一種便攜式多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀的設(shè)計

摘要：介紹一種基于MSP430系列超低功耗單片機(jī)的多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀，詳細(xì)闡明了環(huán)境參數(shù)傳感器的選取、監(jiān)測儀軟硬件的設(shè)計與實現(xiàn)方法。該儀器充分利用MSP430單片機(jī)自身資源，具有小型便攜、高性能、低功耗、可編程等優(yōu)點，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(hù)。

本文以智能建筑為應(yīng)用背景，介紹一種通用性很強(qiáng)的便攜式多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測儀。它以MSP430F437超低功耗單片機(jī)為核心，配置新式的微型低功耗傳感器，實現(xiàn)了建筑物內(nèi)溫度、濕度、光照度、有害氣體濃度等參數(shù)的采集處理、存儲、通信等功能。文中詳細(xì)闡明了傳感器的選取、硬件結(jié)構(gòu)、軟件流程等相關(guān)技術(shù)，并指出該儀器的特點和優(yōu)勢。

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TMP35、集成濕度傳感器HM1500、熱線型半導(dǎo)體氣敏傳感器MR511以及集成光照度傳感器TSL253。與同類產(chǎn)品相比，它們在上述方面有一定的優(yōu)點，很適合便攜式儀表使用。

TMP35電壓輸出量與被測溫度T成線性關(guān)系，其式如（1）；HM1500輸出量為電壓，與被測濕度%RH成正比，且與溫度T有關(guān)系，其式如（2）；MR511內(nèi)有溫度補(bǔ)償，其輸出電壓與被測氣體濃度C成近似線性關(guān)系（線性度≤±5%），其式如（3），式中Nc為器件靈敏度，環(huán)境濕度為Vc的值有影響；TSL253電壓輸出量與被測光照度Ee成正比，且與溫度T有關(guān)，其式如（4），式中Ne為傳感器的靈敏等。

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)

上述各式說明，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(bǔ)償。在布置印刷電路板時盡量減少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(bǔ)償電路，或借助于單片機(jī)系統(tǒng)，由軟件查表等方法進(jìn)行處理、修正（用軟件實現(xiàn)傳感器的校正補(bǔ)償功能可降低儀器功耗）。如有可能可用標(biāo)準(zhǔn)測量儀進(jìn)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(jī)、測量轉(zhuǎn)換、鍵盤顯示、串口通信、電池電源等部分組成。電路中器件很少，功耗較低且功能強(qiáng)大。具體硬件電路原理圖如圖1所示。

2.1 MSP430單片機(jī)

單片機(jī)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PIC[1]等系列，TI公司帶閃速存儲器的MSP430F系列超低功耗單片機(jī)有著很大的優(yōu)勢。MSP430F單片機(jī)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（1.8～3.6V），電流小（280μA/1MHz/活動模式），5種低功耗模式；

·16位RISC架構(gòu)，27條精簡指令，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6μs；

·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P3～P6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P3～P5口；

·通用通信模塊UARST0，軟件可選同步/異步方式；

·具有自動循環(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(hù)。

^{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0～63，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0～23為程序代碼區(qū)、段24為LCD顯示字型表、段25～31存放校正和補(bǔ)償表格、段32～63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P3～P5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，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ADC12MEM0～ADC12MEM15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ADC12CTL0～ADC12CTL15，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A0～A3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ADC12MEM0～ADC12MEM12,對應(yīng)的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL12中通道重復(fù)配置A0～A3。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)核與參考電平發(fā)生器可分別進(jìn)入省電模式，為低功耗設(shè)計提供便利，而且進(jìn)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(jī)的P2.0來切合。

2.3 鍵盤顯示

MSP430F437有6個帶復(fù)用功能的P1～P6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P3～P5復(fù)用于LCD驅(qū)動，P1.0～P1.4作3×2快速鍵盤。

為讀取按鍵值，首先設(shè)置端口功能，P1.0～P1.2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，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2～4多選四種模式，最多可接4～32=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；S0～S31為段輸出（每段3μA）；COM0～COM3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(jī)根據(jù)控制鍵的命令信息，可分別選擇儀器“測量/通信”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(jìn)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(jī)。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)測儀使用異步通信的地址位多機(jī)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(jī)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(jī)命令后，轉(zhuǎn)入發(fā)送狀態(tài)，先置控制字符址位的TXWake=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(jī)P1.5腳送來高電平互鎖信號，使“ON”鍵松開后，OUT1維持輸出；按鍵盤“OFF”鍵，單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行充電（使用外部充電適配器）。

·自動關(guān)機(jī)。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(jī)P1.5腳送出低電平，OUT1腳輸出0V，從而切斷儀器電源實現(xiàn)自動關(guān)機(jī)。

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(jī)系統(tǒng)上電后，進(jìn)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（55μA）后，CPU即補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)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10～300ppm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26～31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(bǔ)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?。?mA），寫入速度快（≤25ms/512字節(jié)，遠(yuǎn)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32～63。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A0～A3的采樣順序循環(huán)采集各環(huán)境參數(shù)，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到存儲寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中。序列轉(zhuǎn)換完成后，將置位ADC12中斷請求標(biāo)志ADCIFG。

單片機(jī)響應(yīng)中斷進(jìn)入ADC12子程序后，先關(guān)閉測量電源以降低功耗，再讀取存儲寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并使用中值濾波得到各環(huán)境參數(shù)對應(yīng)的測量數(shù)字值。結(jié)合關(guān)系式（1）(2)(4)依次計算溫度、濕度、光照度的最終結(jié)果；對于氣體濃度，則使用上述查表格的過程得到結(jié)果。各環(huán)境參數(shù)的測量結(jié)果緩存至RAM區(qū)，查顯示字型表得顯示代碼并存入LCD存儲器，最后判定各環(huán)境參數(shù)是否超限并刷新LCD存儲器中告警部分。