基于MSP430F149的無線環(huán)境監(jiān)測傳感器系統(tǒng)設(shè)計

 

　　傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合構(gòu)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)在過程控制以及信號監(jiān)測中得到人們的關(guān)注, 已成為當(dāng)今國內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)。本文設(shè)計了一種用于對環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測的無線傳感器系統(tǒng), 在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測量并可靠傳輸, 體現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、無線化的優(yōu)點(diǎn)。

 

　　該系統(tǒng)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)時地對所測環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度等參數(shù)進(jìn)行測量處理。采用電池供電,無線傳輸, 避免了布線的煩瑣, 而且具有良好的便攜性。

 

  系統(tǒng)硬件設(shè)計

 

　　整個傳感器系統(tǒng)包括微處理器模塊( 16 位單片機(jī)MSP430F149、日歷時鐘芯片、復(fù)位電路及外圍電路) 、傳感器測量模塊( 溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、半導(dǎo)體型可燃?xì)怏w敏感元件MQ306A) 、存儲器模塊( Flash 存儲器SST25VF020) 、數(shù)據(jù)通信模塊( 串口通信、無線通信) 、電源模塊( LT1962EMS83.3、LT1761ES5- 5、LTC3459ES6) , 系統(tǒng)框圖如圖1。

 

 

　　MSP430F149 是TI 公司生產(chǎn)的一款超低功耗單片機(jī), 能夠在1.8 V～3.6 V 電壓、1 MHz 的時鐘條件下運(yùn)行, 具有5 種節(jié)電模式, 耗電流為0.1μA～400μA, 能夠在數(shù)據(jù)檢測時充分節(jié)電, 滿足電池供電下的節(jié)能要求; 具有強(qiáng)大的處理能力(RISC 結(jié)構(gòu)、8MHz 晶體、驅(qū)動指令周期125 ns) 和豐富的片內(nèi)外設(shè)( 60 KB+256B Flash、2 KB RAM、12 位A/D 轉(zhuǎn)換,2 個串口/SPI 接口, 48 個I/O 口等) 。

 

　　PCF8563 是Philips公司推出的一款工業(yè)級具有I²C 總線接口的低功耗多功能時鐘/日歷芯片。PCF8563 的多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能可完成各種復(fù)雜的定時服務(wù), 甚至可為單片機(jī)提供看門狗功能。該器件的內(nèi)部時鐘電路、振蕩電路、低電壓檢測電路( 1.0 V) 以及兩線制I²C 總線通訊方式不但使外圍電路更加簡潔, 而且增加了芯片的可靠性。而且,每次讀寫數(shù)據(jù)后, 內(nèi)嵌的字地址寄存器自動產(chǎn)生增量。其連接電路如圖2。

 

 

  傳感器測量模塊

 

光照強(qiáng)度傳感器

　　該系統(tǒng)選用了TI 公司的TSL230B 來測量環(huán)境周圍的光線強(qiáng)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(zhuǎn)換器構(gòu)成。不需外接元件即可完成高分辨率的光照度/頻率轉(zhuǎn)換?？蓪⒁欢ü庾V的光轉(zhuǎn)換成電流, 再由電流/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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)際上是通過改變器件上方的感光面積來調(diào)整靈敏度; S2、S3 為滿量程選擇端; OUT 為頻率信號輸出端, 進(jìn)入單片機(jī)的捕獲輸入, 通過計算兩次捕獲時間內(nèi)計數(shù)器的數(shù)值差, 便可以計算出輸出頻率值, 根據(jù)圖4 所示的頻率- 能量關(guān)系曲線圖對照, 從而得到光線強(qiáng)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 總線接口, 接口電路簡單, 并具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、一致性好的特點(diǎn)。

 

　　SHT11 內(nèi)部主要包括相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲器( E²PROM) 、隨機(jī)存取存儲器(RAM) 、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC) 寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路; 可給出全校準(zhǔn)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(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能。此傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點(diǎn), 其工作原理如圖5 所示。

 

 

 

 

  氣敏傳感器

　　該系統(tǒng)采用半導(dǎo)體型可燃?xì)怏w敏感元件MQ306A, 此傳感器是一種二氧化錫型半導(dǎo)體氣敏元件, 具有靈敏度高、穩(wěn)定性高、壽命長、驅(qū)動電路簡單、電信號輸出大等特點(diǎn), 適合家庭、工廠、商業(yè)場所可燃?xì)怏w的泄漏檢測。該傳感器通過固定或可調(diào)外接負(fù)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)過一個低通巴特沃思濾波器和低功耗運(yùn)算放大器LMV324 實(shí)現(xiàn)阻抗匹配, 進(jìn)入單片機(jī)MSP430F149 的12 位A/D 轉(zhuǎn)換, 得到電阻變化值。然后根據(jù)MQ306A 的靈敏度特性曲線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(chǔ), 采用標(biāo)準(zhǔn)的8 引腳SOIC 封裝及超薄型WSON 封裝, 使用較少的引腳, 與EEPROM 等非易失性內(nèi)存解決方案相比, 可減少電路板空間、耗能及成本。提供最新自動地址增值(AAI) 資料寫入模式, 相較于單一字節(jié)資料寫入模式, 能將整個閃存的資料寫入時間減少50%。SST25VF020 大小為2Mbit , 具有低功耗、靈活快速擦除、能夠進(jìn)行寫保護(hù)等特點(diǎn)。

 

  數(shù)據(jù)通信模塊

　　無線通信模塊采用挪威Nordic 公司研制的nRF401 無線收發(fā)器件, nRF401 可工作在433.92MHz/434.33 MHz ISM頻段。它采用FSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù), 抗干擾能力強(qiáng), 并采用PLL 頻率合成技術(shù), 頻率穩(wěn)定性好, 發(fā)射功率可達(dá)10dB, 接收靈敏度達(dá)-105dB, 數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20 kb/s, 工作電壓范圍為+3V～5V。nRF401 無線收發(fā)器外圍電路簡單,并可直接與單片機(jī)串口連接, 設(shè)計中工作頻率鎖定在434.33 MHz。

 

　　nRF401 的ANT1 和ANT2 引腳分別是接收時低噪聲接收放大器LNA 的輸入, 以及發(fā)送時發(fā)射功率放大器( PA) 的輸出。天線可以以差分方式連接到nRF401, 一個50 Ω的單端天線也可以通過一個差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接到nRF401, 目前實(shí)際應(yīng)用中距離可達(dá)300 m 左右。

 

　　本系統(tǒng)用RS232 串口實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與傳感器系統(tǒng)間的串行通信, 利用MAX3232 進(jìn)行驅(qū)動。

 

  電源模塊

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

 

  系統(tǒng)軟件設(shè)計

 

　　測控程序利用MSP430 系列單片機(jī)配套的開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench 開發(fā), 它同時支持匯編語言和C 語言編寫。本系統(tǒng)采用C 語言來開發(fā)測控程序, 利用MSP430 系列單片機(jī)的JTAG 接口,通過TI 公司所帶的仿真器FET 可以方便的進(jìn)行程序調(diào)試和代碼下載。所有程序采用模塊化設(shè)計, 主流程如圖6 所示。

  

　　上位機(jī)控制軟件使用VC++6.0 和Access2002進(jìn)行編程設(shè)計, 按其功能主要分為數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)庫模塊, 如圖7。

 

 

 

　　數(shù)據(jù)處理模塊主要完成數(shù)據(jù)的屏幕顯示、報表的打印輸出等功能。數(shù)據(jù)庫模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的查詢、統(tǒng)計、刪除、打印等功能。數(shù)據(jù)庫提供了多種約束條件進(jìn)行快速查詢, 如按時間段查詢、傳感器類型查詢、測控機(jī)查詢等, 統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以表格、動態(tài)曲線、直方圖等形式顯示。

 

 

　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)在有線系統(tǒng)不能或者難以控制受控對象的場合( 特別是惡劣環(huán)境下的作業(yè)現(xiàn)場) 下, 對傳感器系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時無線監(jiān)測。系統(tǒng)具有較低的功耗, 能在各種環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與處理。