基于MSP430的便攜式紫外線(xiàn)強度檢測儀設計

0 引言

眾所周知，太陽(yáng)光中適量的紫外線(xiàn)對可以殺菌消毒，增強體質(zhì)，對人有很大幫助。而過(guò)量的紫外線(xiàn)則對人和其他生物有害。紫外線(xiàn)的預報與利用在一些發(fā)達國家已經(jīng)趨于成熟，而在我國尚處于起步階段，多數數據資源壟斷于氣象業(yè)務(wù)部門(mén)，不利于公眾獲得第一手的信息。且在某個(gè)地段檢測到的數據具有較大局限性，尤其在高樓林立的城市中或地形復雜的旅游景點(diǎn)里甚至不具有參考價(jià)值，遠不能滿(mǎn)足人們的需求。

本文提出了一種基于MSP430的便攜式紫外線(xiàn)檢測儀設計方案，該方案對紫外線(xiàn)強度進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)地、連續的檢測。具有數據存儲和實(shí)時(shí)數據查看、顯示當前強度值及其他便民信息等功能，測量數據可通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現與其他終端設備或上位機共享，以實(shí)現多點(diǎn)組網(wǎng)的紫外線(xiàn)監測。

1 系統總體設計方案

便攜式紫外線(xiàn)檢測儀系統主要由數據采集與處理系統、人機接口系統和通信系統組成。系統框圖如圖1所示。

首先通過(guò)UVM30A紫外線(xiàn)傳感器模塊，把檢測到的太陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)轉換為電信號，送給MSP430F149單片機，通過(guò)軟件設置使用單片機自帶的12位A／D把得到的電壓值進(jìn)行轉換并處理。然后通過(guò)128×64液晶將實(shí)時(shí)數據顯示在液晶屏上，并可以通過(guò)按鍵設置進(jìn)行數據保存、查看、設備加密、蜂嗚器報警強度、通信傳輸。通過(guò)相應的通信設置，實(shí)現設備間的數據傳輸和計算機對便攜式設備上實(shí)時(shí)數據的實(shí)時(shí)監控和管理。

1．1 低功耗設計

對于便攜式設備而言，最重要的特點(diǎn)是能夠最大限度的降低功耗，盡可能延長(cháng)使用時(shí)間。

1．1．1 硬件

系統首先要選擇一個(gè)極低功耗的處理器。

MSP430系列單片機在活動(dòng)模式時(shí)僅耗電250μA／MIPS，其輸入端口的漏電流最大為50 nA，遠低于其他系列單片機(一般為1～10μA)，并且可選擇性地關(guān)閉其內部功能模塊。其次，系統各模塊電路中所采用的芯片都具有寬供電范圍，基本都滿(mǎn)足3～5 V的供電區間，輔以3．3 V電壓轉換芯片為整個(gè)系統提供電源，盡量把系統功能通過(guò)軟件層面實(shí)現，從而減少了整個(gè)系統的硬件結構的耗電量。

1．1．2 軟件

在軟件層面上，參考手機的供電特點(diǎn)，當用戶(hù)長(cháng)時(shí)間不進(jìn)行操作的時(shí)候，軟件設計自動(dòng)關(guān)閉液晶并使系統進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而最大限度降低功耗。另外，其他一些功能模塊只在用戶(hù)打開(kāi)相應的工作界面的時(shí)候才開(kāi)始工作，從而降低系統功耗。

1．2 測量精確度方案——數據采集處理系統的設計

對于測量?jì)x器而言，精確度尤為重要。因此，需要選擇靈敏的傳感器和高精度的A／D轉換模塊。

系統采用UVM30A紫外線(xiàn)傳感器模塊。該模塊專(zhuān)為需要高可靠性和精確性測量紫外線(xiàn)指數(UVI)的場(chǎng)合所設計，適合測量太陽(yáng)光紫外線(xiàn)強度總量。

除傳感器之外，影響測量精度的直接原因主要有兩個(gè)，一是A／D轉換的位數，二是A／D轉換的參考電壓。該設計采用TL431穩壓芯片得到1．25 V的基準電壓作為參考電壓，把紫外線(xiàn)傳感器直接接在單片機的I／O口上，即可進(jìn)行信號的處理和顯示。

單片機的A／D位數u=12，其最大顯示數據d=212，當參考電壓V1=1．25 V時(shí)，根據精度的計算公式得到在該系統中，傳感器模塊最大輸出電壓為1 V時(shí)，精度可精確到0．31 mV，滿(mǎn)足紫外線(xiàn)的等級分辨率要求。

1．3 通信方案——通信組網(wǎng)系統的設計

所設計的便攜式系統具有多種通信方式。其主要目的是實(shí)現數據與信息的實(shí)時(shí)傳輸與共享，并為以后的大規模設備組網(wǎng)提供技術(shù)保證。主要分為有線(xiàn)串口通信和無(wú)線(xiàn)數據通信。其中，有線(xiàn)串口通信采用傳統的技術(shù)成熟的RS 232通信，以保證傳輸穩定性。

無(wú)線(xiàn)通信采用APC220-43無(wú)線(xiàn)數傳模塊。其可設置眾多的頻道，步進(jìn)精度為1 kHz，發(fā)射功率高達20 mW，但仍然具有較低的功耗，體積小，非常方便客戶(hù)嵌入系統之內。采用了高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，最大可以糾24 b連續突發(fā)錯誤，其編碼增益高達近3 dBm，糾錯能力和編碼效率均達到業(yè)內的領(lǐng)先水平，遠遠高與一般的前向糾錯編碼，抗突發(fā)干擾和靈敏度都較大的改善。同時(shí)編碼也包含可靠檢錯能力，能夠自動(dòng)濾除錯誤及虛假信息，真正實(shí)現了透明的連接。特別適合與在強干擾等惡劣環(huán)境中使用。

2 單元電路設計

2．1 人機接口系統

人機接口系統對于本便攜式設備來(lái)說(shuō)非常重要。本設計通過(guò)人機接口的沒(méi)計實(shí)現了一個(gè)具有普遍使用價(jià)值的便攜式平臺，極大地方便了產(chǎn)品的拓展和二次開(kāi)發(fā)，方便了今后更深層次設計的擴展需求。

人機接口系統主要由128×64液晶、4位獨立按鍵、蜂鳴器報警電路、可更換充電電池等幾部分，搭載上處理器系統構成。

(1)液晶顯示：選用128×64液晶顯示所有的操作界面，比如紫外線(xiàn)強度、數據保存、數據通信等等。

(2)按鍵操作：MSP430F149單片機P2端口具有中斷功能，因此利用P2端口的下降沿觸發(fā)中斷，判斷哪個(gè)按鈕作用，并作相應的處理，其功能的實(shí)現主要依靠軟件程序的判斷。

(3)報警提示：使用蜂鳴器當紫外線(xiàn)強度過(guò)高的時(shí)候發(fā)出尖銳的報警聲，以達到提醒的目的。該設計中的報警強度是4級。

(4)電池供電：采用兩節3．7 V／3 600 mAh的鋰電池為系統供電，實(shí)現超長(cháng)的待機時(shí)間。

2．2 其他硬件模塊

系統除了基本的人機接口外，還配備有存儲、時(shí)鐘、穩壓電路等硬件設計，選用集成化的芯片，保證了使用的方便和質(zhì)量，為友好的軟件界面提供了完善的硬件支持。

3 軟件設計

軟件系統采用結構化和模塊化的程序設計方法。軟件設計中應用很多方法使得程序具有易移植性特點(diǎn)。軟件設計主要包括數據處理部分，人機界面操作部分，數據的通信部分等幾個(gè)主要部分。

最主要的設計部分在系統的操作平臺的設計上。操作平臺的流程圖如圖2所示。

當操作者開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)后，會(huì )要求通過(guò)按鍵輸入4位正確密碼后進(jìn)入主界面。按鍵進(jìn)入菜單界面，可以通過(guò)按鍵選擇時(shí)間的設置，密碼的設置，紫外線(xiàn)數據的檢測。在紫外線(xiàn)檢測的界面中則可以翻看實(shí)時(shí)數據，讀取E2PROM中的數據顯示在液晶屏中來(lái)查看歷史數據。以及設置串口驅動(dòng)來(lái)進(jìn)行數據通信等。

3．1 數據檢測系統

該系統在軟件中設置每得到32次電壓信號值取1次平均值并把該結果送給液晶顯示，屏幕刷新時(shí)間則設置為0．5 s，通過(guò)這種方法保證輸出值的穩定性和準確性。軟件流程圖如圖3所示。


3．2 通信組網(wǎng)系統流程圖

通過(guò)RS 232串口數據傳輸或無(wú)線(xiàn)射頻數據傳輸方式，可以很方便地把數據傳輸給電腦或其他相同便攜式設備。此外，在設備顯示實(shí)時(shí)數據的時(shí)候，可以通過(guò)電腦相應界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，同時(shí)也可以通過(guò)計算機發(fā)出指令讓設備上的數據自動(dòng)上傳至計算機，方便了數據的共享與分析。設備的發(fā)送流程圖如圖4所示，數據接收如圖5所示。


4 結語(yǔ)

本文設計并實(shí)現了一種全新的便攜式紫外線(xiàn)檢測儀，以MSP430單片機和UVM30紫外線(xiàn)傳感器為核心，構建了一個(gè)功能強大的便攜式平臺，并加入了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，實(shí)現了對紫外線(xiàn)數據的檢測、顯示、保存、傳輸等一系列必要功能。所設計的系統經(jīng)對比測試表明，其測最準確、無(wú)線(xiàn)通信方式可靠、運行穩定、待機時(shí)間長(cháng)。

此外，基于本設計的平臺構架可以很方便的進(jìn)行檢測功能擴展，加入其他的傳感器模塊即可實(shí)現諸多氣象要素的綜合測量。系統成本低，無(wú)線(xiàn)通信方式為組網(wǎng)監控提供了技術(shù)保障，具有較強的應用價(jià)值。