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引言 二氧化碳的檢測在工業(yè)、農業(yè)、醫藥、環(huán)境保護等都有著(zhù)重要意義。采用單片機進(jìn)行二氧化碳濃度檢測、顯示、實(shí)時(shí)控制能夠提高生產(chǎn)效率、節約能源。另外在工業(yè)現場(chǎng)．往往需要完成信號的長(cháng)線(xiàn)傳輸，如果傳輸的信號是電壓信號．傳輸線(xiàn)會(huì )受到噪聲的干擾，傳輸線(xiàn)的分布電阻會(huì )產(chǎn)生電壓降。為了解決上述問(wèn)題和避開(kāi)相關(guān)噪聲的影響�？紤]用電流來(lái)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(xiàn)制4～20mA電流輸出．還可以用標準的Modbus協(xié)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(guò)串行通訊口讀取二氧化碳傳感器送來(lái)的信號(濃度值)，經(jīng)過(guò)內部處理后用LCD顯示，同時(shí)轉化為相應的4-20mA電流輸出，或者將二氧化碳濃度值通過(guò)RS485串口送到上位機。同時(shí)單片機將采樣到的信號與系統設定的報警點(diǎn)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(guò)RS485串口修改系統參數：海拔、報警點(diǎn)、通訊地址、通訊波特率、ABC邏輯、密碼、輸出電流標定。 
圖1 系統框圖 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(kāi)發(fā)方式等特點(diǎn)。它有兩個(gè)16位定時(shí)器．內置一個(gè)12位AD轉換器和一個(gè)雙12位DA轉換器，兩個(gè)串行通訊接口．60KB的FLASH．完全滿(mǎn)足于本系統的需要。 CPU采用內部1MHz晶振。單片機通過(guò)SPI模式控制LCD的工作，通過(guò)外部中斷來(lái)識別四個(gè)按鍵的狀態(tài)。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(gè)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(chǎn)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(gè)鍍金封裝的光學(xué)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°C時(shí)與工廠(chǎng)標準氣體相比誤差約±40ppm或者讀數的3％；響應時(shí)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；數字接口：SPI/Microwire或者UART(9600bps)．它有相應的通訊協(xié)議。目前市場(chǎng)上大部分產(chǎn)品都是檢測模擬輸出信號。信號處理簡(jiǎn)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(lái)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(guò)電阻分壓接到MSP430F169的P3.7(URXD1)口，6004的串行輸入端(RDX)經(jīng)過(guò)一個(gè)高速光耦芯片HCPL0631升壓接到MSP430F169的P3.6(UTXD1)口。具體電路見(jiàn)圖2。
圖2 6004與單片機的接口電路圖 1．3 三線(xiàn)制電流輸出模塊 4-20mA電流環(huán)有兩種類(lèi)型：二線(xiàn)制和三線(xiàn)制。本系統采用三線(xiàn)制。如圖3是一個(gè)V-I轉化電路，提供一路i線(xiàn)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(lèi)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(jìn)．該器件即使在溫度發(fā)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OV時(shí)在供電正時(shí)．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(shí)，顯著(zhù)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(jīng)單片機DA轉換輸出的電壓VDAC1控制在0.2～1V。
圖3 4-20mA電流輸出圖 1．4 RS485通訊模塊 通訊模塊實(shí)現了單片機與上位機之間長(cháng)距離數據通訊。系的MODBUS協(xié)議與上位機進(jìn)行通訊。如圖4，MAX3485的串行輸出端(rXD485)接到MSP430F169的P3.4(UTXDO)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。
圖4 485通訊電路圖 2 軟件設計 本系統程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，圖5是主程序流程圖。
圖5 主程序流程圖 2．1 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(xié)議。它們之間的主要操作就是讀6004狀態(tài)，讀C02濃度值．設置海拔高度。設置ABC邏輯。系統上電后旗6004的狀態(tài)。直到讀到6004預熱完畢，才能開(kāi)始讀傳感器的濃度值，每2S讀一次。 2．2 單片機與485之間的通訊 單片機與485之間采用標準的MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊，主要完成讀取C02濃度、讀報警點(diǎn)狀態(tài)、讀繼電器狀態(tài)，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(yōu)點(diǎn)是：在同樣的波特率下，可以比ASCII方式傳送更多的數據。 3 結束語(yǔ) 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�？蓮V泛的應用于商用樓宇控制、空調管理、智能化住宅、商場(chǎng)、賓館，體育館，電影院、機場(chǎng)網(wǎng)吧，溫室農業(yè)大棚等等場(chǎng)合。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：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(xiàn)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(xié)議與上位機通訊。 項目經(jīng)濟效益20萬(wàn)元。 作者：李媛，王太宏 來(lái)源：《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2009年第8-2期 |
