高精度、低功耗的温室二氧化碳采集器设计

　　引言

　　一定范围内，二氧化碳的浓度越高，植物的光合作用也越强，因此二氧化碳是最好的气肥。美国科学家在新泽西州的一家农场里，利用二氧化碳对不同作物的不同生长期进行了大量的试验研究，发现二氧化碳在农作物的生长旺盛期和成熟期使用效果最显著。

　　在这两个时期中，如果每周喷射两次二氧化碳气体，喷上 4 ～5 次后，蔬菜可增产 90% ，水稻增产 70% ，大豆增产 60% ，高粱甚至可以增产 200% 。因此，对温室中的二氧化碳浓度进行精确测量和采集对农业生产具有实际的指导意义。AD7794 是适合高精度测量应用的低功耗、低噪声的 24 位的 6 路差分输入的 Σ－Δ ADC，非常适合作为温室二氧化碳浓度的采集转换芯片。

　　ADI 公司生产的 AD7794 具有功耗低和完全模拟输入终端，可用在低频信号的测量中。它克服了同类产品为低噪声牺牲低功耗、或者为低功耗牺牲低噪声的局限性，能够同时提供低噪声和低功耗。该系列ADC 采用 2． 7 ～ 5． 25 V 单电源供电，功耗电流仅 400μA，同时噪声只有 40 nvrms，从而使其适合要求低功耗和高精度测量的应用。它集成了 6 个差分传感通道的 24 位 ADC，使其非常适合要求较多通道的应用;片上还有低噪声的仪用放大器，意味着幅度比较小的信号可以直接输入到 ADC; 还集成了精密的低噪声、低漂移的内部参考电源用于测量绝对量。如果要测量相对的量，可以加一个外部的参考。

　　本文基于 MSP430 和 AD7794 设计一款高精度、低功耗的二氧化碳采集器，能够精确地采集到温室内二氧化碳的浓度，使用方便。

　　1 硬件结构

　　1． 1 电源供电模块

　　由于二氧化碳传感器正常工作需要 5V 电压，因此本系统采用 12V 蓄电池供电，使用 LM1117－5． 0 芯片将 12V 电压转成装置所需要的 5V 电压，电路如图1 所示。【图1】

　　
　　1． 2 时钟模块

　　PCF8563 是 PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的、具有极低功耗的多功能时钟 / 日历芯片。按 I2C 总线协议规约，PCF8563 有唯一的器件地址 0A2H，PCF8563 采用 32． 768 kHz 可编程时钟输出频率，I2C 总线是由数据线 SDA 和时钟线 SCL 构成的串行总线，可发送和接收数据( 使用时数据线和时钟线需要上拉 4． 7k 的电阻) 。PCF8563 的 SCL 与单片机的引脚 PD0 连接，SDA 与单片机的引脚 PD1 连接，实现时间、日期等数据的读取。

　　本文采用 PCF8563 记录采集二氧化碳的具体时间，时钟模块电路图如图 2 所示。【图2】

　　
　　1． 3 二氧化碳传感器设计

　　采集器使用 MG811 二氧化碳传感器。该传感器对 CO2具有良好的灵敏度和选择性，并且受温湿度的变化影响较小，具有良好的稳定性、再现性及快速的响应恢复特性，探头可以插拔设计，方便试验。

　　该传感器采用固体电解质电池原理，由下列固体电池构成: 空气，Au | NASICON | | 碳酸盐 | Au，空气，CO2。当传感器置于 CO2气氛中时，将发生以下电极反应:负极 2Li++ CO2+ 1 /2O2+ 2e－= Li2CO3正极 2Na++ 1 /2O2+ 2e－= Na2O总电极反应 Li2CO3+ 2Na+= Na2O + 2Li++ CO2传感器敏感电极与参考电极间的电势差( EMF)符合能斯特方程，则EMF = Ec － ( Ｒ × T) / ( 2F) ln［P ( CO2) ］式中 P( CO2) —CO2分压;Ec—常量;Ｒ—气体常量;T—绝对温度( K) ;F—法拉第常量。

　　二氧化碳传感器电路图如图 3 所示。图 3 中，元件加热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，元件相当于一个电池，其两端会输出一电压信号，其值与能斯特方程符合得较好。元件测量时，放大器的阻抗须在 100 ～ 1 000GΩ 之间，其测试电流应控制在1pA 以下.由于 AD7794 片上有低噪声的仪用放大器，幅度比较小的信号可以直接输入到 ADC，所以在电路设计中 MG811 二氧化碳传感器的输出只需要接一个射极跟随器，即可精确地获得输出电压，从而简化了电路的设计。

　　MG811 模拟量输出 0 ～ 100mV 电压，浓度越高电压越高，对应的二氧化碳浓度为 350 ～ 10 000×10－6。

　　MG811 电势差与 CO2浓度曲线图如图 4 所示。【图3-4】

　　
　　1． 4 MSP430F169
　　
　　MSP430 单片机处理能力强、运算速度快、片内资源丰富、方便高效，而其最大的特点就是超低功耗。

　　由于系统运行时开启的功能模块不同( 即采用不同的工作模式) ，因此芯片的功耗有着显著的差异。在系统中，共有 1 种活动模式( AM) 和 5 种低功耗模式( LPM0 ～ LPM4) 。在实时时钟模式下，可达 2． 5μA ;在 ＲAM 保持模式下，最低可达 0． 1μA 。

　　该系统采用 MSP430F169 作为主控芯片，具有60kB 闪存、2kB 的 ＲAM、2 个 16 位定时器 A / B、2 个串行通信接口 USAＲT0/USAＲT1、12 位 A/D 带采样保持内部参考源、双 12 位 D/A 同步转换、2 个 USAＲT、I2C、HW 乘法器和 1 个直接的通道 DMA。基于这些特点，将其作为采集器的主控芯片非常合适。
　　
　　2 软件设计
　　
　　二氧化碳浓度采集器充分运用 MSP430F169 超低功耗的特点进行软件设计，程序流程如图 5 所示。【图5】

　　
　　3 实验结果
　　
　　实验结果如图 6 所示。【图6略】
　　
　　从图6 中可以看出，采集器每10s 中输出一次二氧化碳浓度，数据输出稳定，精确高。因此，该采集器可以初步投入温室使用。

　　4 结语

　　本文所设计的二氧化碳采集器具有功耗极低、使用方便、稳定性高等优点。其中，AD7794 具备低噪声和低功耗的特点，使得它非常适用于低功耗和高精度的测量。同时，AD7794 片上有低噪声增益可调的仪用放大器，所以小幅度的信号可以直接输入。由于具有多个优良的特性，AD7794 可望广泛地用于农业、工业和医疗等各个领域。

　　参考文献:

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