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1、便携式多参数环境监测仪的设计本文以智能建筑为应用背景 , 介绍一种通用性很强的便携式多参数环境监测仪。它以 MSP430F437超低功耗单片机为核心 , 配置新式的微型低功耗传感器 , 实现了建筑物内温度、湿度、光照度、有害气体浓度等参数的采集处理、存储、通信等功能。文中详细阐明了传感器的选取、硬件结构、软件流程等相关技术 , 并指出该仪器的特点和优势。1 传感器的选取传感器是决定监测仪精度的关键元件。传感器的选择主要依据工作环境、测量精度、线性度、互换性、灵敏度、响应速度、稳定性、功耗、体积大小以及易于与MCU接口等。本监测仪选用的各类传感器分别为: 集成温度传感器TMP35、集成湿度传感器
2、 HM1500、热线型半导体气敏传感器MR511以及集成光照度传感器TSL253。与同类产品相比 , 它们在上述方面有一定的优点, 很适合便携式仪表使用。TMP35电压输出量与被测温度 T 成线性关系 , 其式如 (1);HM1500 输出量为电压 , 与被测湿度 %RH成正比 , 且与温度 T 有关系 , 其式如 (2);MR511 内有温度补偿 , 其输出电压与被测气体浓度 C 成近似线性关系 ( 线性度5%), 其式如 (3),式中 Nc 为器件灵敏度 , 环境湿度为 Vc 的值有影响 ;TSL253 电压输出量与被测光照度 Ee 成正比 , 且与温度 T 有关 , 其式如 (4), 式
3、中 Ne为传感器的灵敏等。VT=10T(mV)(1)VRH=600(%RH+)/()(mV)(2)Vc=NcC(mV)(3)Vec=(Nc Ee) ()(mV)(4)上述各式说明 , 高精度的监测必须考虑传感器的非线性、温湿度影响、测量误差及环境误差等问题, 尤其要着重解决测量中的非线性及温湿度补偿。在布置印刷电路板时尽量减少引线电阻和分布电容以降低测量误差。在电路设计上要加线性化处理电路及温湿度补偿电路, 或借助于单片机系统, 由软件查表等方法进行处理、 修正 ( 用软件实现传感器的校正补偿功能可降低仪器功耗) 。如有可能可用标准测量仪进行校准, 以提高测量精度。图 1 监测仪硬件电路原理图
4、2 硬件设计监测仪主要由 MSP430单片机、测量转换、键盘显示、串口通信、电池电源等部分组成。电路中器件很少 , 功耗较低且功能强大。具体硬件电路原理图如图 1 所示。MSP430 单片机单片机系统是监测仪的核心, 它完成仪器的功能设定、测量对象选择、信号处理存储、状态信息显示、数据通讯等功能。相对于 MCS51、 MCS96及 PIC 等系列 ,TI 公司带闪速存储器的 MSP430F系列超低功耗单片机有着很大的优势。 MSP430F单片机有多种型号 , 其功能组合各异 , 能满足不同应用场合的要求。本设计采用 MSP430F437,它的要特点如下 :工作电压低 (), 电流小 (280
5、A/1MHz/活动模式 ),5种低功耗模式 ;16 位 RISC架构 ,27 条精简指令 ,125ns 指令周期 ; 丰富的中断源并可任意嵌套 , 用中断请求将系统从备用状态唤醒仅需 6s;片内看门狗及上电复位电路, 可选时钟源 (XTAL1、 XTAL2 或内部DCO);具有中断功能的内部比较器A;双向并行 I/O 口 P1 和 P2(有中断功能 ) 及 P3P6口, 多数口有复用功能 ;两个 16 位定时器 A、B, 均各带 3 个比较 / 捕获模块 , 每个模块可独立编程 , 用于产生定时脉冲 , 捕获外部事件 ;片内集成 432 段 LCD液晶驱动器 , 其外部引线复用 P3P5口 ;
6、 通用通信模块 UARST0,软件可选同步 / 异步方式 ; 具有自动循环采集功能的 8 通道 12 位 ADC12,自带采样保持器和可选电压基准 ;JTAG接口或片内 BOOTROM使程序下载调试极其简便 , 程序代码由安全熔丝保护。图 2 位多通信协议图MSP430F437不需加装存储器 , 片内自带 1K字节 RAM及在线可擦除编程 32K字节主 Flash+256 字节信息 Flash 。片内 Flash 模块包含 3 个控制寄存器、时序发生器、擦除 / 编程电压发生器及 Flash 存储器本身。其中主 Flash 分为每段 512 字节的段 063, 信息 Flash 分为每段 12
7、8 字节的段 A、B。MSP430F437存储器可放大型数表 , 有高效的查表处理方法。本监测仪安排段023 为程序代码区、段 24 为 LCD显示字型表、段 2531 存放校正和补偿表格、段 3263 为用户采集数据保存区、段 A+B存放各类参数。在电路中 , 其他主要模块的功能分配为 :16 位定时器 A 的比较 / 捕获模块 0 实现实现时分秒计时 , 比较 / 捕获模块 1 控制 A/D 采样周期 ;16 位定时器 B 可实现 PWM输出 , 预留作控制口 ;ADC12 用于环境参数测量 ; 比较器 A 作电池欠压监测 ; 复用 P3P5口驱动 LCD液晶显示器 ; 通用通信模块 UA
8、RST0实现 RS485串行通信 ; 预留 JTAG接口以方便用户对仪器更新升级。测量转换MSP430F437的 ADC12转换模块具有高速通用的特点,12 位的转换精度保证一般采样的分辨率要求。它的 8 个外部模拟采样通道可任意配置 , 转换参考电平 VR+和 VR-来自内部或外部 , 也可以是两者的组合 ; 内嵌的采样 / 保持电路给用户提供了对采样时序的各种选择 , 采样时序可通过软件位、 3 种内部或外部信号来直接控制。 ADC12有 4 种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换 , 序列通道上实现单次转换或重单次转换或多次转换 , 在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列
9、通道转换 , 采样顺序完全由用户定义。ADC12转换结果保存在 16 个转换存储寄存器 ADC12MEM0ADC12MEM15 中。其值如 (5) 式:NADC=4096(Vin -VR-)/(VR+-VR-)(5)每个存储寄存器有各自相应的控制寄存器 ADC12CTL0ADC12CTL15, 可用软件独立配置采样通道号及转换所需参考电平。本监测仪中 , 各环境参数传感器的输出经 U2前置放大后 , 送入 A0A3 模拟输入端。 4 路信号的转换参考电平均取 VR+=和 VR-=0V。ADC12工作模式设为序列通道单次转换 , 每次转换由定时器 A比较 / 捕获模块 1 的定时输出 OUT1启动。序列单次转换完成后 , 将置位 ADC12中断请求。
便携式多参数环境监测仪的设计
