一种便携式多参数环境监测仪的设计

摘要：介绍一种基于MSP430系列超低功耗单片机的多参数环境监测仪，详细阐明了环境参数传感器的选取、监测仪软硬件的设计与实现方法。该仪器充分利用MSP430单片机自身资源，具有小型便携、高性能、低功耗、可编程等优点，可广泛应用于诸多领域的环境参数监测与保护。

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，环境湿度为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为传感器的灵敏等。

VT=[10×T](mV) (1)

VRH=[600×（%RH+38.5）/(39.1-0.056T)](mV) (2)

Vc=[Nc×C](mV) (3)

Vec=[(Nc×Ee) ×(1.05-0.002T)](mV) (4)

上述各式说明，高精度的监测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及温湿度补偿。在布置印刷电路板时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。

图1 监测仪硬件电路原理图

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。

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[1]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，它的要特点[2]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。

图2 地址位多通信协议图

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实现实现时分秒计时，比较/捕获模