基于MSP430F149的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言
 
　　傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合構(gòu)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(diǎn)在過(guò)程控制以及信號(hào)監(jiān)測(cè)中得到人們的關(guān)注, 已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種用于對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器系統(tǒng), 在實(shí)際應(yīng)用中能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量并可靠傳輸, 體現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、無(wú)線化的優(yōu)點(diǎn)。
 
　　該系統(tǒng)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(shí)時(shí)地對(duì)所測(cè)環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量處理。采用電池供電,無(wú)線傳輸, 避免了布線的煩瑣, 而且具有良好的便攜性。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
 
　　整個(gè)傳感器系統(tǒng)包括微處理器模塊( 16 位單片機(jī)MSP430F149、日歷時(shí)鐘芯片、復(fù)位電路及外圍電路) 、傳感器測(cè)量模塊( 溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、半導(dǎo)體型可燃?xì)怏w敏感元件MQ306A) 、存儲(chǔ)器模塊( Flash 存儲(chǔ)器SST25VF020) 、數(shù)據(jù)通信模塊( 串口通信、無(wú)線通信) 、電源模塊( LT1962EMS83.3、LT1761ES5- 5、LTC3459ES6) , 系統(tǒng)框圖如圖1。

微處理器模塊

MSP430F149 是TI 公司生產(chǎn)的一款超低功耗單片機(jī), 能夠在1.8 V～3.6 V 電壓、1 MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行, 具有5 種節(jié)電模式, 耗電流為0.1μA～400μA, 能夠在數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)充分節(jié)電, 滿足電池供電下的節(jié)能要求; 具有強(qiáng)大的處理能力(RISC 結(jié)構(gòu)、8MHz 晶體、驅(qū)動(dòng)指令周期125 ns) 和豐富的片內(nèi)外設(shè)( 60 KB+256B Flash、2 KB RAM、12 位A/D 轉(zhuǎn)換,2 個(gè)串口/SPI 接口, 48 個(gè)I/O 口等) 。
 
　　PCF8563 是Philips公司推出的一款工業(yè)級(jí)具有I2C 總線接口的低功耗多功能時(shí)鐘/日歷芯片。PCF8563 的多種報(bào)警功能、定時(shí)器功能、時(shí)鐘輸出功能以及中斷輸出功能可完成各種復(fù)雜的定時(shí)服務(wù), 甚至可為單片機(jī)提供看門狗功能。該器件的內(nèi)部時(shí)鐘電路、振蕩電路、低電壓檢測(cè)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(jiǎn)潔, 而且增加了芯片的可靠性。而且,每次讀寫(xiě)數(shù)據(jù)后, 內(nèi)嵌的字地址寄存器自動(dòng)產(chǎn)生增量。其連接電路如圖2。

傳感器測(cè)量模塊

光照強(qiáng)度傳感器

該系統(tǒng)選用了TI 公司的TSL230B 來(lái)測(cè)量環(huán)境周圍的光線強(qiáng)度。該器件采用先進(jìn)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(zhuǎn)換器構(gòu)成。不需外接元件即可完成高分辨率的光照度/頻率轉(zhuǎn)換。可將一定光譜的光轉(zhuǎn)換成電流, 再由電流/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(shí)際上是通過(guò)改變器件上方的感光面積來(lái)調(diào)整靈敏度; S2、S3 為滿量程選擇端; OUT 為頻率信號(hào)輸出端, 進(jìn)入單片機(jī)的捕獲輸入, 通過(guò)計(jì)算兩次捕獲時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器的數(shù)值差, 便可以計(jì)算出輸出頻率值, 根據(jù)圖4 所示的頻率- 能量關(guān)系曲線圖對(duì)照, 從而得到光線強(qiáng)度( 單位: μW/cm2) 。

溫度濕度傳感器

溫度、濕度的測(cè)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(shù)(CMOS 和傳感器技術(shù)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(jiǎn)單, 并具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、一致性好的特點(diǎn)。
 
　　SHT11 內(nèi)部主要包括相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器( E2PROM) 、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM) 、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC) 寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測(cè)電路; 可給出全校準(zhǔn)相對(duì)濕度及溫度值輸出; 具有露點(diǎn)值計(jì)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(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能。此傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn), 其工作原理如圖5 所示。