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引言
傳感器技術與通信技術、計算機技術相結(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在過程控制以及信號監(jiān)測中得到人們的關注, 已成為當今國內(nèi)外研究的一大熱點。本文設計了一種用于對環(huán)境信息進行實時監(jiān)測的無線傳感器系統(tǒng), 在實際應用中能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)進行準確的測量并可靠傳輸, 體現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)數(shù)字化、智能化、無線化的優(yōu)點。
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, 可實時地對所測環(huán)境的溫度、濕度、光照強度、有害氣體濃度等參數(shù)進行測量處理。采用電池供電,無線傳輸, 避免了布線的煩瑣, 而且具有良好的便攜性。
系統(tǒng)硬件設計
整個傳感器系統(tǒng)包括微處理器模塊( 16 位單片機MSP430F149、日歷時鐘芯片、復位電路及外圍電路) 、傳感器測量模塊( 溫濕度傳感器、光照強度傳感器、半導體型可燃氣體敏感元件MQ306A) 、存儲器模塊( Flash 存儲器SST25VF020) 、數(shù)據(jù)通信模塊( 串口通信、無線通信) 、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, 能夠在1.8 V～3.6 V 電壓、1 MHz 的時鐘條件下運行, 具有5 種節(jié)電模式, 耗電流為0.1μA～400μA, 能夠在數(shù)據(jù)檢測時充分節(jié)電, 滿足電池供電下的節(jié)能要求; 具有強大的處理能力(RISC 結(jié)構(gòu)、8MHz 晶體、驅(qū)動指令周期125 ns) 和豐富的片內(nèi)外設( 60 KB+256B Flash、2 KB RAM、12 位A/D 轉(zhuǎn)換,2 個串口/SPI 接口, 48 個I/O 口等) 。
PCF8563 是Philips公司推出的一款工業(yè)級具有I2C 總線接口的低功耗多功能時鐘/日歷芯片。PCF8563 的多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能可完成各種復雜的定時服務, 甚至可為單片機提供看門狗功能。該器件的內(nèi)部時鐘電路、振蕩電路、低電壓檢測電路( 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潔, 而且增加了芯片的可靠性。而且,每次讀寫數(shù)據(jù)后, 內(nèi)嵌的字地址寄存器自動產(chǎn)生增量。其連接電路如圖2。
傳感器測量模塊
光照強度傳感器
該系統(tǒng)選用了TI 公司的TSL230B 來測量環(huán)境周圍的光線強度。該器件采用先進的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�？蓪⒁欢ü庾V的光轉(zhuǎn)換成電流, 再由電流/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的脈沖頻率。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, 實際上是通過改變器件上方的感光面積來調(diào)整靈敏度; S2、S3 為滿量程選擇端; OUT 為頻率信號輸出端, 進入單片機的捕獲輸入, 通過計算兩次捕獲時間內(nèi)計數(shù)器的數(shù)值差, 便可以計算出輸出頻率值, 根據(jù)圖4 所示的頻率- 能量關系曲線圖對照, 從而得到光線強度( 單位: μW/cm2) 。
溫度濕度傳感器
溫度、濕度的測量采用瑞士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(CMOS 和傳感器技術的融合) ,外形尺寸僅為7.5 mm×5 mm×2.5 mm。SHT11 具有I2C 總線接口, 接口電路簡單, 并具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標定、一致性好的特點。
SHT11 內(nèi)部主要包括相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、校準存儲器( E2PROM) 、隨機存取存儲器(RAM) 、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗碼(CRC) 寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路; 可給出全校準相對濕度及溫度值輸出; 具有露點值計算輸出功能; 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)傳輸校驗功能。此傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點, 其工作原理如圖5 所示。
