2019年11月13日 | 一种便携式多参数环境监测仪器的设计

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≤%26;#177;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%26;#215;ＴｍＶ１ＶＲＨ＝６００%26;#215;（％ＲＨ＋３８．５）／３９．１－０．０５６ＴｍＶ２ＶＣ＝ＮＣ%26;#215;ＣｍＶ３ＶＥｅ＝（Ｎｅ%26;#215;Ｅｅ）%26;#215;（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。 

２．１ 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，它的主要特点２如下： %26;#183;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；%26;#183;１６位ＲＩＳＣ架构，２７条精简指令，１２５ｎｓ指令周期；%26;#183;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 %26;#183;片内看门狗及上电复位电路，可选时钟源（ＸＴＡＬ１、ＸＴＡＬ２或内部ＤＣＯ）；%26;#183;具有中断功能的内部比较器Ａ；%26;#183;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； %26;#183;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； %26;#183;片内集成４%26;#215;３２段ＬＣＤ液晶驱动器，其外部引线复用Ｐ３～Ｐ５口；%26;#183;通用通信模块ＵＡＲＳＴ０，软件可选同步／异步方式； %26;#183;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；%26;#183;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。 

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存储器可存放大型数表，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实现时分秒计时，比较／捕获模块１控制Ａ／Ｄ采样周期；１６位定时器Ｂ可实现ＰＷＭ输出，预留作控制口； ＡＤＣ１２用于环境参数测量；比较器Ａ作电池欠压监测；复用Ｐ３～Ｐ５口驱动ＬＣＤ液晶显示器；通用通信模块ＵＡＲＳＴ０实现ＲＳ４８５串行通信；预留ＪＴＡＧ接口以方便用户对仪器更新升级。 

２．２ 测量转换 

ＭＳＰ４３０Ｆ４３７的ＡＤＣｌ２转换模块具有高速通用的特点，１２位的转换精度能保证一般采样的分辨率要求。它的８个外部模拟采样通道可任意配置，转换参考电平ＶＲ＋和ＶＲ－来自内部或外部，也可以是两者的组合；内嵌的采样／保持电路给用户提供了对采样时序的各种选择，采样时序可以通过软件位、３种内部或外部信号来直接控制。ＡＤＣｌ２有４种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换，在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换，采样顺序完全由用户定义。 ＡＤＣ１２转换结果保存在１６个转换存储寄存器ＡＤＣ１２ＭＥＭ０～ＡＤＣ１２ＭＥＭ１５中。其值如５式： ＮＡＤＣ＝４０９６%26;#215;（Ｖｉｎ－ＶＲ－）／ＶＲ＋－ＶＲ－５每个存储寄存器有各自相应的控制寄存器ＡＤＣ１２ＣＴＬ０～ＡＤＣ１２ＣＴＬ１５，可用软件独立配置采样通道号及转换所需参考电平。本监测仪中，各环境参数传感器的输出经Ｕ２前置放大后，送入Ａ０～Ａ３模拟输入端。４路信号的转换参考电平均取ＶＲ＋＝２．５Ｖ和ＶＲ－＝０Ｖ。ＡＤＣ１２工作模式设为序列通道单次转换，每次转换由定时器Ａ比较／捕获模块１的定时输出ＯＵＴ１启动。序列单次转换完成后，将置位ＡＤＣ１２中断请求。 序列通道为ＡＤＣ１２ＭＥＭ０～ＡＤＣ１２ＭＥＭ１２，对应的控制寄存器ＡＤＣ１２ＣＴＬ０～ＡＤＣ１２ＣＴＬ１２中通道重复配置Ａ０～Ａ３。这样等时间间隔内每个环境参数可连续采样３次，然后在ＡＤＣ１２中断服务程序内使用中值滤波得到转换结果。 需要指出的是，ＡＤＣ１２的转换内核与参考电平发生器可分别进入省电模式，为低功耗设计提供便利，而且进一步降低功耗、延长传感元件的使用寿命。测量电路的电源设置为单独可控，由Ｕ３的ＯＵＴ２输出供给，并通过单片机的Ｐ２．０来切合。 

２．３ 键盘显示 

ＭＳＰ４３０Ｆ４３７有６个带复用功能的Ｐ１～Ｐ６双向Ｉ／Ｏ口。其中Ｐ１、Ｐ２设置成输入时，引脚上任何状态变化都会触发中断。本设计将Ｐ３～Ｐ５复用于ＬＣＤ驱动，Ｐ１．０～Ｐ１．４作３%26;#215;２快速键盘。 为读取按键值，首先设置端口功能。Ｐ１．０～Ｐ１．２为输出口，依次输出低电平；Ｐ１．３、Ｐ１．４为输入口，开放中断，选定下降沿触发。当有键按下时，在Ｐ１口中断服务程序内，完成去抖动延时、键值读取等功能，得到的键值交后续程序处理。 片内ＬＣＤ驱动器可工作于静态及２～４多选四种模式，最多可接４%26;#215;３２＝１２８段液晶。图１中Ｒ３３、Ｒ２３、Ｒ１３、Ｒ０３引脚设定模拟偏置电压，提供驱动能力，典型接线为电阻分压ＶＲ３３＝ＶＣＣ、ＶＲ２３＝２／３ＶＣＣ、ＶＲ１３＝１／３ＶＣＣ、ＶＲ０３＝０Ｖ；Ｓ０～Ｓ３１为段输出（每段３μＡ）；ＣＯＭ０～ＣＯＭ３为公共输出，接ＬＣＤ背极。对ＬＣＤ的软件控制极其简单，它有一个控制寄存器ＬＣＤＣＴＬ，定义工作模式及电流消耗。２０个显示存储器ＬＣＤＭ（使用１６个）存放１２８段要显示的状态信息，其内容可采用高效的寻址方式查显示字型表获得。 单片机根据控制键的命令信息，可分别选择仪器“测量／通信”使用方式、“单次／循环”采集类型，并可按键校时、设置参数、启动采集、数据存储确定等。ＬＣＤ显示屏可由定制、时分、超量程和电池欠电告警组成１%26;#215;３２段，剩余３%26;#215;３２为多用显示区，可依次显示操作提示、工作状态、环境参数测量结果，从而大大方便了用户。 

２．４ 串口通信 

为了对采集到的数据进行深入处理（如统计分析、打印存档、绘制曲线图表等），需将数据从检测仪送至计算机中。数据传输使用ＭＳＰ４３０Ｆ４３７的标准ＵＳＡＲＴ通信模块（复位ＳＹＮＣ＝０选择异步功能），并外接低功耗器件ＭＡＸ４８５Ｅ，构成一个半双工ＲＳ４８５串行通信口。 为提高通信的可靠性，便于仪器与其它智能设备组网实现控制功能，本监测仪使用异步通信的地址位多机通信格式。异步帧由１起始位、８数据位、１地址位、１停止位组成，波特率编程为９６００ｂｐｓ。ＵＳＡＲＴ通信模块的地址位多机通信协议如图２所示。 通信时，先置ＲＳ４８５处于接收状态，并置接收唤醒中断允许位ＵＲＸＷＩＥ＝１（此时只有地址字符能触发接收中断）。当接收到一个地址位置位的字符时，通信模块的接收器被激活，字符送入ＵＲＸＢＵＦ，同时接收中断标志ＵＲＸＩＦＧ置位。在串口接收中断服务程序内可以检验收到的地址，如果匹配，置ＵＲＸＷＩＥ＝０，单片机将读取数据块的后续数据；如果地址不匹配，则等待下一地址字符的到来。 ＲＳ４８５接收到主机命令后，转入发送状态，先置控制字符地址位的ＴＸＷａｋｅ＝１。当地址字符的８位数据从ＵＴＸＢＵＦ传送至发送器时，ＴＸＷａｋｅ位装入待发送字符的地址位，每一字符发送完，ＴＸＷａｋｅ位被自动清除，引起发送中断ＵＴＸＩＦＧ。在串口发送中断服务程序内，用户可依次发送完数据块，再重置ＲＳ４８５接收状态。

２．５ 电源控制 

本仪器采用１节３．６Ｖ／４Ａｈ锂离子电池。为保证多路供电及模拟信号测量的精度，设计了以ＡＤＰ３３０２ＡＲ１双低压差线性电源稳压芯片Ｕ３为主的电源控制电路，完成以下功能： %26;#183;电源通断。按键盘“ＯＮ”键，Ｕ３的ＳＤ１脚为高电平，ＯＵＴ１脚输出仪器所需主电源Ｖｃｃ，单片机Ｐ１．５脚送来高电平互锁信号，使“ＯＮ”键松开后，ＯＵＴ１维持输出；按键盘“ＯＦＦ”键，单片机Ｐ１．５脚送出低电平关断ＯＵＴ１脚输出；Ｕ３的ＯＵＴ２脚输出模拟测量电路所需的３Ｖ，测量电源可单独切合，由单片机Ｐ２．０脚的电平控制。 %26;#183;电池电压监测。Ｕ３的加载电压应不低于３Ｖ否则不能正常工作。单片机的片内比较器Ａ有多个基准，选择其中之一０．５%26;#215;ＶＣＣ＝１．５Ｖ电池正极通过分压电阻直连比较器输入脚ＣＡ０。当电池电压低于设定值时触发比较器Ａ中断 在中断服务程序内，驱动ＬＣＤ告警显示，提示用户对电池进行充电（使用外部充电适配器）。 %26;#183;自动关机。每次测试完毕，如果不再操作，则通过定时器比较／捕获０中断计时；５分钟后，单片机Ｐ１．５脚送出低电平，ＯＵＴ１脚输出０Ｖ，从而切断仪器电源实现自动关机。 

３ 软件设计 

检测仪的软件用ＭＳＰ４３０汇编语言编制。为了方便程序调试和提高可靠性，软件采用模块化结构，主要由初始化程序、主程序、子程序、参数表格等组成。 

３．１ 软件功能与特点 

单片机系统上电后，进入初始化程序，完成片内各模块的设置、清ＬＣＤ存储器、端口设定等初始化工作，然后转入主程序，开启中断，循环设置低功耗模式并执行空操作。本软件设计的一大特点是采用中断事件驱动技术，其目的在于降低功耗。在主程序设置ＬＰＭ０低功耗模式（５５μＡ）后，ＣＰＵ即被禁止，外围模块维持活动，并等待各类中断事件。如有中断，ＣＰＵ被唤醒并执行各种中断服务子程序完成事件处理。 每次执行完中断服务子程序返回，在主程序中又重置ＬＰＭ０低功耗模式，并等待下一个中断事件的到来。如此往复，可使系统多数时间处于低功耗运行。 本设计另一特点是利用ＭＳＰ４３０Ｆ４３７的高效查表功能，编制了气体浓度测量的非线性校正和湿度补偿表格，极大地提高了程序运行速度和采集精度。表格的生成是在有限个数据基础上通过拉格朗日插值进行曲线拟合３获得。具体步骤如下： １在湿度５％ＲＨ情况下测量典型气敏传感器在不同气体浓度点Ｃ时，ＡＤＣ１２转换存储寄存器中对应的数字量结果ＮＣ。测试中在１０～３００ｐｐｍ范围内等距离取１０个浓度点； ２使用曲线拟合的方法并结合关系式３，拟合出５％ＲＨ时数字量ＮＣ与气体浓度Ｃ间的连续曲线将曲线按１ｐｐｍ的间隔离散化后存入段２５中； ３分别在２０％ＲＨ、３５％ＲＨ、５０％ＲＨ、６５％ＲＨ、８０％ＲＨ、９５％ＲＨ的湿度下重复上述测量与数据处理过程形成６条不同湿度下的ＮＣ～Ｃ的非线性曲线，存入段２６～３１中。需要注意：正常时采样得到数字量ＮＣ和当前湿度值后，先查该湿度所在范围对应的上下两条曲线 即根据ＮＣ并使用线性插值得到上下两个气体浓度值再根据当前湿度并使用线性插值得到湿度补偿后的最终气体浓度值。 

３．２ 软件流程举例 

本检测仪的程序众多。限于篇幅，仅介绍有特色的Ｆｌａｓｈ数据保存子程序以及较为关键的ＡＤＣ１２子程序。 ＭＳＰ４３０Ｆ４３７可通过ＪＴＡＧ接口或片内ＢＯＯＴ ＲＯＭ下载调试修改程序，甚至允许用户程序在运行中将采集处理的数据快速安全地保存到Ｆｌａｓｈ存储器中，而无须任何外接器件。数据保存采用快速的段写入方法和写字节序列模式，写入电流小（３ｍＡ），写入速度快（≤２５ｍｓ／５１２字节，远超过串行ＥＥＰＲＯＭ的页写速度５ｍｓ／１６字节），１０万写入次数，１００年数据保存。每次采集处理完毕，即将１６字节／批数据“批号—时间—环境参数” 存入段３２～６３。图３为１６字节数据存入的程序框图，其中Ｌｏｃｋ、Ｂｕｓｙ、ＳＥＧ ＷＲＴ、ＷＲＴ、Ｗａｉｔ是Ｆｌａｓｈ控制寄存器内涉及编程的各控制位或状态位。 ＡＤＣ１２子程序用于环境参数测量。当按下测量键或采样时间到，定时器Ａ的ＯＵＴ１启动序列通道单次转换，ＡＤＣ１２自行按Ａ０～Ａ３的采样顺序循环采集各环境参数，并将转换结果保存到存储寄存器ＡＤＣ１２ＭＥＭ０～ＡＤＣ１２ＭＥＭ１１中。序列转换完成后，将置位ＡＤＣ１２中断请求标志ＡＤＣＩＦＧ。 

单片机响应中断进入ＡＤＣ１２子程序后，先关闭测量电源以降低功耗，再读取存储寄存器ＡＤＣ１２ＭＥＭ０～ＡＤＣ１２ＭＥＭ１１中的转换结果，并使用中值滤波得到各环境参数对应的测量数字值。结合关系式１２４依次计算温度、湿度、光照度的最终结果；对于气体浓度，则使用上述查表格的过程得到结果。各环境参数的测量结果缓存至ＲＡＭ区，查显示字型表得显示代码并存入ＬＣＤ存储器，最后判定各环境参数是否超限并刷新ＬＣＤ存储器中告警部分。