有害气体检测系统设计报告 v1.2 2011-06-18.pdf

本副 用于参加EDNChina 晒毕设活动 ZigBee430 应用设计范例 基于ZigBee 的有害气体检测模块 作者：Nightseas 懒兔子 VER1.2 2011-06-18 本副 用于参加EDNChina 晒毕设活动 一、设计要点 本范例通过MSP430F425 单片机和集成MG2450 芯片的AT-MR500 模块实现了H S、CO 2 和CH 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 4 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 二、系统方案 2.1 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 接，由MSP430F425 的三个AD 通道，经过SD 16 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 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， 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 系统设计结构框图 2.2 传感器检测原理 本副 用于参加EDNChina 晒毕设活动 （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 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。 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。 范例中的H S、 2 CO 检测均采用电化学系统： H S 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 2 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