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),式中Ne为传感器的灵敏等。
VT=[10×T](mV) (1)
VRH=[600×(%RH+38.5)/(39.1-0.056T)](mV) (2)
Vc=[Nc×C](mV) (3)
Vec=[(Nc×Ee) ×(1.05-0.002T)](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
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。
2.1 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[1]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[2]如下:
·工作电压低(1.8~3.6V),电流小(280μA/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6μs;
·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P3~P6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4×32段LCD液晶驱动器,其外部引线复用P3~P5口;
·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BOOT ROM使程序下载调试极其简便,程序代码由安全熔丝保护。
图2 地址位多通信协议图
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0~63,信息Flash分为每段128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0~23为程序代码区、段24为LCD显示字型表、段25~31存放校正和补偿表格、段32~63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P3~P5口驱动LCD液晶显示器;通用通信模块UARST0实现RS485串行通信;预留JTAG接口以方便用户对仪器更新升级。
2.2 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ADC12MEM0~ADC12MEM15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ADC12CTL0~ADC12CTL15,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A0~A3模拟输入端。4路信号的转换参考电平均取VR+=2.5V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。