基于MSP430F149的无线环境监测传感器系统设计
气敏传感器
该系统采用半导体型可燃气体敏感元件MQ306A, 此传感器是一种二氧化锡型半导体气敏元件, 具有灵敏度高、稳定性高、寿命长、驱动电路简单、电信号输出大等特点, 适合家庭、工厂、商业场所可燃气体的泄漏检测。该传感器通过固定或可调外接负载电阻上电压的变化获得元件电阻的变化。测量电路将传感器的输出信号经过一个低通巴特沃思滤波器和低功耗运算放大器LMV324 实现阻抗匹配, 进入单片机MSP430F149 的12 位A/D 转换, 得到电阻变化值。然后根据MQ306A 的灵敏度特性曲线图反映器件电阻和气体浓度之间的关系。
存储器模块
存储器模块采用超捷( SST) 公司的SST25VF020, 它以高效能超快闪( SupeRFlash) 技术为基础, 采用标准的8 引脚SOIC 封装及超薄型WSON 封装, 使用较少的引脚, 与EEPROM 等非易失性内存解决方案相比, 可减少电路板空间、耗能及成本。提供最新自动地址增值(AAI) 资料写入模式, 相较于单一字节资料写入模式, 能将整个闪存的资料写入时间减少50%。SST25VF020 大小为2Mbit , 具有低功耗、灵活快速擦除、能够进行写保护等特点。
数据通信模块
无线通信模块采用挪威Nordic 公司研制的nRF401 无线收发器件, nRF401 可工作在433.92MHz/434.33 MHz ISM频段。它采用FSK 调制解调技术, 抗干扰能力强, 并采用PLL 频率合成技术, 频率稳定性好, 发射功率可达10dB, 接收灵敏度达-105dB, 数据传输速率可达20 kb/s, 工作电压范围为+3V～5V。nRF401 无线收发器外围电路简单,并可直接与单片机串口连接, 设计中工作频率锁定在434.33 MHz。
nRF401 的ANT1 和ANT2 引脚分别是接收时低噪声接收放大器LNA 的输入, 以及发送时发射功率放大器( PA) 的输出。天线可以以差分方式连接到nRF401, 一个50 Ω的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401, 目前实际应用中距离可达300 m左右。
本系统用RS232 串口实现PC 机与传感器系统间的串行通信, 利用MAX3232 进行驱动。
电源模块
系统采用3节5号电池供电, 利用LT1962、LT1761、LTC3459ES6 电源器件为单片机、传感器等提供合适的工作电压。
系统软件设计
单片机测控软件设计
测控程序利用MSP430 系列单片机配套的开发环境IAR Embedded Workbench 开发, 它同时支持汇编语言和C 语言编写。本系统采用C 语言来开发测控程序, 利用MSP430 系列单片机的JTAG 接口,通过TI 公司所带的仿真器FET 可以方便的进行程序调试和代码下载。所有程序采用模块化设计, 主流程如图6 所示。
上位机软件设计
上位机控制软件使用VC++6.0 和Access2002进行编程设计, 按其功能主要分为数据处理模块和数据库模块, 如图7。
数据处理模块主要完成数据的屏幕显示、报表的打印输出等功能。数据库模块主要实现数据记录的查询、统计、删除、打印等功能。数据库提供了多种约束条件进行快速查询, 如按时间段查询、传感器类型查询、测控机查询等, 统计数据可以表格、动态曲线、直方图等形式显示。
结束语
本系统实现了计算机在有线系统不能或者难以控制受控对象的场合( 特别是恶劣环境下的作业现场) 下, 对传感器系统采集数据的实时无线监测。系统具有较低的功耗, 能在各种环境下进行数据的采集与处理。
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