15:46

本帖最后由 songchenping 于 2015-7-30 15:48 编辑

通过MSP430F425单片机和集成MG2450芯片的AT-MR500模块实现了H2S、CO 和CH4三种有害气体检测和ZigBee网络的数据通信，并通过VB.NET 开发上位机软件实现对气体浓度的实时监测，
其设计要点如下：

有害气体检测方法
MSP430数据采集系统设计
ZigBee无线终端模块设计
实时数据检测软件开发

系统构架
基于 ZigBee 的有害气体检测模块的硬件系统共分为三个部分：气体检测模块、数据采集底板和ZigBee 无线数据传输模块。图3.4 即为系统设计结构框图。有害气体检测模块包含传感器和前端电路，以接插板的形式通过统一的模拟数据接口和数据采集底板连接，由MSP430F425 的三个AD 通道，经过SD16模块进行数模转换和数据换算，得到需要的气体浓度。为保证无线通信的距离和通信质量，MG2540无线数据通信模块采取了直插转接的方式，通过插针架起并同数据采集底板进行连接。MG2450 芯片同MSP430 通过UART 接口通信，通信速率为115200bps。
数据采集底板包含MSP430 为中心的AD数据采集电路和JTAG、ISP 电路。同时为了保
证系统在外部供电异常或没有外部供电的情况下能够正常工作，本系统设计了充电管理、电
源监测电路，同时传感器和风扇电路可以通过MSP430 的I/O 接口控制时能，从而在不需要
采集数据时降低功耗。

图总体架构图

传感器检测原理
（1）电化学传感器
电化学气体传感器是利用化学原理制作的探测器置于待测气体中，待测气体和探测器中的化学物质发生化学反应，通过测量化学反应产生的电流来测量气体浓度。在传统的两电极系统中，其工作电极和对电极由一层较薄的电解液隔开并通过一个很小的电阻连接外电路。当气体通过扩散方式进入传感器后，在感应电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。该电流的大小与气体的浓度成比例关系，可通过外电路的负载电阻进行测量。
相比二电极系统，三电极系统除了感应电极（S 极）和计数电极（C 极）以外引进参考电极（R 极），并利用外部的恒电位工作电路来减小电极极化所受的限制。本范例中的H2S、
CO 检测均采用电化学系统：
H2S传感器：采用美国RAE 公司的4H2S-100 电化学传感器，测量范围0-100ppm，最大过载500ppm，灵敏度为0.8±0.2μA/ppm，分辨率0.1ppm，T90响应时间小于35 秒，长期漂
移小于2%/月。

图 RAE 4H2S-100电化学传感器
CO 传感器：采用英国MRB 科学公司的S+4CO电化学传感器，测量范围0-500ppm，最大过载1500ppm，灵敏度70±15nA/ppm，分辨率1ppm，T90响应时间小于30秒，长期漂移
小于2%/年。

图 MRB S+4CO电化学传感器

（2）催化燃烧式传感器
催化燃烧式传感器又称催化接触燃烧式传感器，它的工作原理是将由气敏材料制成的探测器（常用Pt 电热丝）置入待测气体中，在电源供电的环境中，使待测气体在催化剂的催
化作用下发生氧化反应，即无焰燃烧，从而使探测器中电阻的阻值发生改变，通过测量探测器电阻值变化来测量气体浓度。可燃气体传感器：采用MJC4/2.8J型催化燃烧式传感器，测量范围0-100%LEL，灵敏度
20-40mV/1%Vol CH4，分辨力为0.01%，其T90响应时间小于10 秒，线性度小于5%，在1%CH4 中长期漂移小于±2mV/年。

图 MJC4/2.8J型催化燃烧式传感器

物理结构设计
在完成原理设计，绘制PCB 之前，应当先完成产品的外形设计，包括外壳的选择和内部布局等。本模块对气体进行检测并且传感器内置，为保证传感器从内部测得的气体浓度数
据与机壳外相同，需要风扇保持通风，同时考虑如何设计模块内部的气体流动通道。在外壳选择上，最好选用两侧带有通风孔或散热空的机壳，同时需要在内部安装风扇。
为适应本安型设备要求，风扇采用建准2510 无刷风扇（有刷风扇会工作时产生电火花），风量为3CFM，通过通风孔向内部送风，形成的风道途径传感器，气流从传感器侧面流过（而
非直吹）。其布局设计如图3.5。