本副本用于参加 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
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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
2
S、CO
和 CH
4
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
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
数据采集底板连接，由 MSP430F425 的三个 AD 通道，经过 SD16 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连接。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，本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
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（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
的电阻连接外电路。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。该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。本范例中的 H
2
S、
CO 检测均采用电化学系统：
H
2
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
过载 500ppm，灵敏度为 0.8±0.2μA/ppm，分辨率 0.1ppm，T
90
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，T
90
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，即无焰燃烧，从而使探测器中电阻的阻值发生改变，通过测量探测
器电阻值变化来测量气体浓度。
可燃气体传感器：采用 MJC4/2.8J 型催化燃烧式传感器，测量范围 0-100%LEL，灵敏度
20-40mV/1%Vol CH4，分 辨力为 0.01%，其 T
90
响应时间小于 10 秒，线 性 度 小 于 5%，在 1%
CH4 中长期漂移小于±2mV/年。
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图 MJC4/2.8J 型催化燃烧式传感器
小贴士
对于小成本和对稳定度要求不高的气体检测，可以
采用半导体传感器，这类传感器灵敏度高、成本低廉、
电路十分简单，输出信号可直接通过 AD 检测，或通过
一个比较器进行超限检测。
2.3 物理结构设计
在完成原理设计，绘制 PCB 之前，应当先完成产品的外形设计，包括外壳的选择和内
部布局等。本模块对气体进行检测并且传感器内置，为 保证传感器从内部测得的气体浓度数
据与机壳外相同，需要风扇保持通风，同时考虑如何设计模块内部的气体流动通道。在外壳
选择上，最好选用两侧带有通风孔或散热空的机壳，同时需要在内部安装风扇。
为适应本安型设备要求，风扇采用建准 2510 无刷风扇（ 有 刷 风扇会工作时产生电火花），
风量为 3CFM，通过通风孔向内部送风，形成的风道途径传感器，气 流从传感器侧面流过（而
非直吹）。其布局设计如图 3.5。
100.0
图 传感器布局及风道设计图
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图 模块内部布局照片
三、硬件设计
3.1 气体检测模块
3.1.1 三端电化学传感器模块电路
三端电化学传感器需要工作在恒电位模式下，同时其输出的微弱电流无法为 AD 测得，
因此加入信号调理电路为传感器提供工作条件，同时将输出电流转换并放大 MSP430 的 AD
可以检测的电压范围。图 4.1 是该模块原理图，图 4.2 是模块的 PCB 图。
该调理电路主要由传感器，恒电位电路、I/V 变换放大电路组成。由于传感器输出微弱
信号，故采用高增益，低噪声 TL27L2C 运算放大器。R4、R5、C2、U1B 构成恒电位电路，
当反应过程中 S、C 两极间电压发生变化，该电路能够自动调节电位，其中 R4、C2 作用为
低通滤波。
Q1 为结型场效应管 J177，当接通工作电路时，Q1 就会处于高增益工作状态。而当电路
断电时，参考电极 R 和感应电极 S 之间短路，传感器保持在就绪状态，再次上电时可以缩
短传感器的启动时间。R3、C1 对输出信号进行滤波，R6，R7 为传感器提供 500mV 偏置电
压 VBias。
当传感器暴露于被测气体中，S 极上的反应将被测气体氧化，生成的氧化物向传感器外
扩散。传感器内产生出氢离子和电子。氢离子通过电解质向 C 极迁移，这一过程会留下负
电荷，堆积在 S 极。电子从 S 流出经过电阻 R1 到放大器（U1A）的反向输入端，放大器配
置成一个跨阻放大器，将工作电极送来的信号电流变换为一个与所加气体的浓度成比例的电
压。
输出电压 U=I
S
×R
2
+U
VBias
。
