作者：長(zhǎng)沙中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 李中華

    本文以智能建筑為應(yīng)用背景，介紹一種通用性很強(qiáng)的便攜式多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀。它以ｍｓｐ４３０ｆ４３７超低功耗單片機(jī)為核心，配置新式的微型低功耗傳感器，實(shí)現(xiàn)了建筑物內(nèi)溫度、濕度、光照度、有害氣體濃度等參數(shù)的采集處理、存儲(chǔ)、通信等功能。文中詳細(xì)闡明了傳感器的選取、硬件結(jié)構(gòu)、軟件流程等相關(guān)技術(shù)，并指出該儀器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

    １ 傳感器的選取

    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、熱線型半導(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)境濕度對(duì)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

    上述各式說明，高精度的監(jiān)測(cè)儀必須考慮傳感器的非線性、溫濕度影響、測(cè)量誤差及環(huán)境誤差等問題，尤其要著重解決測(cè)量中的非線性校正及溫濕度補(bǔ)償。在布置印刷電路板時(shí)應(yīng)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 硬件設(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，它的主要特點(diǎn)２如下：

    ·工作電壓低（１．８～３．６ｖ），電流�。ǎ玻福唉蹋幔保恚瑁顒�(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