基于MSP430单片机和神经网络的气体浓度检测仪

　　0　引言

　　气体浓度检测仪的种类很多,一般利用传感器对已知气体浓度的线性响应进行定量分析[1]。新型便携式气体浓度检测仪是将单片机技术与人工神经网络技术相结合用于对已知气体进行浓度检测。由于使用神经网络对传感器输出与气体浓度曲线进行训练,因而,无需线性化就可以更加真实准确地反映出气体浓度。该检测仪响应时间短,气体浓度分辨率可达到1,体积小,重量轻,便于携带。

　　1　工作原理

　　系统采用MSP430F149单片机与BP人工神经网络相结合的方法对气体浓度进行检测。所用传感器为非加热型半导体气体传感器。由于单片机运算速度及存储空间限制,人工神经网络的学习、训练、识别等全过程不可能全在单片机中运行。因而,将传感器对气体浓度的响应曲线用BP神经网络在PC机中由Matlab软件进行训练。其中,BP神经网络采用1-3-1结构。一个输入层,用以输入传感器对气体浓度的响应电压值;隐层3个神经元,根据经验及内存空间选取合适值;一个输出层,用以输出被测气体的浓度值。隐层激活函数采用tansig,输出层激活函数采用purelin.训练结束后,将得到如下信息:W1[3]—输入层到隐含层神经元的连接权值;W2[3]—隐含层到输出层神经元的连接权值;b1[3]—隐含层偏置;b2—输出层偏置。

　　在得到以上神经网络的重要参数后,就可以编写神经网络计算软件并将其嵌入到MSP430单片机中。在编写神经网络计算软件中,需要用到以下公式:[2-3]

        通过以上方法,就可以将单片机与神经网络结合在一起。MSP430单片机通过内部A/D转换模块将气体传感器输出的电压值送入神经网络计算子程序即可得到对应的气体浓度值。最终可将气体浓度值以两种模式(×10-6或百分比)显示在6位LCD显示屏上。当浓度超过设定值时,即可启动声光报警功能。当电池电压不足时将启动电压不足报警功能。

　　2　系统结构及硬件设计

　　2.1　系统结构

　　系统以MSP430F149单片机为核心,由非加热型半导体气体传感器模块、电源模块、电压监测模块、液晶显示模块、键盘模块、声光报警模块及JTAG等组成。系统结构框图如1所示。

　　2.2　各模块原理及硬件实现

　　MSP430F149单片机为16位RISC结构;具有60K ROM,2RAM;有多种节能模式,丰富的片内外围模块,灵活的时钟系统等诸多优点。[4]采用4MHz的时钟晶振,片内外围模块使用了16位定时器Timer_A、模数转换器ADC12、比较器Comparator_A等。液晶显示部分采用LCM06XK液晶模块,可显示6位数字。

　　其中,最后一位用作显示模式位。当显示浓度为方式时,最后一位显示P;当显示浓度为百分比方式时,最后一位显示b.液晶模块的数据输入/输出、数据/指令写入控制、片选3个引脚分别由单片机的P3·5、P3·6、P3·7控制。