一种便携式多参数环境监测仪器的设计
来源：中电网 作者： 时间：2003-06-02 17:47
本文以智能建筑为应用背景，介绍一种通用性很强的便携式多参数环境监测仪。它以ＭＳＰ４３０Ｆ４３７超低功耗单片机为核心，配置新式的微型低功耗传感器，实现了建筑物内温度、湿度、光照度、有害气体浓度等参数的采集处理、存储、通信等功能。文中详细阐明了传感器的选取、硬件结构、软件流程等相关技术，并指出该仪器的特点和优势。
１ 传感器的选取
传感器是决定监测仪精度的关键元件。传感器的选择主要依据工作环境、测量精度、线性度、互换性、灵敏度、响应速度、稳定性、功耗、体积大小以及易于与ＭＣＵ接口等。本监测仪选用的各类传感器分别为：集成温度传感器ＴＭＰ３５、集成湿度传感器ＨＭ１５００、热线型半导体气敏传感器ＭＲ５１１以及集成光照度传感器ＴＳＬ２５３。与同类产品相比，它们在上述方面有一定的优点，很适合便携式仪表使用。
ＴＭＰ３５电压输出量与被测温度Ｔ成线性关系，其式如１；ＨＭ１５００输出量为电压，与被测湿度％ＲＨ成正比，且与温度Ｔ有关系，其式如２；ＭＲ５１１内有温度补偿，其输出电压与被测气体浓度Ｃ成近似线性关系（线性度≤±５％），其式如３，式中ＮＣ为器件灵敏度，环境湿度对ＶＣ的值有影响；ＴＳＬ２５３电压输出量与被测光照度Ｅｅ成正比，且与温度Ｔ有关，其式如４，式中Ｎｅ为传感器的灵敏度。
ＶＴ＝１０×ＴｍＶ １
ＶＲＨ＝６００×（％ＲＨ＋３８．５）／３９．１－０．０５６ＴｍＶ ２
ＶＣ＝ＮＣ×ＣｍＶ ３
ＶＥｅ＝（Ｎｅ×Ｅｅ）×（１．０５－０．００２Ｔ）ｍＶ ４
上述各式说明，高精度的监测仪必须考虑传感器的非线性、温湿度影响、测量误差及环境误差等问题，尤其要着重解决测量中的非线性校正及温湿度补偿。在布置印刷电路板时应尽量减少引线电阻和分布电容以降低测量误差。在电路设计上要加线性化处理电路及温湿度补偿电路，或借助于单片机系统，由软件查表等方法进行处理、修正（用软件实现传感器的校正补偿功能可降低仪器功耗）。如有可能可用标准测量仪进行校准，以提高测量精度。
２ 硬件设计
监测仪主要由ＭＳＰ４３０单片机、测量转换、键盘显示、串口通信、电池电源等部分组成。电路中器件很少，功耗较低且功能强大。具体硬件电路原理图如图１所示。
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２．１ ＭＳＰ４３０单片机
单片机系统是监测仪的核心，它完成仪器的功能设定、测量对象选择、信号处理存储、状态信息显示、数据通讯等功能。相对于ＭＣＳ５１、ＭＣＳ９６及ＰＩＣ等系列，ＴＩ公司带闪速存储器的ＭＳＰ４３０Ｆ系列超低功耗单片机有着很大的优势。ＭＳＰ４３０Ｆ单片机有多种型号，其功能组合各异，能满足不同应用场合的要求。本设计采用ＭＳＰ４３０Ｆ４３７，它的主要特点如下：
·工作电压低（１．８～３．６Ｖ），电流小（２８０μＡ／１ＭＨｚ／活动模式），５种低功耗模式；
·１６位ＲＩＳＣ架构，２７条精简指令，１２５ｎｓ指令周期；
·丰富的中断源并可任意嵌套，用中断请求将系统从备用状态唤醒仅需６μｓ
·片内看门狗及上电复位电路，可选时钟源（ＸＴＡＬ１、ＸＴＡＬ２或内部ＤＣＯ）；
·具有中断功能的内部比较器Ａ；
·双向并行Ｉ／Ｏ口Ｐ１和Ｐ２（有中断功能）及Ｐ３～Ｐ６口，多数口有复用功能；
·两个１６位定时器Ａ、Ｂ，均各带３个比较／捕获模块，每个模块可独立编程，用于产生定时脉冲，捕获外部事件；
·片内集成４×３２段ＬＣＤ液晶驱动器，其外部引线复用Ｐ３～Ｐ５口；
·通用通信模块ＵＡＲＳＴ０，软件可选同步／异步方式；
·具有自动循环采集功能的８通道１２位ＡＤＣ１２，自带采样保持器和可选电压基准；
·ＪＴＡＧ接口或片内ＢＯＯＴ ＲＯＭ使程序下载调试极其简便，程序代码由安全熔丝保护。
ＭＳＰ４３０Ｆ４３７不需加装存储器片内自带１Ｋ字节ＲＡＭ及在线可擦除编程３２Ｋ字节主Ｆｌａｓｈ＋２５６字节信息Ｆｌａｓｈ。片内Ｆｌａｓｈ模块包含３个控制寄存器、时序发生器、擦除／编程电压发生器及Ｆｌａｓｈ存储器本身。其中主Ｆｌａｓｈ分为每段５１２字节的段０～６３，信息Ｆｌａｓｈ分为每段１２８字节的段Ａ、Ｂ。ＭＳＰ４３０Ｆ４３７存储器可存放大型数表，有高效的查表处理方法。本监测仪安排段０～２３为程序代码区、段２４为ＬＣＤ显示字型表、段２５～３１存放校正和补偿表格、段３２～６３为用户采集数据保存区、段Ａ＋Ｂ存放各类参数。
在电路中，其他主要模块的功能分配为：１６位定时器Ａ的比较／捕获模块０实现时分秒计时，比较／捕获模块１控制Ａ／Ｄ采样周期；１６位定时器Ｂ可实现ＰＷＭ输出，预留作控制口； ＡＤＣ１２用于环境参数测量；比较器Ａ作电池欠压监测；复用Ｐ３～Ｐ５口驱动ＬＣＤ液晶显示器；通用通信模块ＵＡＲＳＴ０实现ＲＳ４８５串行通信；预留ＪＴＡＧ接口以方便用户对仪器更新升级。
２．２ 测量转换
ＭＳＰ４３０Ｆ４３７的ＡＤＣｌ２转换模块具有高速通用的特点，１２位的转换精度能保证一般采样的分辨率要求。它的８个外部模拟采样通道可任意配置，转换参考电平ＶＲ＋和ＶＲ－来自内部或外部，也可以是两者的组合；内嵌的采样／保持电路给用户提供了对采样时序的各种选择，采样时序可以通过软件位、３种内部或外部信号来直接控制。ＡＤＣｌ２有４种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换，在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换，采样顺序完全由用户定义。
ＡＤＣ１２转换结果保存在１６个转换存储寄存器ＡＤＣ１２ＭＥＭ０～ＡＤＣ１２ＭＥＭ１５中。其值如５式：
ＮＡＤＣ＝４０９６×（Ｖｉｎ－ＶＲ－）／ＶＲ＋－ＶＲ－ ５
每个存储寄存器有各自相应的控制寄存器ＡＤＣ１２ＣＴＬ０～ＡＤＣ１２ＣＴＬ１５，可用软件独立配置采样通道号及转换所需参考电平。
本监测仪中，各环境参数传感器的输出经Ｕ２前置放大后，送入Ａ０～Ａ３模拟输入端。４路信号的转换参考电平均取ＶＲ＋＝２．５Ｖ和ＶＲ－＝０Ｖ。ＡＤＣ１２工作模式设为序列通道单次转换，每次转换由定时器Ａ比较／捕获模块１的定时输出ＯＵＴ１启动。序列单次转换完成后，将置位ＡＤＣ１２中断请求。
序列通道为ＡＤＣ１２ＭＥＭ０～ＡＤＣ１２ＭＥＭ１２，对应的控制寄存器ＡＤＣ１２ＣＴＬ０～ＡＤＣ１２ＣＴＬ１２中通道重复配置Ａ０～Ａ３。这样等时间间隔内每个环境参数可连续采样３次，然后在ＡＤＣ１２中断服务程序内使用中值滤波得到转换结果。
需要指出的是，ＡＤＣ１２的转换内核与参考电平发生器可分别进入省电模式，为低功耗设计提供便利，而且进一步降低功耗、延长传感元件的使用寿命。测量电路的电源设置为单独可控，由Ｕ３的ＯＵＴ２输出供给，并通过单片机的Ｐ２．０来切合。
２．３ 键盘显示
ＭＳＰ４３０Ｆ４３７有６个带复用功能的Ｐ１～Ｐ６双向Ｉ／Ｏ口。其中Ｐ１、Ｐ２设置成输入时，引脚上任何状态变化都会触发中断。本设计将Ｐ３～Ｐ５复用于ＬＣＤ驱动，Ｐ１．０～Ｐ１．４作３×２快速键盘。
为读取按键值，首先设置端口功能。Ｐ１．０～Ｐ１．２为输出口，依次输出低电平；Ｐ１．３、Ｐ１．４为输入口，开放中断，选定下降沿触发。当有键按下时，在Ｐ１口中断服务程序内，完成去抖动延时、键值读取等功能，得到的键值交后续程序处理。
片内ＬＣＤ驱动器可工作于静态及２～４多选四种模式，最多可接４×３２＝１２８段液晶。图１中Ｒ３３、Ｒ２３、Ｒ１３、Ｒ０３引脚设定模拟偏置电压，提供驱动能力，典型接线为电阻分压ＶＲ３３＝ＶＣＣ、ＶＲ２３＝２／３ＶＣＣ、ＶＲ１３＝１／３ＶＣＣ、ＶＲ０３＝０Ｖ；Ｓ０～Ｓ３１为段输出（每段３μＡ）；ＣＯＭ０～ＣＯＭ３为公共输出，接ＬＣＤ背极。对ＬＣＤ的软件控制极其简单，它有一个控制寄存器ＬＣＤＣＴＬ，定义工作模式及电流消耗。２０个显示存储器ＬＣＤＭ（使用１６个）存放１２８段要显示的状态信息，其内容可采用高效的寻址方式查显示字型表获得。
单片机根据控制键的命令信息，可分别选择仪器“测量／通信”使用方式、“单次／循环”采集类型，并可按键校时、设置参数、启动采集、数据存储确定等。ＬＣＤ显示屏可由定制、时分、超量程和电池欠电告警组成１×３２段，剩余３×３２为多用显示区，可依次显示操作提示、工作状态、环境参数测量结果，从而大大方便了用户。
２．４ 串口通信
为了对采集到的数据进行深入处理（如统计分析、打印存档、绘制曲线图表等），需将数据从检测仪送至计算机中。数据传输使用ＭＳＰ４３０Ｆ４３７的标准ＵＳＡＲＴ通信模块（复位ＳＹＮＣ＝０选择异步功能），并外接低功耗器件ＭＡＸ４８５Ｅ，构成一个半双工ＲＳ４８５串行通信口。
为提高通信的可靠性，便于仪器与其它智能设备组网实现控制功能，本监测仪使用异步通信的地址位多机通信格式。异步帧由１起始位、８数据位、１地址位、１停止位组成，波特率编程为９６００ｂｐｓ。ＵＳＡＲＴ通信模块的地址位多机通信协议如图２所示。
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通信时，先置ＲＳ４８５处于接收状态，并置接收唤醒中断允许位ＵＲＸＷＩＥ＝１（此时只有地址字符能触发接收中断）。当接收到一个地址位置位的字符时，通信模块的接收器被激活，字符送入ＵＲＸＢＵＦ，同时接收中断标志ＵＲＸＩＦＧ置位。在串口接收中断服务程序内可以检验收到的地址，如果匹配，置ＵＲＸＷＩＥ＝０，单片机将读取数据块的后续数据；如果地址不匹配，则等待下一地址字符的到来。
ＲＳ４８５接收到主机命令后，转入发送状态，先置控制字符地址位的
ＴＸＷａｋｅ＝１。当地址字符的８位数据从ＵＴＸＢ
