基于MSP430單片機的小氣候采集系統

摘要：現有的農田小氣候要素主要靠人工獲取，耗時(shí)費力；現有專(zhuān)業(yè)設備過(guò)于昂貴，不利于組建高密度的觀(guān)測網(wǎng)。本系統是基于MSP430的小氣候采集系統，精度高，超低功耗，可以在設備自身供電的條件下長(cháng)時(shí)間在野外測量數據。且由于設備成本較低，可以利用多個(gè)設備組成傳感器網(wǎng)絡(luò )，并通過(guò)終端設備遠程設定采樣頻率，從而對某一區域的土壤溫濕度，空氣溫濕度，光照強度等信息做詳細的記錄。
關(guān)鍵詞：MSP430；傳感器；農業(yè)信息采集；無(wú)線(xiàn)傳輸

1 系統總體設計
基本電路由MSP430F149單片機驅動(dòng)外圍的傳感器設備，土壤溫濕度傳感器(5TM)、空氣溫濕度傳感器(SHT11)、光強度傳感器(S1087)分別負責采集土壤溫濕度、空氣溫濕度和光強度，可根據預設時(shí)間對數據進(jìn)行存儲，并可通過(guò)存儲集中傳輸的模式由射頻傳輸模塊進(jìn)行數據的遠距離的傳輸。由于所采用的傳感器響應時(shí)間短，可作為便攜式手持設備使用，從而大大提高測量速度，提高測量效率。

2 硬件部分
溫濕度傳感器SHT11：SHT11傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專(zhuān)業(yè)的工業(yè)CMOS過(guò)程微加工技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越長(cháng)期的穩定性。測濕精度±3．0[％RH]，測溫精度±0．4[℃]在25℃。傳感器包含一個(gè)電容式聚合體測濕原件和一個(gè)隙式測溫原件并與一個(gè)14位的A／D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現無(wú)縫連接。此產(chǎn)品具有超快響應，抗干擾能力強，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)SHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗試中進(jìn)行校準。數字信號的整個(gè)傳輸過(guò)程由CRC-8校驗，任何錯誤數據將被檢測到并清除。SCK接P1．4口，為串行時(shí)鐘輸入引腳，用于微MCU與SHT11之間的通訊同步。SDL接P1．5口，用于數據的讀取，在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。
5TM土壤溫濕度傳感器：利用水分是決定土壤介電常數的主要因素這一特點(diǎn)，通過(guò)測量土壤的介電常數并通過(guò)公式來(lái)精確得出土壤的真實(shí)濕度，另外為了更加準確地反應所測對象的濕度，5TM對國際上慣用的經(jīng)典算法進(jìn)行了改進(jìn)，提供了面向不同測量對象的算法供用戶(hù)調用，從而大幅地提高了所測量數據的準確性。靜態(tài)工作電流0．3mA，測量電流10mA，測量時(shí)間150ms，保證了設備快速測量和低功耗的特性。工作頻率70MHz，測量時(shí)OUT接P5．1口，向單片機傳送數據，VCC和GND分別接電源端和地端。測量濕度托普方程精度為±0．03m／m(±3％VWC)，采用修正后的方程精度可達(±1％～2％VWC)。溫度測量在-40℃～50℃時(shí)分辨率0．1℃，精度可達±1℃。

硅光電池：硅光電池S1133是一種直接把光能轉換成電能的半導體器件。它的結構很簡(jiǎn)單，核心部分是一個(gè)大面積的PN結，當二極管的管芯(PN結)受到光照時(shí)，由光生伏特效應產(chǎn)生回路電流。由于硅光電池的PN結面積比二極管的PN結大得多，所以受到光照時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢和電流也大得多。利用光伏效應可以將光強度的變化量通過(guò)電流變化的線(xiàn)性關(guān)系反映出來(lái)，再通過(guò)放大電路將信號進(jìn)行放大，依據他們之間的線(xiàn)性關(guān)系測得光強度。
K9F1G08U1A外部存儲芯片：由于單片機的存儲資源有限，為了能有效地存儲大量的數據，此處使用了Samsung公司推出的K9F1G08U1A外部存儲器件來(lái)擴展設備的存儲容量。NAND FLASH芯片具有ROM存儲器的特點(diǎn)，在斷電的情況下仍可以長(cháng)時(shí)間保存數據。電源電壓2．7V～3．6V，與MSP430F149一致，低功耗，容量可達128M×8Bit，K9F1G080M芯片提供了一根狀態(tài)指示信號線(xiàn)R／B接P4．5，該信號為低電平時(shí)，表示FLASH可能正處于編程、擦除或讀操作狀態(tài)；為高電平時(shí)，則表示為準備好狀態(tài)。NANDFLASH存儲器將數據線(xiàn)與地址線(xiàn)復用為8條線(xiàn)，另外還提供了命令控制信號線(xiàn)。因此，NAND FLASH存儲器不會(huì )因為存儲容量的增加而增加引腳數目。本系統中，K9F1G08U0M的數據輸入輸出口與單片機的P 2端口相連。片選信號與單片機的P 2．4相連，CLE(命令鎖存控制端)、ALE(地址鎖存控制端)、RE(讀操作控制端)、WE(寫(xiě)操作控制端)分別通
過(guò)控制單片機P4．1、P4．2、P4．3、P4．4引腳的電平，決定對FLASH進(jìn)行控制字操作、地址操作、寫(xiě)操作還是讀操作。在此不須使用寫(xiě)保護功能，所以接高電平。