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一种便携式多参数环境监测仪的设计

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:介绍一种基于MSP430系列超低功耗单片机的多参数环境监测仪,详细阐明了环境参数传感器的选取、监测仪软硬件的设计与实现方法。该仪器充分利用MSP430单片机自身资源,具有小型便携、高性能、低功耗、可编程等优点,可广泛应用于诸多领域的环境参数监测与保护。

    关键词:MSP430单片机 环境参数 监测仪 低功耗

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;

·

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