基于MSP430F149的無(wú)線(xiàn)環(huán)境監測傳感器系統設計

　　傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計算機技術(shù)相結合構成的智能傳感器以其較高的精度、良好的可靠性、功能的多樣性等特點(diǎn)在過(guò)程控制以及信號監測中得到人們的關(guān)注, 已成為當今國內外研究的一大熱點(diǎn)。本文設計了一種用于對環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監測的無(wú)線(xiàn)傳感器系統, 在實(shí)際應用中能夠對環(huán)境參數進(jìn)行準確的測量并可靠傳輸, 體現了傳感器系統數字化、智能化、無(wú)線(xiàn)化的優(yōu)點(diǎn)。

　　該系統以MSP430F149 超低功耗微控制器為核心, 配置新式的微型低功耗傳感器, 可實(shí)時(shí)地對所測環(huán)境的溫度、濕度、光照強度、有害氣體濃度等參數進(jìn)行測量處理。采用電池供電,無(wú)線(xiàn)傳輸, 避免了布線(xiàn)的煩瑣, 而且具有良好的便攜性。

系統硬件設計

　　整個(gè)傳感器系統包括微處理器模塊( 16 位單片機MSP430F149、日歷時(shí)鐘芯片、復位電路及外圍電路) 、傳感器測量模塊( 溫濕度傳感器、光照強度傳感器、半導體型可燃氣體敏感元件MQ306A) 、存儲器模塊( Flash 存儲器SST25VF020) 、數據通信模塊( 串口通信、無(wú)線(xiàn)通信) 、電源模塊( LT1962EMS83.3、LT1761ES5- 5、LTC3459ES6) , 系統框圖如圖1。

　　MSP430F149 是TI 公司生產(chǎn)的一款超低功耗單片機, 能夠在1.8 V～3.6 V 電壓、1 MHz 的時(shí)鐘條件下運行, 具有5 種節電模式, 耗電流為0.1μA～400μA, 能夠在數據檢測時(shí)充分節電, 滿(mǎn)足電池供電下的節能要求; 具有強大的處理能力(RISC 結構、8MHz 晶體、驅動(dòng)指令周期125 ns) 和豐富的片內外設( 60 KB+256B Flash、2 KB RAM、12 位A/D 轉換,2 個(gè)串口/SPI 接口, 48 個(gè)I/O 口等) 。

　　PCF8563 是Philips公司推出的一款工業(yè)級具有I²C 總線(xiàn)接口的低功耗多功能時(shí)鐘/日歷芯片。PCF8563 的多種報警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能可完成各種復雜的定時(shí)服務(wù), 甚至可為單片機提供看門(mén)狗功能。該器件的內部時(shí)鐘電路、振蕩電路、低電壓檢測電路( 1.0 V) 以及兩線(xiàn)制I²C 總線(xiàn)通訊方式不但使外圍電路更加簡(jiǎn)潔, 而且增加了芯片的可靠性。而且,每次讀寫(xiě)數據后, 內嵌的字地址寄存器自動(dòng)產(chǎn)生增量。其連接電路如圖2。

傳感器測量模塊

光照強度傳感器

　　該系統選用了TI 公司的TSL230B 來(lái)測量環(huán)境周?chē)墓饩€(xiàn)強度。該器件采用先進(jìn)的LinCMOS^TM 工藝, 主要由多晶硅光電二極管和單片CMOS 電流頻率集成轉換器構成。不需外接元件即可完成高分辨率的光照度/頻率轉換?？蓪⒁欢ü庾V的光轉換成電流, 再由電流/頻率轉換器轉換成相應的脈沖頻率。輸出方波或者三角波的頻率完全由光照幅度決定, 分辨率高, 可以直接與微處理器相連, 如圖3所示。S0、S1 為靈敏度控制端, 實(shí)際上是通過(guò)改變器件上方的感光面積來(lái)調整靈敏度; S2、S3 為滿(mǎn)量程選擇端; OUT 為頻率信號輸出端, 進(jìn)入單片機的捕獲輸入, 通過(guò)計算兩次捕獲時(shí)間內計數器的數值差, 便可以計算出輸出頻率值, 根據圖4 所示的頻率- 能量關(guān)系曲線(xiàn)圖對照, 從而得到光線(xiàn)強度( 單位: μW/cm²) 。

溫度濕度傳感器

　　溫度、濕度的測量采用瑞士Sensirion 公司研制的SHT11 型智能化濕度/溫度傳感器, 它采用CMOSens 專(zhuān)利技術(shù)(CMOS 和傳感器技術(shù)的融合) ,外形尺寸僅為7.5 mm×5 mm×2.5 mm。SHT11 具有I²C 總線(xiàn)接口, 接口電路簡(jiǎn)單, 并具有數字式輸出、免調試、免標定、一致性好的特點(diǎn)。

　　SHT11 內部主要包括相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、A/D 轉換器、校準存儲器( E²PROM) 、隨機存取存儲器(RAM) 、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗碼(CRC) 寄存器、二線(xiàn)串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路; 可給出全校準相對濕度及溫度值輸出; 具有露點(diǎn)值計算輸出功能; 濕度值輸出分辨率為14 位, 溫度值輸出分辨率為12 位, 并可編程為12 位和8 位; 具有數據傳輸校驗功能。此傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn), 其工作原理如圖5 所示。

氣敏傳感器

　　該系統采用半導體型可燃氣體敏感元件MQ306A, 此傳感器是一種二氧化錫型半導體氣敏元件, 具有靈敏度高、穩定性高、壽命長(cháng)、驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單、電信號輸出大等特點(diǎn), 適合家庭、工廠(chǎng)、商業(yè)場(chǎng)所可燃氣體的泄漏檢測。該傳感器通過(guò)固定或可調外接負載電阻上電壓的變化獲得元件電阻的變化。測量電路將傳感器的輸出信號經(jīng)過(guò)一個(gè)低通巴特沃思濾波器和低功耗運算放大器LMV324 實(shí)現阻抗匹配, 進(jìn)入單片機MSP430F149 的12 位A/D 轉換, 得到電阻變化值。然后根據MQ306A 的靈敏度特性曲線(xiàn)圖反映器件電阻和氣體濃度之間的關(guān)系。

存儲器模塊

　　存儲器模塊采用超捷( SST) 公司的SST25VF020, 它以高效能超快閃( SuperFlash) 技術(shù)為基礎, 采用標準的8 引腳SOIC 封裝及超薄型WSON 封裝, 使用較少的引腳, 與EEPROM 等非易失性?xún)却娼鉀Q方案相比, 可減少電路板空間、耗能及成本。提供最新自動(dòng)地址增值(AAI) 資料寫(xiě)入模式, 相較于單一字節資料寫(xiě)入模式, 能將整個(gè)閃存的資料寫(xiě)入時(shí)間減少50%。SST25VF020 大小為2Mbit , 具有低功耗、靈活快速擦除、能夠進(jìn)行寫(xiě)保護等特點(diǎn)。

數據通信模塊

　　無(wú)線(xiàn)通信模塊采用挪威Nordic 公司研制的nRF401 無(wú)線(xiàn)收發(fā)器件, nRF401 可工作在433.92MHz/434.33 MHz ISM頻段。它采用FSK 調制解調技術(shù), 抗干擾能力強, 并采用PLL 頻率合成技術(shù), 頻率穩定性好, 發(fā)射功率可達10dB, 接收靈敏度達-105dB, 數據傳輸速率可達20 kb/s, 工作電壓范圍為+3V～5V。nRF401 無(wú)線(xiàn)收發(fā)器外圍電路簡(jiǎn)單,并可直接與單片機串口連接, 設計中工作頻率鎖定在434.33 MHz。

　　nRF401 的ANT1 和ANT2 引腳分別是接收時(shí)低噪聲接收放大器LNA 的輸入, 以及發(fā)送時(shí)發(fā)射功率放大器( PA) 的輸出。天線(xiàn)可以以差分方式連接到nRF401, 一個(gè)50 Ω的單端天線(xiàn)也可以通過(guò)一個(gè)差分轉換匹配網(wǎng)絡(luò )連接到nRF401, 目前實(shí)際應用中距離可達300 m 左右。

　　本系統用RS232 串口實(shí)現PC 機與傳感器系統間的串行通信, 利用MAX3232 進(jìn)行驅動(dòng)。

電源模塊

　　系統采用3節5號電池供電, 利用LT1962、LT1761、LTC3459ES6 電源器件為單片機、傳感器等提供合適的工作電壓。

系統軟件設計

　　測控程序利用MSP430 系列單片機配套的開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench 開(kāi)發(fā), 它同時(shí)支持匯編語(yǔ)言和C 語(yǔ)言編寫(xiě)。本系統采用C 語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)測控程序, 利用MSP430 系列單片機的JTAG 接口,通過(guò)TI 公司所帶的仿真器FET 可以方便的進(jìn)行程序調試和代碼下載。所有程序采用模塊化設計, 主流程如圖6 所示。

　　上位機控制軟件使用VC++6.0 和Access2002進(jìn)行編程設計, 按其功能主要分為數據處理模塊和數據庫模塊, 如圖7。

　　數據處理模塊主要完成數據的屏幕顯示、報表的打印輸出等功能。數據庫模塊主要實(shí)現數據記錄的查詢(xún)、統計、刪除、打印等功能。數據庫提供了多種約束條件進(jìn)行快速查詢(xún), 如按時(shí)間段查詢(xún)、傳感器類(lèi)型查詢(xún)、測控機查詢(xún)等, 統計數據可以表格、動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)、直方圖等形式顯示。

　　本系統實(shí)現了計算機在有線(xiàn)系統不能或者難以控制受控對象的場(chǎng)合( 特別是惡劣環(huán)境下的作業(yè)現場(chǎng)) 下, 對傳感器系統采集數據的實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)監測。系統具有較低的功耗, 能在各種環(huán)境下進(jìn)行數據的采集與處理。