精品文檔-下載后可編輯基于MSP430F149的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要:為了提高環(huán)境參數(shù)采集的自動(dòng)化水平,提升效率,設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器系統(tǒng)。本系統(tǒng)運(yùn)用了傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和單片機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫度、濕度、光照度以及可燃性氣體濃度等參數(shù)的檢測(cè)。它能夠?qū)崟r(shí)地與上位機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信,滿足對(duì)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。關(guān)鍵字:MSP430F149;溫度;濕度;光照強(qiáng)度引言傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)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(guò)程控制以及信號(hào)監(jiān)測(cè)中得到人們的關(guān)注,已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種用于對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的無(wú)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(cè)量并可靠傳輸,體現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、無(wú)線化的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)以MSP430F149超低功耗微控制器為,配置新式的微型低功耗傳感器,可實(shí)時(shí)地對(duì)所測(cè)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(cè)量處理。采用電池供電,無(wú)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(jì)整個(gè)傳感器系統(tǒng)包括微處理器模塊(16位單片機(jī)MSP430F149、日歷時(shí)鐘芯片、復(fù)位電路及外圍電路)、傳感器測(cè)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(chǔ)器模塊(Flash存儲(chǔ)器SST25VF020)、數(shù)據(jù)通信模塊(串口通信、無(wú)線通信)、電源模塊(LT1962EMS83.3、LT1761ES5-5、LTC3459ES6),系統(tǒng)框圖如圖1。微處理器模塊MSP430F149是TI公司生產(chǎn)的一款超低功耗單片機(jī),能夠在1.8V～3.6V電壓、1MHz的時(shí)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(cè)時(shí)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(dòng)指令周期125ns)和豐富的片內(nèi)外設(shè)(60KB+256BFlash、2KBRAM、12位A/D轉(zhuǎn)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(jí)具有I2C總線接口的低功耗多功能時(shí)鐘/日歷芯片。PCF8563的多種報(bào)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(fù)雜的定時(shí)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(shí)鐘電路、振蕩電路、低電壓檢測(cè)電路(1.0V)以及兩線制I2C總線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,每次讀寫數(shù)據(jù)后,內(nèi)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(cè)量模塊光照強(qiáng)度傳感器該系統(tǒng)選用了TI公司的TSL230B來(lái)測(cè)量環(huán)境周圍的光線強(qiáng)度。該器件采用先進(jìn)的LinCMOSTM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。可將一定光譜的光轉(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(guò)改變器件上方的感光面積來(lái)調(diào)整靈敏度;S2、S3為滿量程選擇端;OUT為頻率信號(hào)輸出端,進(jìn)入單片機(jī)的捕獲輸入,通過(guò)計(jì)算兩次捕獲時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的數(shù)值差,便可以計(jì)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(duì)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(cè)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技術(shù)(CMOS和傳感器技術(shù)的融合),外形尺寸僅為7.5mm×5mm×2.5mm。SHT11具有I2C總線接口,接口電路簡(jiǎn)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(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器(E2PROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(cè)電路;可給出全校準(zhǔn)相對(duì)濕度及溫度值輸出;具有露點(diǎn)值計(jì)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(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(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(zhǎng)、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、電信號(hào)輸出大等特點(diǎn),適合家庭、工廠、商業(yè)場(chǎng)所可燃?xì)怏w的泄漏檢測(cè)。該傳感器通過(guò)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(cè)量電路將傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)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(chǔ)器模塊存儲(chǔ)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。提供自動(dòng)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(gè)閃存的資料寫入時(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)行寫保護(hù)等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)通信模塊無(wú)線通信模塊采用挪威Nordic公司研制的nRF401無(wú)線收發(fā)器件,nRF401可工作在433.92MHz/434.33MHzISM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)20kb/s,工作電壓范圍為+3V～5V。nRF401無(wú)線收發(fā)器外圍電路簡(jiǎn)單,并可直接與單片機(jī)串口連接,設(shè)計(jì)中工作頻率鎖定在434.33MHz。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。天線可以以差分方式連接到nRF401,一個(gè)50Ω的單端天線也可以通過(guò)一個(gè)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)300m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(dòng)。電源模塊系統(tǒng)采用3節(jié)5號(hào)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(jì)單片機(jī)測(cè)控軟件設(shè)計(jì)測(cè)控程序利用MSP430系列單片機(jī)配套的開發(fā)環(huán)境IAREmbeddedWorkbench開發(fā),它同時(shí)支持匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言編寫。本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言來(lái)開發(fā)測(cè)控程序,利用MSP430系列單片機(jī)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(diào)試和代碼。所有程序采用模塊化設(shè)計(jì),主流程如圖6所示。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)控制軟件使用VC++6.0和Access2022進(jìn)行編程設(shè)計(jì),按其功能主要分為數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)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(bào)表的打印輸出等功能。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的查詢、統(tǒng)計(jì)、刪除、打印等功能。數(shù)據(jù)庫(kù)提供了多種約束條件進(jìn)行快速查詢,如按時(shí)間段查詢、傳感器類型查詢、測(cè)控機(jī)查詢等,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以表格、動(dòng)態(tài)曲線、直方圖等形式顯示。結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)在有線系統(tǒng)不能或者難以控制受控對(duì)象的場(chǎng)合(特別是惡劣環(huán)境下的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng))下,對(duì)傳感器系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)。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。參考文獻(xiàn):

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