一种便携式温湿度仪的软硬件实现

发布于：2007/6/8 9:16:15 | 685 次阅读

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　　［摘　要］　介绍了一种基于MSP430F系列超低功耗单片机的温湿度检则仪，详细阐明了温湿度检测原理、软硬件的设计与实现方法。该仪器充分利用单片机自身资源，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湿温度一体化测量。
［关键词］　MSP430F单片机；温湿度传感器；检测仪；低功耗

1　引　言　　
　　温度、湿度是工农业生产的主要环境参数，对其进行适时准确的测量具有重要意义。目前，随着经济的发展及生活环境的改善，在一些野外及流动性较大的场合（如农业温室、智能建筑等），传统的“温—阻”法和“湿—阻”法由于其体积大，操作不方便，消耗功率高（一般需加模拟风），已经很难适用。因此，新一代准确可靠、快速灵敏、可便携式温湿度检测仪的研制势在必行。
　　该文以智能建筑为应用背景，提出一种以MSP430F413超低功耗单片机为构成的温湿度仪，详细阐明了该仪器的检测原理、硬件结构、软件编制等相关技术，并指出它的一些特点和优势。
2　检测原理　　
　　温湿度传感器是决定检测仪的关键器件，其选取的原则主要有测量范围、工作环境、线性度、互换性、灵敏度、响应速度、稳定性及体积大小等。考虑以上因素和仪器的测量要求，设计采用Honey－well公司的薄膜铂电阻HEL－775测温，Humirel公司的高分子薄膜式湿敏电容HS1100作湿度测量^［1］。
　　HEL－775的主要技术参数如下：测量范围－55℃～＋150℃、基本电阻1 000Ω（在0℃时）、测量好于±0．3℃、温度系数0．00375Ω／Ω／℃、互换性1 000Ω±1Ω（在0℃时）、满量程线性度±0．15％、响应时间10s（10ft／s空气中）、稳定性＜0．05℃／5a、自热系数3．0mW／℃。
　　HEL－775铂电阻元件的温度—电阻关系式^［2］为：

　　式（2—1）中Rpt为待测温度T时的铂电阻值，R0为零度时的基本电阻值，a、b、c是温度系数＝0．00375Ω／Ω／℃时的取值常数，其中c在0℃以上取值0。
　　HS1100湿敏电容具有不需校准的完全互换性，能瞬时退饱和，适用于线性电压输出和频率输出两＜5s，温度系数为0．04pF／℃，稳定性0．5％RH／a，可见性能是较高的。
　　使用中的HS1100湿敏电容参数值与湿度RH、频率f、温度T有关，其关系式如下：

C即典型标称电容，a₃、a₂、a₁、a₀取值为常数。
　　上述式（2—1）～式（2—4）说明：温湿度仪的高测量，必须考虑传感器的非性线、频率和温度补偿及测量误差等问题，因此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。如有可能可用标准仪器进行校准，以提高测量。
3　硬件实现　　
　　检测仪的硬件主要由MSP430F单片机、测量转换、键盘显示、串口通信、电池电源、JTAG接口等部分组成。由于单片机的硬件资源非常丰富，使得电路的加装器件很少，功耗极低且功能强大。具体硬件电路原理如图3—1所示。

3．1　MSP430F单片机
　　单片机系统是检测仪的。相比于MCS51、MCS96及PIC等系列，TI公司的MSP430F系列超低功耗单片机［3］有很大的优势。MSP430F系列单片机有多种型号，其功能组合各异，能满足不同应用场合的要求。设计中采用MSP430F413，主要特点如下：
　　·工作电压低（1．8～3．6V），电流小（225μA／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，XTAL或DCO可选时钟源；
　　·具有中断功能的比较器A（可用于16位斜率A／D转换）；
·双向并行I／O口P1～P6，多数口有复用功能，
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；
　　·带3个比较／捕获模块的16位定时器A，可产生定时脉冲，捕获外部事件，甚至支持以硬件方式实现串行UART通信；
　　·片内集成4×24段LCD液晶驱动器，其外部接线复用P2～P5口；
　　·JTAG接口或片内BOOTROM使程序下载调试极其简便。
　　特别的是MSP430F413不需加装存储器，片内自带256BRAM及在线可擦除编程8KB主Flash＋256B信息Flash。其中主Flash分为每段512B的段0～15，信息Flash分为每段128B的段A、B，MSP430F413存储器可存放大型数表，有高效的查表处理方法。检测仪安排段0～6为程序代码区、段7～11存放校正和补偿表格、段12～15为用户采集数据保存区、段A＋B存放各类参数和LCD显示字型表。
　　使用于电路中，其它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485串行通信；比较／捕获模块1、2用于温湿度测量；比较器A作电池欠压监测；复用P2～P5口驱动LCD液晶显示；预留JTAG接口以方便用户对仪器更新升级。
3．2　测量转换
　　16位定时器A的定时计数脉冲频率可高达8MHz，而且3个比较／捕获模块均可独立编程，工作于捕获模式时，能以中断方式快速捕获外部事件的发生时间。依据这一特点，设计了基于CMOS双时基电路ICM7556的最简高测量电路，并借助单片机软件来解决非线性校正和各类补偿问题。
　　ICM7556中的一个时基电路（脚1～7）与精密电容C1（取2 200pF）、铂电阻，另一个时基电路（脚8～13）与精密电阻R1（取680Ω）、湿敏电容组成二路自激多谐振荡器，二路温湿度输出脉冲经1、13脚送入单片机定时／捕获口TA1、TA2处理。脉冲周期随湿敏电容值CRH或铂电阻值Rpt而线性改变：

　　当湿度从0％～100％RH变化时，C_RH＝200～162pF，T_RH＝189～151μs；温度从－50℃～＋150℃变化时，R_pt＝808～1 558Ω，T_pt＝2 464～4 747μs。若以定时计数脉冲脉宽0．25μs分析，为保证采样，读取温度脉冲的1个周期宽度，分辨率达［150－（－50）］／［（4747－2464）／0．25］＝0．022℃，读取湿度脉冲的40个周期宽度，其分辨率达（100－0）／［40×（189－151）／0．25］＝0．017％RH。
　　为进一步降低功耗，减少铂电阻长期通电的自热、延长湿敏电容的使用寿命、避免温湿度输出脉冲的串扰，二路多谐振荡器设置为单独的启停可控，脚4、10通过单片机P1．7、P2．1分别加高电平时，有输出脉冲；加低电平复位时，铂电阻或湿敏电容上无电压，芯片仅流过60μA静态电流。
3．3　键盘显示
　　设计将P6口和P1．4作8×1快速键盘。为读取按键值，首先设置P6为输出口，依次输出低电平，P1．4为输入口，开放中断，选定下降沿触发。当有键按下时，由P1口中断及定时器A溢出中断服务程序，完成去抖动延时、按键互锁、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多选背极4种模式，最多可驱动4×24＝96段液晶。图中R33、R23、R13、R03引脚设定液晶模拟偏置电压，提供驱动能力；S0～S23为段输出（每段3μA），COM0～COM3为公共输出，接LCD背极。对LCD的软件控制也极其简单，控制寄存器LCDCTL定义工作模式及电流消耗，12个8位显示存贮器LCDM1～LCDM12存放96段要显示的状态信息，每位对应1段，其内容由查显示字型表来获得。
　　通过键盘，仪器可选择“测量／通信”使用方式、“温度／湿度／温湿度循环”采集类型、可按键校时、设置参数、启动采集、存贮数据等。4×24段LCD显示屏可显示工作状态、时间、温湿度测量结果、超量程指示和电池欠电报警，从而大大方便了用户。
3．4　串口通信
　　为了对采集到的温湿度进行深入处理，需将数据从检测仪送至计算机中。数据传输常用串行口，MSP430F413的定时器A有独特的以硬件方式实现UART的能力，CPU及软件的开销很小，其特点有：自动检测起始位、硬件实现75～115200bps波特率发生、硬件锁存RXD和TXD数据、半／全双工可选、可工作于超低功耗模式。利用这一功能，配置低功耗接口器件MAX3485E，可构成半双工485串行通信口。
　　定时器A的比较／捕获模块0实现UART的具体原理详见文献［3］。图3—1中P1．1／TA0接收，P1．0／TA0发送，位P1．3控制数据的流向。设置通信波特率为9600bps，串行帧由11位构成，即1个起始位，8个数据位（D0～D7，低位在先），可编程第9数据位D8，1个停止位，帧格式如图3—2所示：

　　其中可编程第9位作地址标识，为仪器与其它智能设备组网实现控制功能时使用。
3．5　电池电源
　　仪器电源使用单节1．2V镍镉电池，为保证供电正常及节约能源，设计了以DC／DC电源转换芯片MAX1678为主的电源控制，完成以下功能：
　　·电源通断。按键盘“ON”键，MAX1687的脚为高电平，OUT脚输出仪器所需3．3V电压，单片机启动后P1．5脚送来高电平互锁信号，使“ON”键松开后，MAX1687维持输出；按“OFF”键，MAX1687关断OUT脚输出，电流仅2μA。
　　·电池电压监测。MAX1678的加载电压应不低于0．7V，否则不能正常工作。MSP430F413的片内比较器A有多个基准，选择其中之一0．25×Vcc＝0．825V，电池正极直连比较器输入脚CA0，可省去分压电阻。因此，电池电压低于0．825V时，触发比较器A中断，在中断服务程序内，驱动LCD报警显示，提示用户更换电池。
　　·自动关机。每次测试完成，如果不再操作，则通过定时器A溢出TAIFG中断计时，3 min后，P1．5脚送出低电平，MAX1687输出0V，从而切断仪器电源实现自动关机。
4　软件实现　　
　　检测仪的软件用MSP430F413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。
　　单片机系统上电后，进入初始化程序，完成对片内各模块工作方式的设置、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，设置进入低功耗模式。
　　该软件设计的一大特点是采用中断事件触发技术，其目的在于降低功耗。在主程序设置LPM0低功耗模式（32μA）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，6μs内CPU被唤醒，并执行如下相应中断服务子程序完成各种事件处理功能：
　　（1）比较器A子程序（刷新LCD显示存贮器报警部分，提示电池欠压）；
　　（2）P14按键子程序（启动按键去抖动、键盘互锁）；
　　（3）定时器溢出TAIFG子程序（键盘去抖动计时、键盘开锁、键值读取及处理；3min自动关机计时）；
　　（4）定时器比较／捕获CCIFG1子程序（温度采集、滤波、非线性校正、超限判定、LCD显示存贮器温度部分刷新）
　　（5）定时器比较／捕获CCIFG2子程序（湿度采集、滤波、频率和温度补偿、非线性校正、超限判定、LCD显示存贮器湿度部分刷新）
　　（6）定时器比较／捕获CCIFG0子程序（串行485口通信数据接收和发送）
　　当每次执行完中断服务子程序而返回，在主程序中又重置LPM0低功耗模式，CPU等待下一个中断事件唤醒，如此往复，可使系统多数时间处于低功耗
运行状态。
　　软件设计另一特点是依据曲线分段模拟的线性插值法编制了3个大型校正补偿表格，极大地提高程序运行速度和采集，而且借助软件来解决非线性校正和各类补偿问题，也降低了系统功耗。3个表格分别为：
    （1）铂电阻Tpt—T非线性校正表
　　依据式（2—1）、式（3—2）可得对铂电阻的测量值T_pt与温度T的关系式
　　T_pt＝2×Ln2×C1×R₀［1＋aT－bT²－cT³（T－100）］（4—1）
　　通过计算和实测修正，求得T_pt在2 350～4 850μs之间每隔5μs变化时，T在－50℃～＋150℃之间的对应温度值（两字节），共500×2字节，存入Flash段7、8。
（2）湿敏电容TRH—C频率补偿表
　　依据式（2—3）、式（3—1）可得对湿敏电容的测量值T_RH与电容C的关系式
　　C＝T_RH／［2×Ln2×R1（1．027－0．01185Ln（1／T_RH））］　（C＝10kHz）（4—2）
　　通过计算和实测修正，求得40×T_RH在5 500～8 000μs之间每隔10μs变化时，C的对应取值（两字节），共250×2字节，存入Flash段9。
    （3）湿敏电容C—％RH非线性校正表
　　得到C_{（10k Hz）}之后，要进行湿敏电容的温度补偿，由式（2—4）、式（4—2）得
    CRH＝C－（T－25）×0．04　（C＝10kHz）（4—3）
　　该结果代入式（2—2），当C_RH在160～200pF之间每隔0．1pF变化时，通过计算和实测修正，求得％RH的对应湿度值（两字节），共400×2字节，存入Flash段10、11。
　　以上要注意的是按输入查表后，应使用插值计算来求取温湿度的结果。
5　结束语　　
　　该文研究的温湿度检测仪充分利用了MSP430F单片机的自身资源，使温湿度测量范围和大大提高。在具备数据采样处理、储存、显示等功能前提下，显示出一定的优势：
　　·可便携。由于采用电池供电和LCD显示，全部芯片选用CMOS小电流微封装器件，使仪器体积小，功耗低，可随身携带到各个测试点进行数据采集。
　　·可通信。利用485串行口，把采集的数据上传到计算机作进一步的处理，或把检测仪用于其它智能设备，实现网络控制功能。
　　·采集量大。内部Flash可存放256批采集数据，8Byte／批。
    ·一表多能。通过仪器的JTAG在线可编程接口，用户只需更换传感器，并下载修改控制软件，就可应用到其它环境参数的测试中。

［参考文献］

［1］　林　敏．HS1100／HS1101电容式湿度传感器及其应用［J］．仪表技术与传感器．2001（10）：44－45．
［2］　张国忠．检测技术［M］．北京：机械工业出版社，1998．
［3］　胡大可．MSP430系列Flash型超低功耗16位单片机［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2001．

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