便攜式多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀

1、基于P89V51RB2單片機的多參數(shù)便攜式環(huán)境監(jiān)測儀作者姓名： 李培、陳杰、趙天文專業(yè)： 計算機工程2011年9月26日 作品完成日期：作品闡述：采集周圍環(huán)境參數(shù)傳感器。該儀器以P89V51RB2單片機為核心，配置新式的微型低功耗傳感器，實現(xiàn)了室內(nèi)外溫度、濕度、光照度參數(shù)的采集處理、顯示功能，具有小型便攜、高性能、實時采集環(huán)境參數(shù)，可廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與保護特點。1.傳感器的選取傳感器是決定監(jiān)測儀精度的關(guān)鍵元件。傳感器的選擇主要依據(jù)工作環(huán)境、測量精度、線性度、互換性、靈敏度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、功耗、體積大小以及易于與MCU接口等。本監(jiān)測儀選用的各類傳感器分別為：集成溫度傳感器DH

2、T11、集成濕度傳感器DHT11、以及集成光照度傳感器BH1710。與同類產(chǎn)品相比，它們在上述方面有一定的優(yōu)點，適合便攜式儀表使用。高精度的監(jiān)測必須考慮傳感器的非線性、溫濕度影響、測量誤差及環(huán)境誤差等問題，尤其要著重解決測量中的非線性及溫濕度補償。在布置印刷電路板時盡量減少了引線電阻和分布電容以降低測量誤差。在電路設(shè)計上要加線性化處理電路及溫濕度補償電路，或借助于單片機系統(tǒng)，由軟件查表等方法進行處理、修正（用軟件實現(xiàn)傳感器的校正補償功能可降低儀器功耗）。如有可能可用標(biāo)準(zhǔn)測量儀進行校準(zhǔn)，以提高測量精度。圖1 監(jiān)測儀硬件電路原理圖2 硬件設(shè)計監(jiān)測儀主要由MSP430單片機、測量轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示、串口

3、通信、電池電源等部分組成。電路中器件很少，功耗較低且功能強大。具體硬件電路原理圖如圖1所示。2.1 MSP430單片機單片機系統(tǒng)是監(jiān)測儀的核心，它完成儀器的功能設(shè)定、測量對象選擇、信號處理存儲、狀態(tài)信息顯示、數(shù)據(jù)通訊等功能。相對于MCS51、MCS96及PIC1等系列，TI公司帶閃速存儲器的MSP430F系列超低功耗單片機有著很大的優(yōu)勢。MSP430F單片機有多種型號，其功能組合各異，能滿足不同應(yīng)用場合的要求。本設(shè)計采用MSP430F437，它的要特點2如下：·工作電壓低（1.83.6V），電流?。?80A/1MHz/活動模式），5種低功耗模式；·16位RISC架構(gòu)，27條

4、精簡指令，125ns指令周期；·豐富的中斷源并可任意嵌套，用中斷請求將系統(tǒng)從備用狀態(tài)喚醒僅需6s；·片內(nèi)看門狗及上電復(fù)位電路，可選時鐘源（XTAL1、XTAL2或內(nèi)部DCO）；·具有中斷功能的內(nèi)部比較器A；·雙向并行I/O口P1和P2（有中斷功能）及P3P6口，多數(shù)口有復(fù)用功能；·兩個16位定時器A、B，均各帶3個比較/捕獲模塊，每個模塊可獨立編程，用于產(chǎn)生定時脈沖，捕獲外部事件；·片內(nèi)集成4×32段LCD液晶驅(qū)動器，其外部引線復(fù)用P3P5口；·通用通信模塊UARST0，軟件可選同步/異步方式；·具有自動

5、循環(huán)采集功能的8通道12位ADC12，自帶采樣保持器和可選電壓基準(zhǔn)；·JTAG接口或片內(nèi)BOOT ROM使程序下載調(diào)試極其簡便，程序代碼由安全熔絲保護。圖2 地址位多通信協(xié)議圖MSP430F437不需加裝存儲器，片內(nèi)自帶1K字節(jié)RAM及在線可擦除編程32K字節(jié)主Flash+256字節(jié)信息Flash。片內(nèi)Flash模塊包含3個控制寄存器、時序發(fā)生器、擦除/編程電壓發(fā)生器及Flash存儲器本身。其中主Flash分為每段512字節(jié)的段063，信息Flash分為每段128字節(jié)的段A、B。MSP430F437存儲器可放大型數(shù)表，有高效的查表處理方法。本監(jiān)測儀安排段023為程序代碼區(qū)、段24為L

6、CD顯示字型表、段2531存放校正和補償表格、段3263為用戶采集數(shù)據(jù)保存區(qū)、段A+B存放各類參數(shù)。在電路中，其他主要模塊的功能分配為：16位定時器A的比較/捕獲模塊0實現(xiàn)實現(xiàn)時分秒計時，比較/捕獲模塊1控制A/D采樣周期；16位定時器B可實現(xiàn)PWM輸出，預(yù)留作控制口；ADC12用于環(huán)境參數(shù)測量；比較器A作電池欠壓監(jiān)測；復(fù)用P3P5口驅(qū)動LCD液晶顯示器；通用通信模塊UARST0實現(xiàn)RS485串行通信；預(yù)留JTAG接口以方便用戶對儀器更新升級。2.2 測量轉(zhuǎn)換MSP430F437的ADC12轉(zhuǎn)換模塊具有高速通用的特點，12位的轉(zhuǎn)換精度保證一般采樣的分辨率要求。它的8個外部模擬采樣通道可任意配置

7、，轉(zhuǎn)換參考電平VR+和VR-來自內(nèi)部或外部，也可以是兩者的組合；內(nèi)嵌的采樣/保持電路給用戶提供了對采樣時序的各種選擇，采樣時序可通過軟件位、3種內(nèi)部或外部信號來直接控制。ADC12有4種工作模式?？梢栽趩瓮ǖ郎蠈崿F(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換，序列通道上實現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或重單次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換，在序列通道上實現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或重復(fù)轉(zhuǎn)換。對于序列通道轉(zhuǎn)換，采樣順序完全由用戶定義。ADC12轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在16個轉(zhuǎn)換存儲寄存器ADC12MEM0ADC12MEM15中。其值如（5）式：NADC=4096×（Vin-VR-）/(VR+-VR-) （5）每個存儲寄存器有各自相應(yīng)的控制寄存器ADC12CTL0ADC12

8、CTL15，可用軟件獨立配置采樣通道號及轉(zhuǎn)換所需參考電平。本監(jiān)測儀中，各環(huán)境參數(shù)傳感器的輸出經(jīng)U2前置放大后，送入A0A3模擬輸入端。4路信號的轉(zhuǎn)換參考電平均取VR+=2.5V和VR-=0V。ADC12工作模式設(shè)為序列通道單次轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換由定時器A比較/捕獲模塊1的定時輸出OUT1啟動。序列單次轉(zhuǎn)換完成后，將置位ADC12中斷請求。序列通道為ADC12MEM0ADC12MEM12,對應(yīng)的控制寄存器ADC12CTL0ADC12CTL12中通道重復(fù)配置A0A3。這樣等時間間隔內(nèi)每個環(huán)境參數(shù)可連續(xù)采樣3次，然后在ADC12中斷服務(wù)程序內(nèi)使用中值濾波得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。需要指出的是，ADC12的轉(zhuǎn)換內(nèi)核與

9、參考電平發(fā)生器可分別進入省電模式，為低功耗設(shè)計提供便利，而且進一步降低功耗、延長傳感元件的使用壽命。測量電路的電源設(shè)置為單獨可控，由U3的OUT2輸出供給，并通過單片機的P2.0來切合。2.3 鍵盤顯示MSP430F437有6個帶復(fù)用功能的P1P6雙和同I/O口。其中P1、P2設(shè)置成輸入時，引腳上任何狀態(tài)變化都會觸發(fā)中斷。本設(shè)計將P3P5復(fù)用于LCD驅(qū)動，P1.0P1.4作3×2快速鍵盤。為讀取按鍵值，首先設(shè)置端口功能，P1.0P1.2為輸出口，依次輸出低電平；P1.3、P1.4為輸入口，開放中斷，選定下降沿觸發(fā)。當(dāng)有鍵按下時，在P1口中斷服務(wù)程序內(nèi)，完成去抖動延時、鍵值讀取等功能，

10、得到的鍵值交后續(xù)程序處理。片內(nèi)LCD驅(qū)動器可工作于靜態(tài)及24多選四種模式，最多可接432=128段液晶。圖1中R33、R23、R13、R03引腳設(shè)定模擬偏置電壓，提供驅(qū)動能力，典型接線為電阻分壓VR33=VCC、VR23=2/3Vcc、VR13=1/3cc、VR03=0V；S0S31為段輸出（每段3A）；COM0COM3為公共輸出，接LCD背極。對LCD的軟件控制極其簡單，它有一個控制寄存器LCDCTL，定義工作模式及電流消耗。20個顯示存儲器LCDM（使用16個）存放128段要顯示的狀態(tài)信息，其內(nèi)容可采用高效的尋址方式查顯示字型表獲得。單片機根據(jù)控制鍵的命令信息，可分別選擇儀器“測量/通信”

11、使用方式、“單次/循環(huán)”采集類型，并可按鍵校時、設(shè)置參數(shù)、啟動采集、數(shù)據(jù)存儲確定等。LCD顯示屏可由定制、時分、超量程和電池欠電告警組成1×32段，剩余3×32為多用顯示區(qū)，可依次顯示操作提示、工作狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)測量結(jié)果，從而大大方便了用戶。2.4 串口通信為了對采集到的數(shù)據(jù)進行深入處理（如統(tǒng)計分析、打印存檔、繪制曲線圖表等），需將數(shù)據(jù)從檢測儀送至計算機。數(shù)據(jù)傳輸使用MSP430F437的標(biāo)準(zhǔn)USART通信模塊（復(fù)位SYNC=0選擇異步功能），并外接低功耗器件MAX485E，構(gòu)成一個半雙工RS485串行通信口。為提高通信的可靠性，便于儀器與其它智能設(shè)備組網(wǎng)實現(xiàn)控制功能，本監(jiān)

12、測儀使用異步通信的地址位多機通信格式。異步幀由1起始位、8數(shù)據(jù)位、1地址位、1停止位組成，波特率編程為9600bps。USART通信模塊的地址位多要通信協(xié)議如圖2所示。通信時，先置RS485處于接收狀態(tài)，并置接收喚醒中斷允許位URXWIE=1（此時只有地址字符能觸發(fā)接收中斷）。當(dāng)接收一個地址位置的字符時，通信模塊的接收器被激活，字符送入URXBUF，同時接收中斷標(biāo)志URXIFG置位。在串口接收中斷服務(wù)程序內(nèi)可以檢驗收到的地址，如果匹配，置URXWIE=0，單片機將讀取數(shù)據(jù)塊的后續(xù)數(shù)據(jù)；如果地址不匹配，則等待下一地址字符的到來。RS485接收到主機命令后，轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài)，先置控制字符址位的TXWa

13、ke=1。當(dāng)?shù)刂纷址?位數(shù)據(jù)從UTXBUF傳送至發(fā)送器時，TXWake位裝入待發(fā)送字符的地址位，每一字符發(fā)送完，TXWake位被自動清除，引起發(fā)送中斷UTXIFG。在串口發(fā)送中斷服務(wù)程序內(nèi)，用戶可依次發(fā)送完整數(shù)據(jù)塊，再重置RS485接收狀態(tài)。2.5 電源控制本儀器采用1節(jié)3.6V/4Ah鋰離子電池。為保證多路供電及模擬信號測量的精度，設(shè)計了以ADP3302AR1雙低壓差線性電源穩(wěn)壓芯片（U3）為主的電源控制電路，完成以下功能；·電源通斷。按鍵盤“ON”鍵，U3的SD1腳為高電平，OUT1腳輸出儀器所需主電源Vcc，單片機P1.5腳送來高電平互鎖信號，使“ON”鍵松開后，OUT1維持

14、輸出；按鍵盤“OFF”鍵，單片機P1.5腳送出低電平，關(guān)斷OUT1腳輸出；U3的OUT2腳輸出模擬測量電路所需的3V，測量電源可單獨切合，由單片機P2.0腳的電平控制。·電池電壓監(jiān)測。U3的加載電壓應(yīng)不低于3V，否則不能正常工作。單片機的片內(nèi)比較器A有多個基準(zhǔn)，選擇其中之一0.5×Vcc=1.5V，電池正極通過分壓電阻直連比較器輸入腳CA0。當(dāng)電池電壓低于設(shè)定值時，觸發(fā)比較器A中斷，在中斷服務(wù)程序內(nèi)，驅(qū)動LCD告警顯示，提示用戶對電流進行充電（使用外部充電適配器）。·自動關(guān)機。每次測試完畢，如果不再操作，則通過定時器比較/捕獲0中斷計時；5分鐘后，單片機P1.5腳

15、送出低電平，OUT1腳輸出0V，從而切斷儀器電源實現(xiàn)自動關(guān)機。3 軟件設(shè)計檢測儀的軟件用MSP430匯編語言編制。為了方便程序調(diào)度和提高可靠性，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由初始化程序、主程序、子程序、參數(shù)表格等組成。3.1軟件功能與特點單片機系統(tǒng)上電后，進入初始化程序，完成片內(nèi)各模塊的設(shè)置、清LCD存儲器、端口設(shè)定等初始化工作，然后轉(zhuǎn)入主程序，開啟中斷，循環(huán)設(shè)置低功耗模式并執(zhí)行空操作。本軟件設(shè)計的一大特點是采用中斷事件驅(qū)動技術(shù)，其目的在于降低功耗。在主程序設(shè)置LPM0低功耗模式（55A）后，CPU即補禁止，外圍模塊維持活動，并等待各類中斷事件。如有中斷，CPU被喚醒并執(zhí)行各種中斷服務(wù)子程序完成事

16、件處理。每次執(zhí)行完中斷服務(wù)子程序返回，在主程序中又重置LPM0低功耗模式，并等待下一個中斷事件的到來，如此往復(fù)，可使系統(tǒng)多數(shù)時間處于低功耗運行。本設(shè)計另一特點是利用MSP430F437的高效查表功能，編制了氣體濃度測量的非線性校正和濕度補償表格，極大地提高了程序運行速度和采集精度。表格的生成是在有限個數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過拉格朗日插值進行曲線擬合3獲得。具體步驟如下：（1）在濕度5%RH情況下，測量典型氣敏傳感器在不同氣體濃度點C時，ADC12轉(zhuǎn)換存儲寄存器中對應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果Nc。測試中，在10300ppm范圍內(nèi)等距離取10個濃度點；（2）使用曲線擬合的方法，并結(jié)合關(guān)系式（3），擬合出5%RH時數(shù)字

17、量Nc與氣體濃度C間的連續(xù)曲線，將曲線按1ppm的間隔離散化后，存入段25中；（3）分別在20%RH、35%RH、50%RH、65%RH、80%RH、95%RH的濕度下，重復(fù)上述測量與數(shù)據(jù)處理過程，形成6條不同濕度下的Nc-C的非線性曲線，存在段2631中。需要注意：正常時采樣得到數(shù)字量Nc和當(dāng)前濕度值后，先查該濕度所在范圍對應(yīng)的上下兩條曲線，即根據(jù)Nc并使用線性插值得到上下兩個氣體濃度值，再根據(jù)當(dāng)前濕度并使用線性插值得到濕度補償后的最終氣體濃度值。3.2 軟件流程舉例本檢測儀的程序眾多。限于篇幅，僅介紹有特色的Flash數(shù)據(jù)保存于程序以及較為關(guān)鍵的ADC12子程序。MSP430F437可通過

18、JTAG接口或片內(nèi)BOOT ROM下載調(diào)試修改程序，甚至允許用戶程序在運行中將采集處理的數(shù)據(jù)快速安全地保存到Flash存儲器中，而無須任何外接器件。數(shù)據(jù)保存要用快速的段寫入方法和寫字節(jié)序列模式，寫入電流小（3mA），寫入速度快（25ms/512字節(jié)，遠超過串行EEPROM的頁寫速度5ms/16字節(jié)），10萬寫入次數(shù)，100年數(shù)據(jù)保存。每次采集處理完畢，即將16字節(jié)/批數(shù)據(jù)“批號-時間-環(huán)境參數(shù)”存入段3263。圖3為16字節(jié)數(shù)據(jù)存入的程序框圖，其中Lock、Busy、SEG WRT、WRT、Wait是Flash控制寄存器內(nèi)涉及編程的各控制位或狀態(tài)位。ADC12子程序用于環(huán)境參數(shù)測量。當(dāng)按下測量鍵或采樣時間到，定時器A的OUT1啟動序列通道單次轉(zhuǎn)換，ADC12自行按A0A3的采樣順序