传感器技术与通信技术、计算机技术相结合构成的智能传感器以其较高的精度、良好的可靠性、功能的多样性等特点在过程控制以及信号监测中得到人们的关注, 已成为当今国内外研究的一大热点。本文设计了一种用于对环境信息进行实时监测的无线传感器系统, 在实际应用中能够对环境参数进行准确的测量并可靠传输, 体现了传感器系统数字化、智能化、无线化的优点。 该系统以MSP430F149 超低功耗微控制器为核心, 配置新式的微型低功耗传感器, 可实时地对所测环境的温度、湿度、光照强度、有害气体浓度等参数进行测量处理。采用电池供电,无线传输, 避免了布线的烦琐, 而且具有良好的便携性。
系统硬件设计
整个传感器系统包括微处理器模块( 16 位单片机MSP430F149、日历时钟芯片、复位电路及外围电路) 、传感器测量模块( 温湿度传感器、光照强度传感器、半导体型可燃气体敏感元件MQ306A) 、存储器模块( Flash 存储器SST25VF020) 、数据通信模块( 串口通信、无线通信) 、电源模块( LT1962EMS83.3、LT1761ES5- 5、LTC3459ES6) , 系统框图如图1。
微处理器模块
MSP430F149 是TI 公司生产的一款超低功耗单片机, 能够在1.8 V～3.6 V 电压、1 MHz 的时钟条件下运行, 具有5 种节电模式, 耗电流为0.1μA～400μA, 能够在数据检测时充分节电, 满足电池供电下的节能要求; 具有强大的处理能力(RISC 结构、8MHz 晶体、驱动指令周期125 ns) 和丰富的片内外设( 60 KB+256B Flash、2 KB RAM、12 位A/D 转换,2 个串口/SPI 接口, 48 个I/O 口等) 。
PCF8563 是Philips公司推出的一款工业级具有I2C 总线接口的低功耗多功能时钟/日历芯片。PCF8563 的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能可完成各种复杂的定时服务, 甚至可为单片机提供看门狗功能。该器件的内部时钟电路、振荡电路、低电压检测电路( 1.0 V) 以及两线制I2C 总线通讯方式不但使外围电路更加简洁, 而且增加了芯片的可靠性。而且,每次读写数据后, 内嵌的字地址寄存器自动产生增量。其连接电路如图2。
传感器测量模块
光照强度传感器
该系统选用了TI 公司的TSL230B 来测量环境周围的光线强度。该器件采用先进的LinCMOSTM 工艺, 主要由多晶硅光电二极管和单片CMOS 电流频率集成转换器构成。不需外接元件即可完成高分辨率的光照度/频率转换。可将一定光谱的光转换成电流, 再由电流/频率转换器转换成相应的脉冲频率。输出方波或者三角波的频率完全由光照幅度决定, 分辨率高, 可以直接与微处理器相连, 如图3所示。S0、S1 为灵敏度控制端, 实际上是通过改变器件上方的感光面积来调整灵敏度; S2、S3 为满量程选择端; OUT 为频率信号输出端, 进入单片机的捕获输入, 通过计算两次捕获时间内计数器的数值差, 便可以计算出输出频率值, 根据图4 所示的频率- 能量关系曲线图对照, 从而得到光线强度( 单位: μW/cm2) 。
温度湿度传感器
温度、湿度的测量采用瑞士Sensirion 公司研制的SHT11 型智能化湿度/温度传感器, 它采用CMOSens 专利技术(CMOS 和传感器技术的融合) ,外形尺寸仅为7.5 mm×5 mm×2.5 mm。SHT11 具有I2C 总线接口, 接口电路简单, 并具有数字式输出、免调试、免标定、一致性好的特点。
SHT11 内部主要包括相对湿度传感器、温度传感器、放大器、A/D 转换器、校准存储器( E2PROM) 、随机存取存储器(RAM) 、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC) 寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路; 可给出全校准相对湿度及温度值输出; 具有露点值计算输出功能; 湿度值输出分辨率为14 位, 温度值输出分辨率为12 位, 并可编程为12 位和8 位; 具有数据传输校验功能。此传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点, 其工作原理如图5 所示。
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