CAN總線(xiàn)和MSP430的CO(一氧化碳)紅外檢測系統設計

本系統基于CAN總線(xiàn)接口的紅外檢測系統的設計思路。

該檢測系統以MSP430超低功耗單片機為核心，采用SM-CO H／M紅外線(xiàn)CO氣體探測器，結合數字濾波和溫度補償等算法，達到精確測量CO濃度的目的，利用CAN總線(xiàn)接口實(shí)現數據的遠程傳輸，同時(shí)進(jìn)行CO紅外檢測和遠程監控。

　　1 引言

　　一氧化碳(CO)是劇毒性氣體，人體吸人后造成人體組織和細胞缺氧，導致引起中毒窒息。在煤礦井下，CO也是引起瓦斯爆炸的主要氣體之一。CO無(wú)論是對工業(yè)生產(chǎn)還是人類(lèi)都造成巨大的損害，因此，CO檢測尤為重要，特別在煤礦井下，《煤礦安全規程》規定，井下作業(yè)場(chǎng)所的CO濃度應控制在0．002 4％以下。因此，實(shí)時(shí)、準確地測出井下CO氣體濃度，對保障煤礦工業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義。

　　目前檢測CO的方法主要有化學(xué)法、電化學(xué)法、氣相色譜法等。這些方法普遍存在價(jià)格高、普適性差等問(wèn)題，且測量精度較低。這里設計一種新的檢測系統，選用紅外CO傳感器和MSP430單片機作為核心信號處理電路，結合數字濾波、溫度補償運算．具有檢測濃度范圍寬、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。CAN總線(xiàn)通信距離長(cháng)、可靠性高等特點(diǎn)，通過(guò)擴展CAN總線(xiàn)接口使檢測儀具有遠程通信能力，可方便地與監控中心進(jìn)行對接聯(lián)絡(luò )，有效降低事故發(fā)生率，具有推廣和應用價(jià)值。

　　2 系統組成及硬件設計

　　該系統由紅外CO氣體傳感器、MSP430單片機、CAN總線(xiàn)接口及遠程監控系統組成。該系統在檢測現場(chǎng)通過(guò)單片機處理檢測的數據、控制LCD顯示、聲光報警，同時(shí)還配備CAN總線(xiàn)控制器，可以輕松獲取濃度、溫度以及報警記錄等相關(guān)信息，實(shí)現了智能化的工業(yè)現場(chǎng)、遠程同時(shí)監控功能。系統的組成框圖如圖1所示。

　　2．1 傳感器的原理及選擇

　　每種物質(zhì)都有特定的吸收光譜(如CO氣體在光波波長(cháng)4．5μm處有一個(gè)極強的吸收峰)，該特性可用于測量?？筛鶕鞣N氣體光譜曲線(xiàn)上某些特定波長(cháng)處吸收峰值的變化判斷氣體的濃度。當紅外光通過(guò)待測氣體時(shí)，這些氣體分子對特定波長(cháng)紅外光有吸收作用，吸收規律遵循朗泊-比爾定律

　　式中，I為透射光的能量，L/mol·cm；Io為紅外輻射被氣體吸收的能量，L／mol．cm；K為與氣體及輻射波長(cháng)有關(guān)的常數，L/mol·cm：C為被測氣體的濃度．mol／L；L為輻射通過(guò)氣體層的厚度，cm。

該文章講述了CAN總線(xiàn)和MSP430的CO(一氧化碳)紅外檢測系統設計的電路原理和應用

　　2．2 MSP430單片機工作原理及數據處理

　　MSP430單片機是德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的超低功耗Flash型16位單片機。根據系統功能及外圍電路接口要求，選用MSP430F449型單片機，該單片機具有豐富的內部硬件資源；內置的溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度，補償紅外傳感器檢測的數據；其內置A／D轉換器用于將傳感器輸出的模擬量轉換為數字量；通過(guò)硬件乘法器，實(shí)現對被測量的A／D采樣數據進(jìn)行高速數字濾波和溫度補償等運算。數字濾波法采用去極值平均濾波法。在脈沖干擾較嚴重的場(chǎng)合，如采用一般的平均值法，則干擾將會(huì )平均到結果中去，不易消除由干擾引起的誤差。首先把Ⅳ次采樣值按大小順序排成一列，采用“冒泡排序法”，可去掉N個(gè)數據中的最大值和最小值，再計算(N-2)個(gè)數據的平均值，即為去極值平均濾波法。溫度補償的處理方法；傳感器的靜態(tài)特性為線(xiàn)性時(shí)，則溫度補償前的特性可表示為：

　　式中，x為傳感器的輸入量，y為輸出量，Y為特性曲線(xiàn)在y軸上的截距(即環(huán)境溫度引起的輸出增益)，k為比例系數。

　　溫度補償公式法的步驟如下：

　　(1)給定(m+1)個(gè)溫度值：T0，T1，T2，…，Tn，…，Tm，測出每一溫度下傳感器靜態(tài)特性曲線(xiàn)在y軸上的截距Y0，Y1，Y2，…，Yn，…Ym；

　　(2)將Y表示成以溫度T為自變量的n次代數多項式(n

用最小二乘曲線(xiàn)擬合法確定a0，a1，a2，…an。

　　(3)在測得每一個(gè)y值及相應T值時(shí)，首先計算出Y值，然后再求出x值

　　采用數字濾波和溫度補償算法可使測量更精確，受環(huán)境溫度影響減少到最小。

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　　時(shí)間：2010-03-12 15:08:46來(lái)源：電子設計工程作者：葛化敏，陳永，張彭程 南京信息工程大學(xué)

　　2．3 按鍵、LCD顯示及報警系統

　　按鍵用于設定系統時(shí)間、聲光報警值以及對應的CAN總線(xiàn)通信地址等參數，如果按鍵較少采用一端口對應一按鍵，使用捕獲中斷。如果按鍵較多，則可采用行列式鍵盤(pán)以節省端口資源。LCD顯示采用LSD12864CT顯示模塊，該模塊由一組行驅動(dòng)信號IC3及兩組列驅動(dòng)信號IC2(控制左半屏)和IC1(控制右半屏)組成，其顯示點(diǎn)陣是128x64，可顯示圖形或漢字。其內部集成行、列驅動(dòng)及顯示器緩沖區RAM的接口，同時(shí)硬件可設置顯示屏的結構、數據傳輸方式、顯示窗口的長(cháng)寬等。MSP430F449內部自帶60 KB Flash用于記錄紅外測量數據超限時(shí)刻和對應的設置值，保存CAN接口相關(guān)參數。當CO濃度超出設定范圍時(shí)，由聲光報警裝置提醒井下工作人員。該文章講述了CAN總線(xiàn)和MSP430的CO(一氧化碳)紅外檢測系統設計的電路原理和應用

　　2．4 CAN總線(xiàn)接口設計

　　該系統CAN接口由獨立的CAN總線(xiàn)控制器SJA1000、CAN數據收發(fā)器TJA1050組成。SJA1000是獨立CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標和一般工業(yè)環(huán)境中區域網(wǎng)絡(luò )控制。SJA1000的AD0-AD7接MSP430的P2端口，P3．4和P3．5分別控制SJA1000的讀寫(xiě)操作。MSP430初始化SJA1000，通過(guò)控制SJA1000實(shí)現數據的收發(fā)。TJA1050是控制器區域網(wǎng)絡(luò )(CAN)協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，是一種標準的高速CAN收發(fā)器。TJA1050可為總線(xiàn)提供差動(dòng)發(fā)送功能，為CAN控制器SJA1000提供差動(dòng)接收功能。TJA1050提供CAN節點(diǎn)接口，實(shí)現CAN總線(xiàn)數據的傳輸。其中CANH和CANL接到外部CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上。MSP430、SJA1000與TJA1050的連接電路如圖2所示。

　　　　3 系統軟件設計

　　系統上電復位后首先初始化，主要包括系統硬件初始化及從MSP430 Flash中讀取CAN相關(guān)參數，并進(jìn)行設置；然后系統進(jìn)行按鍵掃描：如有鍵按下則進(jìn)行相應的操作，如設置時(shí)間和CO報警濃度值、修改CAN參數、查閱報警記錄等；若無(wú)鍵按下，則采集CO濃度并進(jìn)行軟件處理，軟件處理包括數字濾波和溫度補償，用以校準濃度數據。若CO濃度超限，則聲光報警通知井下工作人員并記錄報警時(shí)刻和報警值到存儲器中，若濃度正常則循環(huán)檢測并顯示。系統軟件流程如圖3所示。氣體濃度數據的遠程傳輸由CAN總線(xiàn)接口完成。當上位機給該站發(fā)送報文時(shí)，即要求本站傳送數據時(shí)，系統才向上位機傳送數據，這樣可減輕單片機的負擔，降低功耗。因此，CAN通信程序流程大致為：當檢測儀接收到有效的報文時(shí)產(chǎn)生接收中斷，在中斷服務(wù)子程序中，以CAN報文形式發(fā)送C0濃度數據，采用非中斷方式發(fā)送報文，具體工作流程如圖4所示。

　　上位機采用Delphi編寫(xiě)的Windows下的可視化操作界面。Delphi是一種采用事件驅動(dòng)方式、面向對象的可視化高級編程語(yǔ)言，該系統的通訊軟件設計采用Delphi7．0。在Del-phi可利用的眾多串行通信控件中，SPComm控件是最簡(jiǎn)單、功能比較強大的一種。該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性及事件，提供對串口的各種操作。通過(guò)Delphi的設計可在上位機中直觀(guān)顯示當前時(shí)間、氣體濃度。通過(guò)串口通訊還可執行遠程操作。采用采樣定時(shí)器可每隔一段時(shí)間刷新顯示的數據，從而及時(shí)檢測數據變化。

　　4 結束語(yǔ)

　　采用紅外光學(xué)傳感器件取代傳統的傳感器．安全性大大提高；結合CAN總線(xiàn)技術(shù)，取代傳統的RS232、RS485，大大降低系統開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期。與其他現場(chǎng)總線(xiàn)比較而言，CAN總線(xiàn)具有通信速率高、易實(shí)現、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。采用TI的MSP430單片機，有較多的集成外設，降低了開(kāi)發(fā)難度，且具有超低功耗。有利于節約能源。

　　所設計的紅外CO檢測系統，檢測氣體濃度范圍寬、設備維護性好。利用MSP430F449的低功耗特性及其內部集成的A／D轉換器、乘法器、溫度傳感器等硬件資源，測量精密度大大提高。通過(guò)CAN總線(xiàn)接口，系統既可在現場(chǎng)顯示實(shí)時(shí)數據，又可實(shí)現儀器的遠距離、高可靠性地通信功能和遠程監控。因此，該系統具有很好的應用前景。