引言

一定范圍內，二氧化碳的濃度越高，植物的光合作用也越強，因此二氧化碳是最好的氣肥。美國科學家在新澤西州的一家農場里，利用二氧化碳對不同作物的不同生長期進行了大量的試驗研究，發現二氧化碳在農作物的生長旺盛期和成熟期使用效果最顯著。

在這兩個時期中，如果每周噴射兩次二氧化碳氣體，噴上 4 ～5 次后，蔬菜可增產 90% ，水稻增產 70% ，大豆增產 60% ，高粱甚至可以增產 200% 。因此，對溫室中的二氧化碳濃度進行精確測量和采集對農業生產具有實際的指導意義。AD7794 是適合高精度測量應用的低功耗、低噪聲的 24 位的 6 路差分輸入的 Σ－Δ ADC，非常適合作為溫室二氧化碳濃度的采集轉換芯片。

ADI 公司生產的 AD7794 具有功耗低和完全模擬輸入終端，可用在低頻信號的測量中。它克服了同類產品為低噪聲犧牲低功耗、或者為低功耗犧牲低噪聲的局限性，能夠同時提供低噪聲和低功耗。該系列ADC 采用 2． 7 ～ 5． 25 V 單電源供電，功耗電流僅 400μA，同時噪聲只有 40 nvrms，從而使其適合要求低功耗和高精度測量的應用。它集成了 6 個差分傳感通道的 24 位 ADC，使其非常適合要求較多通道的應用;片上還有低噪聲的儀用放大器，意味著幅度比較小的信號可以直接輸入到 ADC; 還集成了精密的低噪聲、低漂移的內部參考電源用于測量絕對量。如果要測量相對的量，可以加一個外部的參考。

本文基于 MSP430 和 AD7794 設計一款高精度、低功耗的二氧化碳采集器，能夠精確地采集到溫室內二氧化碳的濃度，使用方便。

1 硬件結構

1． 1 電源供電模塊

由于二氧化碳傳感器正常工作需要 5V 電壓，因此本系統采用 12V 蓄電池供電，使用 LM1117－5． 0 芯片將 12V 電壓轉成裝置所需要的 5V 電壓，電路如圖1 所示?！緢D1】


1． 2 時鐘模塊

PCF8563 是 PHILIPS 公司推出的一款工業級內含I2C 總線接口功能的、具有極低功耗的多功能時鐘 / 日歷芯片。按 I2C 總線協議規約，PCF8563 有唯一的器件地址 0A2H，PCF8563 采用 32． 768 kHz 可編程時鐘輸出頻率，I2C 總線是由數據線 SDA 和時鐘線 SCL 構成的串行總線，可發送和接收數據\\( 使用時數據線和時鐘線需要上拉 4． 7k 的電阻\\) 。PCF8563 的 SCL 與單片機的引腳 PD0 連接，SDA 與單片機的引腳 PD1 連接，實現時間、日期等數據的讀取。

本文采用 PCF8563 記錄采集二氧化碳的具體時間，時鐘模塊電路圖如圖 2 所示?！緢D2】


1． 3 二氧化碳傳感器設計

采集器使用 MG811 二氧化碳傳感器。該傳感器對 CO2具有良好的靈敏度和選擇性，并且受溫濕度的變化影響較小，具有良好的穩定性、再現性及快速的響應恢復特性，探頭可以插拔設計，方便試驗。

該傳感器采用固體電解質電池原理，由下列固體電池構成: 空氣，Au | NASICON | | 碳酸鹽 | Au，空氣，CO2。當傳感器置于 CO2氣氛中時，將發生以下電極反應:負極 2Li++ CO2+ 1 /2O2+ 2e－= Li2CO3正極 2Na++ 1 /2O2+ 2e－= Na2O總電極反應 Li2CO3+ 2Na+= Na2O + 2Li++ CO2傳感器敏感電極與參考電極間的電勢差\\( EMF\\)符合能斯特方程，則EMF = Ec － \\( Ｒ × T\\) / \\( 2F\\) ln［P \\( CO2\\) ］式中 P\\( CO2\\) —CO2分壓;Ec—常量;Ｒ—氣體常量;T—絕對溫度\\( K\\) ;F—法拉第常量。

二氧化碳傳感器電路圖如圖 3 所示。圖 3 中，元件加熱電壓由外電路提供，當其表面溫度足夠高時，元件相當于一個電池，其兩端會輸出一電壓信號，其值與能斯特方程符合得較好。元件測量時，放大器的阻抗須在 100 ～ 1 000GΩ 之間，其測試電流應控制在1pA 以下.由于 AD7794 片上有低噪聲的儀用放大器，幅度比較小的信號可以直接輸入到 ADC，所以在電路設計中 MG811 二氧化碳傳感器的輸出只需要接一個射極跟隨器，即可精確地獲得輸出電壓，從而簡化了電路的設計。

MG811 模擬量輸出 0 ～ 100mV 電壓，濃度越高電壓越高，對應的二氧化碳濃度為 350 ～ 10 000×10－6。

MG811 電勢差與 CO2濃度曲線圖如圖 4 所示?！緢D3-4】


1． 4 MSP430F169

MSP430 單片機處理能力強、運算速度快、片內資源豐富、方便高效，而其最大的特點就是超低功耗。

由于系統運行時開啟的功能模塊不同\\( 即采用不同的工作模式\\) ，因此芯片的功耗有著顯著的差異。在系統中，共有 1 種活動模式\\( AM\\) 和 5 種低功耗模式\\( LPM0 ～ LPM4\\) 。在實時時鐘模式下，可達 2． 5μA ;在 ＲAM 保持模式下，最低可達 0． 1μA 。

該系統采用 MSP430F169 作為主控芯片，具有60kB 閃存、2kB 的 ＲAM、2 個 16 位定時器 A / B、2 個串行通信接口 USAＲT0/USAＲT1、12 位 A/D 帶采樣保持內部參考源、雙 12 位 D/A 同步轉換、2 個 USAＲT、I2C、HW 乘法器和 1 個直接的通道 DMA?；谶@些特點，將其作為采集器的主控芯片非常合適。

2 軟件設計

二氧化碳濃度采集器充分運用 MSP430F169 超低功耗的特點進行軟件設計，程序流程如圖 5 所示?！緢D5】


3 實驗結果

實驗結果如圖 6 所示?！緢D6略】

從圖6 中可以看出，采集器每10s 中輸出一次二氧化碳濃度，數據輸出穩定，精確高。因此，該采集器可以初步投入溫室使用。

4 結語

本文所設計的二氧化碳采集器具有功耗極低、使用方便、穩定性高等優點。其中，AD7794 具備低噪聲和低功耗的特點，使得它非常適用于低功耗和高精度的測量。同時，AD7794 片上有低噪聲增益可調的儀用放大器，所以小幅度的信號可以直接輸入。由于具有多個優良的特性，AD7794 可望廣泛地用于農業、工業和醫療等各個領域。

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