冯 波，高 昌

（1.陕西国防工业职业技术学院，陕西西安，710300；2.西安华丰仪表有限责任公司，陕西西安，710014）

基于超低功耗单片机MSP430的矿用一氧化碳报警器设计

冯 波1，高 昌2

（1.陕西国防工业职业技术学院，陕西西安，710300；2.西安华丰仪表有限责任公司，陕西西安，710014）

本文设计实现了一款基于MSP430F4250超低功耗单片机的一氧化碳报警器。报警器采用电化学一氧化碳传感器输出浓度信号，通过4位数码管实时显示CO气体浓度值，精度可达到1PPM（百万分之一）。同时，报警器可预设报警值，当浓度值超过报警值后，发出报警信号。文章最后对报警器进行了实际校准，并对检测结果进行了数据分析。

超低功耗单片机；CO报警器；校准

0 引言

目前，气体闪爆事故发生率呈上升趋势，特别是具有可燃性的一氧化碳气体，在工业中、生活中严重威胁到我们的生命安全。在工业生产中，一氧化碳气体广泛存在与煤炭生产环境中，如果未能实时有效的监测一氧化碳气体浓度，一旦超过临界值，将发生严重的生产事故。普通的一氧化碳报警器寿命短、精度差，不能很好的完成检测功能。为此，本文设计了一款高精度、高可靠性、低功耗的基于MSP430[1][2]系列单片机的一氧化碳报警器，可实现实时、可靠的一氧化碳检测与报警，从而满足日常生活需要。

1 硬件电路设计

1.1 主控芯片MSP430F4250

MSP430F4250单片机采用冯·诺依曼架构，所有程序、数据、存储器及外设共享同一条总线，采用统一CPU指令与寻址模式。该单片机具有5种低功耗模式，在非工作状态下可实现超低功耗，满足手持式智能设备的功耗需要。从待机状态恢复只需要6ms，响应速度快。允许供电范围宽，1.8至3.6V均可供电，方便采用处理后的电池进行整体电路供电。16位Sigma-Delta型A/ D转换，用于处理传感器模拟信号，转换精度高。32个IO接口，可用于驱动多段位数码管，易于完成段位选择和扩展功能。同时还具备16KB的FLASH存储单元和256B的数据存储单元，满足报警器校准、报警等预设值的写入和规模较大程序整体设计需要。具有标准JTAG接口，易于在线调试与测试。MSP430F4250的片上资源已满足报警器设计需要，因此不必使用资源更多的MSP430系列其他单片机。

在本设计中将P2口作为数码管的数据位，将P5口作为数码管的控制位，数码管采用共阴极接法，用于显示测量值、报警状态等；采用A0通道捕获传感器测量值，将CO的浓度信号送入Sigma-Delta转换器进行A/D转换；P1口用于完成辅助功能模块的设计，包括复位、蜂鸣器开关控制、报警LED开关控制等。MSP430F4250单片机资源分配[3][4]如图1所示。

图1 MSP430F4250资源分配图

1.2 CO传感器

本设计采用电化学传感器，其测量原理是根据待测气体与电极的化学反应，产生电流，被测气体的浓度与产生的电流值满足法拉第定律，具备较好的线性度，经过多次测量进行线性拟合后，可得到精准的测量值。电化学传感器具有低功耗、高精度、高灵敏度、线性范围宽、抗干扰能力强和优异的稳定性，可满足一定程度上的检测要求。本例采用的CO传感器参数见表1。

表1 CO传感器部分参数表

CO传感器及外围电路图如图2所示。传感器获得气体的检测电信号，输出给信号调理电路，经过信号前期处理后，送入MSP430F4250的A0模拟通道进行A/D转换。

图2 CO传感器及外围电路图

1.3 电源模块

电源设计时采用TPS76433型号的电源芯片。该芯片是一款具有低功耗、低噪声的线性低压差稳压芯片（简称LDO），输入电压范围3.3V～10V、固定输出3.3V电压，提供SOT-23封装，外围控制电路比较简单。相比传统的LDO稳压器TPS76433具有低静态电流（小于140μA），通常在150 mA的负载电流（TPS76433）下为300 mV，并在输出负载电流（0 mA至150 mA）的整个范围内稳定，适用于电池供电设备；具有逻辑使能休眠模式，可关闭稳压器，降低静态电流至1μA，低压差电压特性和低功耗使得使用寿命显着增加。基于以上特点能够满足所选型号传感器的供电电压要求。

1.4 显示报警模块

显示部分采用4位管实现，利用单片机的P2、P5口实现位选和段选，连接方式为共阴极。驱动电压为3.3V。

本文所设计的报警器可进行报警值预设，报警值被提前写入到主控芯片的ROM中，仪器上电后，用户也可以根据实际使用需要，可对预设值进行更改。当气体浓度超过报警值时，报警器通过蜂鸣器和LED闪烁两种方式进行报警，用户可根据实际使用需要，选择蜂鸣器和LED其中之一进行报警。

2 软件设计

2.1 软件处理流程

单片机通过其内部AD采集传感器得到的气体浓度信号（模拟信号）转换成数字信号进行数据处理、计算、分析，将结果送入显示模块。具体的软件控制流程[5]如图3所示。

图3 软件控制流程图

2.2 测量值计算方法

CO报警器的采样值和显示值为近似的线性关系，如图4所示。因此要获得测量值大小，就必须在使用前对报警器进行两次校准，即：零校准和满校准，以确定采样值-显示值关系。假设采样值和显示值的直线斜率为k，则k=（满采样值-零采样值）/（满显示值-零显示值），所以测量结果=（采样值-零采样值）/k+零显示值。

图4 采样值-显示值理论关系

3 实际测试/性能测试

设计完成后，本文对设计产品进行了实际测试。零校准是在空气中进行，由于空气中不含CO气体，满足零校准条件。经过调试和校准，得到在空气中，即CO浓度为0时，仪器达到最佳工作状态，采样值为470，如图5所示。

图5 零校准显示

图6 满校准平台

满校准平台由以下部分组成：202PPM的标准CO气体、流量计，标准气体和流量计均符合国家标准，如图6所示。

满校准时，首先用流量计控制标准气罐均匀输出浓度为202PPM的CO气体，经由输气管通向传感器罩，传感器罩完全覆盖传感器表面，进入仪器的满校准采样界面，待采样值稳定后，手动输入满校准浓度202PPM，满校准完成。通过以上步骤可得到CO的采样值—浓度的对应关系。

测试使用浓度为25、50、202PPM的标准气体，经过超过50次测试，发现测试结果精度均在±1PPM之间，可满足测量要求。

4 结束语

本文所设计一氧化碳报警器除了继承以往报警器的功能和有点外，使用MSP430系列单片机，实现了声音和灯光两种报警模式，满足了低功耗需求，提高了检测精度，经过实测，具备高可靠性。

[1]杨绍文.嵌入式有害气体检测仪的研制[J].今日科苑,2010,(02)：66.

[2]杨平,王威. MSP430系列超低功耗单片机及应用[J].国外电子测量技术,2008,(12)：48-50.

Design of Coal Mine Carbon Monoxide Alarm Based on Low Power MCU MSP430

Feng Bo1,Gao Chang2
(1.ShaanXi Institute of Technology, Xi’an Shaanxi, 710300;2.Xi’an Hua Feng Instrument Co., Ltd., Xi’an Shaanxi, 710314)

This paper design and implement a carbon monoxide alarm based on MSP430F4250 ultra low power microcontroller. The alarm uses an electrochemical carbon monoxide sensor to export concentration signal, and display real-time CO gas concentration value through a 4 digital tube. The accuracy can reach 1PPM (Parts Per Million). At the same time, the alarm can be preset alarm value by users. When the concentration value exceeds the preset value, the alarm module will work. In the end of the paper, the alarm is calibrated and the results are analyzed.

Ultra low power MCU; CO alarm; Calibration