一种便携式多参数环境监测仪的设计

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
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≤%26;#177;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%26;#215;T](mV) (1) VRH=[600%26;#215;(%RH+38.5)/(39.1-0.056T)](mV) (2) Vc=[Nc%26;#215;C](mV) (3) Vec=[(Nc%26;#215;Ee) %26;#215;(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: %26;#183;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; %26;#183;16位RISC架构,27条精简指令,125ns指令周期; %26;#183;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; %26;#183;片内看门狗及上电复位电路,可选时钟源(XTAL1、XTAL2或内部DCO); %26;#183;具有中断功能的内部比较器A; %26;#183;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; %26;#183;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; %26;#183;片内集成4%26;#215;32段LCD液晶驱动器,其外部引线复用P3~P5口; %26;#183;通用通信模块UARST0,软件可选同步/异步方式; %26;#183;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; %26;#183;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%26;#215;(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。 序列通道为ADC12MEM0~ADC12MEM12,对应的控制寄存器ADC12CTL0~ADC12CTL12中通道重复配置A0~A3。这样等时间间隔内每个环境参数可连续采样3次,然后在ADC12中断服务程序内使用中值滤波得到转换结果。 需要指出的是,ADC12的转换内核与参考电平发生器可分别进入省电模式,为低功耗设计提供便利,而且进一步降低功耗、延长传感元件的使用寿命。测量电路的电源设置为单独可控,由U3的OUT2输出供给,并通过单片机的P2.0来切合。 2.3 键盘显示 MSP430F437有6个带复用功能的P1~P6双和同I/O口。其中P1、P2设置成输入时,引脚上任何状态变化都会触发中断。本设计将P3~P5复用于LCD驱动,P1.0~P1.4作3%26;#215;2快速键盘。 为读取按键值,首先设置端口功能,P1.0~P1.2为输出口,依次输出低电平;P1.3、P1.4为输入口,开放中断,选定下降沿触发。当有键按下时,在P1口中断服务程序内,完成去抖动延时、键值读取等功能,得到的键值交后续程序处理。 片内LCD驱动器可工作于静态及2~4多选四种模式,最多可接4~32=128段液晶。图1中R33、R23、R13、R03引脚设定模拟偏置电压,提供驱动能力,典型接线为电阻分压VR33=VCC、VR23=2/3Vcc、VR13=1/3cc、VR03=0V;S0~S31为段输出(每段3μA);COM0~COM3为公共输出,接LCD背极。对LCD的软件控制极其简单,它有一个控制寄存器LCDCTL,定义工作模式及电流消耗。20个显示存储器LCDM(使用16个)存放128段要显示的状态信息,其内容可采用高效的寻址方式查显示字型表获得。 单片机根据控制键的命令信息,可分别选择仪器“测量/通信”使用方式、“单次/循环”采集类型,并可按键校时、设置参数、启动采集、数据存储确定等。LCD显示屏可由定制、时分、超量程和电池欠电告警组成1%26;#215;32段,剩余3%26;#215;32为多用显示区,可依次显示操作提示、工作状态、环境参数测量结果,从而大大方便了用户。 2.4 串口通信 为了对采集到的数据进行深入处理 (如统计分析、打印存档、绘制曲线图表等),需将数据从检测仪送至计算机。数据传输使用MSP430F437的标准USART通信模块(复位SYNC=0选择异步功能),并外接低功耗器件MAX485E,构成一个半双工RS485串行通信口。 为提高通信的可靠性,便于仪器与其它智能设备组网实现控制功能,本监测仪使用异步通信的地址位多机通信格式。异步帧由1起始位、8数据位、1地址位、1停止位组成,波特率编程为9600bps。USART通信模块的地址位多要通信协议如图2所示。 通信时,先置RS485处于接收状态,并置接收唤醒中断允许位URXWIE=1(此时只有地址字符能触发接收中断)。当接收一个地址位置的字符时,通信模块的接收器被激活,字符送入URXBUF,同时接收中断标志URXIFG置位。在串口接收中断服务程序内可以检验收到的地址,如果匹配,置URXWIE=0,单片机将读取数据块的后续数据;如果地址不匹配,则等待下一地址字符的到来。 RS485接收到主机命令后,转入发送状态,先置控制字符址位的TXWake=1。当地址字符的8位数据从UTXBUF传送至发送器时,TXWake位装入待发送字符的地址位,每一字符发送完,TXWake位被自动清除,引起发送中断UTXIFG。在串口发送中断服务程序内,用户可依次发送完整数据块,再重置RS485接收状态。 2.5 电源控制 本仪器采用1节3.6V/4Ah锂离子电池。为保证多路供电及模拟信号测量的精度,设计了以ADP3302AR1双低压差线性电源稳压芯片(U3)为主的电源控制电路,完成以下功能; %26;#183;电源通断。按键盘“ON”键,U3的SD1脚为高电平,OUT1脚输出仪器所需主电源Vcc,单片机P1.5脚送来高电平互锁信号,使“ON”键松开后,OUT1维持输出;按键盘“OFF”键,单片机P1.5脚送出低电平,关断OUT1脚输出;U3的OUT2脚输出模拟测量电路所需的3V,测量电源可单独切合,由单片机P2.0脚的电平控制。 %26;#183;电池电压监测。U3的加载电压应不低于3V,否则不能正常工作。单片机的片内比较器A有多个基准,选择其中之一0.5%26;#215;Vcc=1.5V,电池正极通过分压电阻直连比较器输入脚CA0。当电池电压低于设定值时,触发比较器A中断,在中断服务程序内,驱动LCD告警显示,提示用户对电流进行充电(使用外部充电适配器)。 %26;#183;自动关机。每次测试完毕,如果不再操作,则通过定时器比较/捕获0中断计时;5分钟后,单片机P1.5脚送出低电平,OUT1脚输出0V,从而切断仪器电源实现自动关机。 3 软件设计 检测仪的软件用MSP430汇编语言编制。为了方便程序调度和提高可靠性,软件采用模块化结构,主要由初始化程序、主程序、子程序、参数表格等组成。 3.1软件功能与特点 单片机系统上电后,进入初始化程序,完成片内各模块的设置、清LCD存储器、端口设定等初始化工作,然后转入主程序,开启中断,循环设置低功耗模式并执行空操作。 本软件设计的一大特点是采用中断事件驱动技术,其目的在于降低功耗。在主程序设置LPM0低功耗模式(55μA)后,CPU即补禁止,外围模块维持活动,并等待各类中断事件。如有中断,CPU被唤醒并执行各种中断服务子程序完成事件处理。 每次执行完中断服务子程序返回,在主程序中又重置LPM0低功耗模式,并等待下一个中断事件的到来,如此往复,可使系统多数时间处于低功耗运行。 本设计另一特点是利用MSP430F437的高效查表功能,编制了气体浓度测量的非线性校正和湿度补偿表格,极大地提高了程序运行速度和采集精度。表格的生成是在有限个数据基础上,通过拉格朗日插值进行曲线拟合[3]获得。具体步骤如下: (1)在湿度5%RH情况下,测量典型气敏传感器在不同气体浓度点C时,ADC12转换存储寄存器中对应的数字量结果Nc。测试中,在10~300ppm范围内等距离取10个浓度点; (2)使用曲线拟合的方法,并结合关系式(3),拟合出5%RH时数字量Nc与气体浓度C间的连续曲线,将曲线按1ppm的间隔离散化后,存入段25中; (3)分别在20%RH、35%RH、50%RH、65%RH、80%RH、95%RH的湿度下,重复上述测量与数据处理过程,形成6条不同湿度下的Nc-C的非线性曲线,存在段26~31中。 需要注意:正常时采样得到数字量Nc和当前湿度值后,先查该湿度所在范围对应的上下两条曲线,即根据Nc并使用线性插值得到上下两个气体浓度值,再根据当前湿度并使用线性插值得到湿度补偿后的最终气体浓度值。 3.2 软件流程举例 本检测仪的程序众多。限于篇幅,仅介绍有特色的Flash数据保存于程序以及较为关键的ADC12子程序。 MSP430F437可通过JTAG接口或片内BOOT ROM下载调试修改程序,甚至允许用户程序在运行中将采集处理的数据快速安全地保存到Flash存储器中,而无须任何外接器件。数据保存要用快速的段写入方法和写字节序列模式,写入电流小(3mA),写入速度快(≤25ms/512字节,远超过串行EEPROM的页写速度5ms/16字节),10万写入次数,100年数据保存。每次采集处理完毕,即将16字节/批数据“批号-时间-环境参数”存入段32~63。图3为16字节数据存入的程序框图,其中Lock、Busy、SEG WRT、WRT、Wait是Flash控制寄存器内涉及编程的各控制位或状态位。 ADC12子程序用于环境参数测量。当按下测量键或采样时间到,定时器A的OUT1启动序列通道单次转换,ADC12自行按A0~A3的采样顺序循环采集各环境参数,并将转换结果保存到存储寄存器ADC12MEM0~ADC12MEM11中。序列转换完成后,将置位ADC12中断请求标志ADCIFG。 单片机响应中断进入ADC12子程序后,先关闭测量电源以降低功耗,再读取存储寄存器ADC12MEM0~ADC12MEM11中的转换结果,并使用中值滤波得到各环境参数对应的测量数字值。结合关系式(1)(2)(4)依次计算温度、湿度、光照度的最终结果;对于气体浓度,则使用上述查表格的过程得到结果。各环境参数的测量结果缓存至RAM区,查显示字型表得显示代码并存入LCD存储器,最后判定各环境参数是否超限并刷新LCD存储器中告警部分。
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