1 智能微水儀監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

傳感器是決定監(jiān)測(cè)儀精度的關(guān)鍵元件。傳感器的選擇主要依據(jù)工作環(huán)境、測(cè)量精度、線性度、互換性、靈敏度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性、功耗、體積大小以及易于與MCU接口等。本監(jiān)測(cè)儀選用的各類傳感器分別為：集成溫度傳感器TMP35、集成濕度傳感器HM1500、專線型半導(dǎo)體氣敏傳感器MR511以及集成光照度傳感器TSL253。與同類產(chǎn)品相比，它們?cè)谏鲜龇矫嬗幸欢ǖ膬?yōu)點(diǎn)，很適合便攜式儀表使用。

TMP35電壓輸出量與被測(cè)溫度T成線性關(guān)系，其式如（1）；HM1500輸出量為電壓，與被測(cè)濕度%RH成正比，且與溫度T有關(guān)系，其式如（2）；MR511內(nèi)有溫度補(bǔ)償，其輸出電壓與被測(cè)氣體濃度C成近似線性關(guān)系（線性度≤±5%），其式如（3），式中Nc為器件靈敏度，環(huán)境濕度為Vc的值有影響；TSL253電壓輸出量與被測(cè)光照度Ee成正比，且與溫度T有關(guān)，其式如（4），式中Ne為傳感器的靈敏等。

上述各式說(shuō)明，高精度的監(jiān)測(cè)必須考慮傳感器的非線性、溫濕度影響、測(cè)量誤差及環(huán)境誤差等問(wèn)題，尤其要著重解決測(cè)量中的非線性及溫濕度補(bǔ)償。在布置印刷電路板時(shí)盡量減少引線電阻和分布電容以降低測(cè)量誤差。在電路設(shè)計(jì)上要加線性化處理電路及溫濕度補(bǔ)償電路，或借助于單片機(jī)系統(tǒng)，由軟件查表等方法進(jìn)行處理、修正（用軟件實(shí)現(xiàn)傳感器的校正補(bǔ)償功能可降低儀器功耗）。如有可能可用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x進(jìn)行校準(zhǔn)，以提高測(cè)量精度。

 

2 智能微水儀監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)儀主要由MSP430單片機(jī)、測(cè)量轉(zhuǎn)換、鍵盤(pán)顯示、串口通信、電池電源等部分組成。電路中器件很少，功耗較低且功能強(qiáng)大。具體硬件電路原理圖如圖1所示。

2.1 MSP430單片機(jī)

單片機(jī)系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)儀的核心，它完成儀器的功能設(shè)定、測(cè)量對(duì)象選擇、信號(hào)處理存儲(chǔ)、狀態(tài)信息顯示、數(shù)據(jù)通訊等功能。相對(duì)于MCS51、MCS96及PIC[1]等系列，TI公司帶閃速存儲(chǔ)器的MSP430F系列超低功耗單片機(jī)有著很大的優(yōu)勢(shì)。MSP430F單片機(jī)有多種型號(hào)，其功能組合各異，能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。本設(shè)計(jì)采用MSP430F437，它的要特點(diǎn)[2]如下：

·工作電壓低（1.8～3.6V），電流小（280μA/1MHz/活動(dòng)模式），5種低功耗模式；

·16位RISC架構(gòu)，27條精簡(jiǎn)指令，125ns指令周期；

·豐富的中斷源并可任意嵌套，用中斷請(qǐng)求將系統(tǒng)從備用狀態(tài)喚醒僅需6μs；

·片內(nèi)看門(mén)狗及上電復(fù)位電路，可選時(shí)鐘源（XTAL1、XTAL2或內(nèi)部DCO）；

·具有中斷功能的內(nèi)部比較器A；

·雙向并行I/O口P1和P2（有中斷功能）及P3～P6口，多數(shù)口有復(fù)用功能；

·兩個(gè)16位定時(shí)器A、B，均各帶3個(gè)比較/捕獲模塊，每個(gè)模塊可獨(dú)立編程，用于產(chǎn)生定時(shí)脈沖，捕獲外部事件；

·片內(nèi)集成4×32段LCD液晶驅(qū)動(dòng)器，其外部引線復(fù)用P3～P5口；

·通用通信模塊UARST0，軟件可選同步/異步方式；

·具有自動(dòng)循環(huán)采集功能的8通道12位ADC12，自帶采樣保持器和可選電壓基準(zhǔn)；

·JTAG接口或片內(nèi)BOOT ROM使程序下載調(diào)試極其簡(jiǎn)便，程序代碼由**熔絲保護(hù)。
MSP430F437不需加裝存儲(chǔ)器，片內(nèi)自帶1K字節(jié)RAM及在線可擦除編程32K字節(jié)主Flash+256字節(jié)信息Flash。片內(nèi)Flash模塊包含3個(gè)控制寄存器、時(shí)序發(fā)生器、擦除/編程電壓發(fā)生器及Flash存儲(chǔ)器本身。其中主Flash分為每段512字節(jié)的段0～63，信息Flash分為每段128字節(jié)的段A、B。MSP430F437存儲(chǔ)器可放大型數(shù)表，有高效的查表處理方法。本監(jiān)測(cè)儀安排段0～23為程序代碼區(qū)、段24為L(zhǎng)CD顯示字型表、段25～31存放校正和補(bǔ)償表格、段32～63為用戶采集數(shù)據(jù)保存區(qū)、段A+B存放各類參數(shù)。

在電路中，其他主要模塊的功能分配為：16位定時(shí)器A的比較/捕獲模塊0實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)時(shí)分秒計(jì)時(shí)，比較/捕獲模塊1控制A/D采樣周期；16位定時(shí)器B可實(shí)現(xiàn)PWM輸出，預(yù)留作控制口；ADC12用于環(huán)境參數(shù)測(cè)量；比較器A作電池欠壓監(jiān)測(cè)；復(fù)用P3～P5口驅(qū)動(dòng)LCD液晶顯示器；通用通信模塊UARST0實(shí)現(xiàn)RS485串行通信；預(yù)留JTAG接口以方便用戶對(duì)儀器更新升級(jí)。

2.2 測(cè)量轉(zhuǎn)換

MSP430F437的ADC12轉(zhuǎn)換模塊具有高速通用的特點(diǎn)，12位的轉(zhuǎn)換精度保證一般采樣的分辨率要求。它的8個(gè)外部模擬采樣通道可任意配置，轉(zhuǎn)換參考電平VR+和VR-來(lái)自內(nèi)部或外部，也可以是兩者的組合；內(nèi)嵌的采樣/保持電路給用戶提供了對(duì)采樣時(shí)序的各種選擇，采樣時(shí)序可通過(guò)軟件位、3種內(nèi)部或外部信號(hào)來(lái)直接控制。ADC12有4種工作模式。可以在單通道上實(shí)現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換，序列通道上實(shí)現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或重單次轉(zhuǎn)換或多次轉(zhuǎn)換，在序列通道上實(shí)現(xiàn)單次轉(zhuǎn)換或重復(fù)轉(zhuǎn)換。對(duì)于序列通道轉(zhuǎn)換，采樣順序完全由用戶定義。

ADC12轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在16個(gè)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM15中。其值如（5）式：

NADC=4096×（Vin-VR-）/(VR+-VR-)    （5）

每個(gè)存儲(chǔ)寄存器有各自相應(yīng)的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL15，可用軟件獨(dú)立配置采樣通道號(hào)及轉(zhuǎn)換所需參考電平。

本監(jiān)測(cè)儀中，各環(huán)境參數(shù)傳感器的輸出經(jīng)U2前置放大后，送入A0～A3模擬輸入端。4路信號(hào)的轉(zhuǎn)換參考電平均取VR+=2.5V和VR-=0V。ADC12工作模式設(shè)為序列通道單次轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換由定時(shí)器A比較/捕獲模塊1的定時(shí)輸出OUT1啟動(dòng)。序列單次轉(zhuǎn)換完成后，將置位ADC12中斷請(qǐng)求。

序列通道為ADC12MEM0～ADC12MEM12,對(duì)應(yīng)的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL12中通道重復(fù)配置A0～A3。這樣等時(shí)間間隔內(nèi)每個(gè)環(huán)境參數(shù)可連續(xù)采樣3次，然后在ADC12中斷服務(wù)程序內(nèi)使用中值濾波得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。