引言

二氧化碳的檢測在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)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(chǎn)效率、節(jié)約能源。另外在工業(yè)現(xiàn)場．往往需要完成信號的長線傳輸，如果傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘枺畟鬏斁€會受到噪聲的干擾，傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降。為了解決上述問題和避開相關(guān)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(tǒng)，并帶有三線制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(tǒng)的硬件設計

圖1是該系統(tǒng)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(jīng)過內(nèi)部處理后用LCD顯示，同時轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)參數(shù)：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。

圖1 系統(tǒng)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(nèi)外設并降低設計成本。本系統(tǒng)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(fā)方式等特點。它有兩個16位定時器．內(nèi)置一個12位AD轉(zhuǎn)換器和一個雙12位DA轉(zhuǎn)換器，兩個串行通訊接口．60KB的FLASH．完全滿足于本系統(tǒng)的需要。

CPU采用內(nèi)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(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．由一個鍍金封裝的光學系統(tǒng)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時與工廠標準氣體相比誤差約±40ppm或者讀數(shù)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(shù)字接口：SPI/Microwire或者UART（9600bps）．它有相應的通訊協(xié)議。目前市場上大部分產(chǎn)品都是檢測模擬輸出信號。信號處理簡單。這里考慮到數(shù)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(shù)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(jīng)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。

圖2 6004與單片機的接口電路圖

1．3 三線制電流輸出模塊

4-20mA電流環(huán)有兩種類型：二線制和三線制。本系統(tǒng)采用三線制。如圖3是一個V-I轉(zhuǎn)化電路，提供一路i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(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(jīng)單片機DA轉(zhuǎn)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

通訊模塊實現(xiàn)了單片機與上位機之間長距離數(shù)據(jù)通訊。系的MODBUS協(xié)議與上位機進行通訊。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(tǒng)程序用C語言編寫，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(tǒng)上電后旗6004的狀態(tài)。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。

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)議進行通訊，主要完成讀取C02濃度、讀報警點狀態(tài)、讀繼電器狀態(tài)，修改系統(tǒng)參數(shù)。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)點是：在同樣的波特率下，可以比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)測量準確、有好的人機界面，操作智能化，系統(tǒng)運行可靠?？蓮V泛的應用于商用樓宇控制、空調(diào)管理、智能化住宅、商場、賓館，體育館，電影院、機場網(wǎng)吧，溫室農(nóng)業(yè)大棚等等場合。

本文作者創(chuàng)新點：選用了紅外吸收型傳感器‘讀取它的數(shù)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(xié)議與上位機通訊。

責任編輯：gt