一种便携式多参数环境监测仪器的设计

发布时间:2008/5/26 0:00:00 访问次数:535

作者：长沙中南大学信息科学与工程学院李中华

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×ｔｍｖ　１　

ｖｒｈ＝６００×（％ｒｈ＋３８．５）／３９．１－０．０５６ｔ　ｍｖ　２　

ｖｃ＝ｎｃ×ｃｍｖ　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。

２．１ｍｓｐ４３０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，它的主要特点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