基于MSP430F149的無線環境監測傳感器系統設計
許亮,刁修睦,周輝軍,李淑霞
摘要： 為了提高環境參數采集的自動化水平, 提升效率, 設計了無線傳感器系統。本系統運用了傳感器技術、通信技術和單片機技術, 實現了對環境溫度、濕度、光照度以及可燃性氣體濃度等參數的檢測。它能夠實時地與上位機進行無線通信, 滿足對環境參數實時監測的要求。
Abstract：
Key words :
引言
傳感器技術與通信技術、計算機技術相結合構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在過程控制以及信號監測中得到人們的關注, 已成為當今國內外研究的一大熱點。本文設計了一種用于對環境信息進行實時監測的無線傳感器系統, 在實際應用中能夠對環境參數進行準確的測量并可靠傳輸, 體現了傳感器系統數字化、智能化、無線化的優點。
該系統以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, 可實時地對所測環境的溫度、濕度、光照強度、有害氣體濃度等參數進行測量處理。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。
系統硬件設計
整個傳感器系統包括微處理器模塊( 16 位單片機MSP430F149、日歷時鐘芯片、復位電路及外圍電路) 、傳感器測量模塊( 溫濕度傳感器、光照強度傳感器、半導體型可燃氣體敏感元件MQ306A) 、存儲器模塊( Flash 存儲器SST25VF020) 、數據通信模塊( 串口通信、無線通信) 、電源模塊( LT1962EMS83.3、LT1761ES5- 5、LTC3459ES6) , 系統框圖如圖1。
微處理器模塊
MSP430F149 是TI 公司生產的一款超低功耗單片機, 能夠在1.8 V～3.6 V 電壓、1 MHz 的時鐘條件下運行, 具有5 種節電模式, 耗電流為0.1μA～400μA, 能夠在數據檢測時充分節電, 滿足電池供電下的節能要求; 具有強大的處理能力(RISC 結構、8MHz 晶體、驅動指令周期125 ns) 和豐富的片內外設( 60 KB+256B Flash、2 KB RAM、12 位A/D 轉換,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雜的定時服務, 甚至可為單片機提供看門狗功能。該器件的內部時鐘電路、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,每次讀寫數據后, 內嵌的字地址寄存器自動產生增量。其連接電路如圖2。
傳感器測量模塊
光照強度傳感器
該系統選用了TI 公司的TSL230B 來測量環境周圍的光線強度。該器件采用先進的LinCMOSTM 工藝, 主要由多晶硅光電二極管和單片CMOS 電流頻率集成轉換器構成。不需外接元件即可完成高分辨率的光照度/頻率轉換。可將一定光譜的光轉換成電流, 再由電流/頻率轉換器轉換成相應的脈沖頻率。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, 實際上是通過改變器件上方的感光面積來調整靈敏度; S2、S3 為滿量程選擇端; OUT 為頻率信號輸出端, 進入單片機的捕獲輸入, 通過計算兩次捕獲時間內計數器的數值差, 便可以計算出輸出頻率值, 根據圖4 所示的頻率- 能量關系曲線圖對照, 從而得到光線強度( 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(CMOS 和傳感器技術的融合) ,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, 并具有數字式輸出、免調試、免標定、一致性好的特點。
SHT11 內部主要包括相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、A/D 轉換器、校準存儲器( E2PROM) 、隨機存取存儲器(RAM) 、狀態寄存器、循環冗余校驗碼(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; 可給出全校準相對濕度及溫度值輸出; 具有露點值計算輸出功能; 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; 具有數據傳輸校驗功能。此傳感器具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點, 其工作原理如圖5 所示。
氣敏傳感器
該系統采用半導體型可燃氣體敏感元件MQ306A, 此傳感器是一種二氧化錫型半導體氣敏元件, 具有靈敏度高、穩定性高、壽命長、驅動電路簡單、電信號輸出大等特點, 適合家庭、工廠、商業場所可燃氣體的泄漏檢測。該傳感器通過固定或可調外接負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過一個低通巴特沃思濾波器和低功耗運算放大器LMV324 實現阻抗匹配, 進入單片機MSP430F149 的12 位A/D 轉換, 得到電阻變化值。然后根據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) 技術為基礎, 采用標準的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、能夠進行寫保護等特點。
數據通信模塊
無線通信模塊采用挪威Nordic 公司研制的nRF401 無線收發器件, nRF401 可工作在433.92MHz/434.33 MHz ISM頻段。它采用FSK 調制解調技術, 抗干擾能力強, 并采用PLL 頻率合成技術, 頻率穩定性好, 發射功率可達10dB, 接收靈敏度達-105dB, 數據傳輸速率可達20 kb/s, 工作電壓范圍為+3V～5V。nRF401 無線收發器外圍電路簡單,并可直接與單片機串口連接, 設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, 以及發送時發射功率放大器( 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換匹配網絡連接到nRF401, 目前實際應用中距離可達300 m 左右。
本系統用RS232 串口實現PC 機與傳感器系統間的串行通信, 利用MAX3232 進行驅動。
電源模塊
系統采用3節5號電池供電, 利用LT1962、LT1761、LTC3459ES6 電源器件為單片機、傳感器等提供合適的工作電壓。
系統軟件設計
單片機測控軟件設計
測控程序利用MSP430 系列單片機配套的開發環境IAR Embedded Workbench 開發, 它同時支持匯編語言和C 語言編寫。本系統采用C 語言來開發測控程序, 利用MSP430 系列單片機的JTAG 接口,通過TI 公司所帶的仿真器FET 可以方便的進行程序調試和代碼下載。所有程序采用模塊化設計, 主流程如圖6 所示。
上位機軟件設計
上位機控制軟件使用VC++6.0 和Access2002進行編程設計, 按其功能主要分為數據處理模塊和數據庫模塊, 如圖7。
數據處理模塊主要完成數據的屏幕顯示、報表的打印輸出等功能。數據庫模塊主要實現數據記錄的查詢、統計、刪除、打印等功能。數據庫提供了多種約束條件進行快速查詢, 如按時間段查詢、傳感器類型查詢、測控機查詢等, 統計數據可以表格、動態曲線、直方圖等形式顯示。
結束語
本系統實現了計算機在有線系統不能或者難以控制受控對象的場合( 特別是惡劣環境下的作業現場) 下, 對傳感器系統采集數據的實時無線監測。系統具有較低的功耗, 能在各種環境下進行數據的采集與處理。
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