本文以智能建筑為應用背景，介紹一種通用性很強的便攜式多參數環境監測儀。它以MSP430F437超低功耗單片機為核心，配置新式的微型低功耗傳感器，實現了建筑物內溫度、濕度、光照度、有害氣體濃度等參數的采集處理、存儲、通信等功能。文中詳細闡明了傳感器的選取、硬件結構、軟件流程等相關技術，并指出該儀器的特點和優勢。

    1 傳感器的選取

    傳感器是決定監測儀精度的關鍵元件。傳感器的選擇主要依據工作環境、測量精度、線性度、互換性、靈敏度、響應速度、穩定性、功耗、體積大小以及易于與MCU接口等。本監測儀選用的各類傳感器分別為：集成溫度傳感器TMP35、集成濕度傳感器HM1500、熱線型半導體氣敏傳感器MR511以及集成光照度傳感器TSL253。與同類產品相比，它們在上述方面有一定的優點，很適合便攜式儀表使用。

    TMP35電壓輸出量與被測溫度T成線性關系，其式如（1）；HM1500輸出量為電壓，與被測濕度%RH成正比，且與溫度T有關系，其式如（2）；MR511內有溫度補償，其輸出電壓與被測氣體濃度C成近似線性關系（線性度≤±5%），其式如（3），式中Nc為器件靈敏度，環境濕度為Vc的值有影響；TSL253電壓輸出量與被測光照度Ee成正比，且與溫度T有關，其式如（4），式中Ne為傳感器的靈敏等。

    VT=[10×T](mV)    (1)

    VRH=[600×（%RH+38.5）/(39.1-0.056T)](mV)    (2)

    Vc=[Nc×C](mV)    (3)

    Vec=[(Nc×Ee) ×(1.05-0.002T)](mV)    (4)

    上述各式說明，高精度的監測必須考慮傳感器的非線性、溫濕度影響、測量誤差及環境誤差等問題，尤其要著重解決測量中的非線性及溫濕度補償。在布置印刷電路板時盡量減少引線電阻和分布電容以降低測量誤差。在電路設計上要加線性化處理電路及溫濕度補償電路，或借助于單片機系統，由軟件查表等方法進行處理、修正（用軟件實現傳感器的校正補償功能可降低儀器功耗）。如有可能可用標準測量儀進行校準，以提高測量精度。

    圖1 監測儀硬件電路原理圖

    2 硬件設計

    監測儀主要由MSP430單片機、測量轉換、鍵盤顯示、串口通信、電池電源等部分組成。電路中器件很少，功耗較低且功能強大。具體硬件電路原理圖如圖1所示。

    2.1 MSP430單片機

    單片機系統是監測儀的核心，它完成儀器的功能設定、測量對象選擇、信號處理存儲、狀態信息顯示、數據通訊等功能。相對于MCS51、MCS96及PIC[1]等系列，TI公司帶閃速存儲器的MSP430F系列超低功耗單片機有著很大的優勢。MSP430F單片機有多種型號，其功能組合各異，能滿足不同應用場合的要求。本設計采用MSP430F437，它的要特點[2]如下：

    ·工作電壓低（1.8～3.6V），電流小（280μA/1MHz/活動模式），5種低功耗模式；

    ·16位RISC架構，27條精簡指令，125ns指令周期；

    ·豐富的中斷源并可任意嵌套，用中斷請求將系統從備用狀態喚醒僅需6μs；

    ·片內看門狗及上電復位電路，可選時鐘源（XTAL1、XTAL2或內部DCO）；

    ·具有中斷功能的內部比較器A；

    ·雙向并行I/O口P1和P2（有中斷功能）及P3～P6口，多數口有復用功能；

    ·兩個16位定時器A、B，均各帶3個比較/捕獲模塊，每個模塊可獨立編程，用于產生定時脈沖，捕獲外部事件；

    ·片內集成4×32段LCD液晶驅動器，其外部引線復用P3～P5口；

    ·通用通信模塊UARST0，軟件可選同步/異步方式；

    ·具有自動循環采集功能的8通道12位ADC12，自帶采樣保持器和可選電壓基準；

    ·JTAG接口或片內BOOT ROM使程序下載調試極其簡便，程序代碼由安全熔絲保護。

    圖2 地址位多通信協議圖

    MSP430F437不需加裝存儲器，片內自帶1K字節RAM及在線可擦除編程32K字節主Flash+256字節信息Flash。片內Flash模塊包含3個控制寄存器、時序發生器、擦除/編程電壓發生器及Flash存儲器本身。其中主Flash分為每段512字節的段0～63，信息Flash分為每段128字節的段A、B。MSP430F437存儲器可放大型數表，有高效的查表處理方法。本監測儀安排段0～23為程序代碼區、段24為LCD顯示字型表、段25～31存放校正和補償表格、段32～63為用戶采集數據保存區、段A+B存放各類參數。

    在電路中，其他主要模塊的功能分配為：16位定時器A的比較/捕獲模塊0實現實現時分秒計時，比較/捕獲模塊1控制A/D采樣周期；16位定時器B可實現PWM輸出，預留作控制口；ADC12用于環境參數測量；比較器A作電池欠壓監測；復用P3～P5口驅動LCD液晶顯示器；通用通信模塊UARST0實現RS485串行通信；預留JTAG接口以方便用戶對儀器更新升級。

    2.2 測量轉換

    MSP430F437的ADC12轉換模塊具有高速通用的特點，12位的轉換精度保證一般采樣的分辨率要求。它的8個外部模擬采樣通道可任意配置，轉換參考電平VR+和VR-來自內部或外部，也可以是兩者的組合；內嵌的采樣/保持電路給用戶提供了對采樣時序的各種選擇，采樣時序可通過軟件位、3種內部或外部信號來直接控制。ADC12有4種工作模式。可以在單通道上實現單次轉換或多次轉換，序列通道上實現單次轉換或重單次轉換或多次轉換，在序列通道上實現單次轉換或重復轉換。對于序列通道轉換，采樣順序完全由用戶定義。

    ADC12轉換結果保存在16個轉換存儲寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM15中。其值如（5）式：

    NADC=4096×（Vin-VR-）/(VR+-VR-)    （5）

    每個存儲寄存器有各自相應的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL15，可用軟件獨立配置采樣通道號及轉換所需參考電平。

    本監測儀中，各環境參數傳感器的輸出經U2前置放大后，送入A0～A3模擬輸入端。4路信號的轉換參考電平均取VR+=2.5V和VR-=0V。ADC12工作模式設為序列通道單次轉換，每次轉換由定時器A比較/捕獲模塊1的定時輸出OUT1啟動。序列單次轉換完成后，將置位ADC12中斷請求。

    序列通道為ADC12MEM0～ADC12MEM12,對應的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL12中通道重復配置A0～A3。這樣等時間間隔內每個環境參數可連續采樣3次，然后在ADC12中斷服務程序內使用中值濾波得到轉換結果。

    需要指出的是，ADC12的轉換內核與參考電平發生器可分別進入省電模式，為低功耗設計提供便利，而且進一步降低功耗、延長傳感元件的使用壽命。測量電路的電源設置為單獨可控，由U3的OUT2輸出供給，并通過單片機的P2.0來切合。

    2.3 鍵盤顯示

    MSP430F437有6個帶復用功能的P1～P6雙和同I/O口。其中P1、P2設置成輸入時，引腳上任何狀態變化都會觸發中斷。本設計將P3～P5復用于LCD驅動，P1.0～P1.4作3×2快速鍵盤。

    為讀取按鍵值，首先設置端口功能，P1.0～P1.2為輸出口，依次輸出低電平；P1.3、P1.4為輸入口，開放中斷，選定下降沿觸發。當有鍵按下時，在P1口中斷服務程序內，完成去抖動延時、鍵值讀取等功能，得到的鍵值交后續程序處理。

    片內LCD驅動器可工作于靜態及2～4多選四種模式，最多可接4～32=128段液晶。圖1中R33、R23、R13、R03引腳設定模擬偏置電壓，提供驅動能力，典型接線為電阻分壓VR33=VCC、VR23=2/3Vcc、VR13=1/3cc、VR03=0V；S0～S31為段輸出（每段3μA）；COM0～COM3為公共輸出，接LCD背極。對LCD的軟件控制極其簡單，它有一個控制寄存器LCDCTL，定義工作模式及電流消耗。20個顯示存儲器LCDM（使用16個）存放128段要顯示的狀態信息，其內容可采用高效的尋址方式查顯示字型表獲得。

    單片機根據控制鍵的命令信息，可分別選擇儀器“測量/通信”使用方式、“單次/循環”采集類型，并可按鍵校時、設置參數、啟動采集、數據存儲確定等。LCD顯示屏可由定制、時分、超量程和電池欠電告警組成1×32段，剩余3×32為多用顯示區，可依次顯示操作提示、工作狀態、環境參數測量結果，從而大大方便了用戶。

    2.4 串口通信

    為了對采集到的數據進行深入處理（如統計分析、打印存檔、繪制曲線圖表等），需將數據從檢測儀送至計算機。數據傳輸使用MSP430F437的標準USART通信模塊（復位SYNC=0選擇異步功能），并外接低功耗器件MAX485E，構成一個半雙工RS485串行通信口。

    為提高通信的可靠性，便于儀器與其它智能設備組網實現控制功能，本監測儀使用異步通信的地址位多機通信格式。異步幀由1起始位、8數據位、1地址位、1停止位組成，波特率編程為9600bps。USART通信模塊的地址位多要通信協議如圖2所示。

    通信時，先置RS485處于接收狀態，并置接收喚醒中斷允許位URXWIE=1（此時只有地址字符能觸發接收中斷）。當接收一個地址位置的字符時，通信模塊的接收器被激活，字符送入URXBUF，同時接收中斷標志URXIFG置位。在串口接收中斷服務程序內可以檢驗收到的地址，如果匹配，置URXWIE=0，單片機將讀取數據塊的后續數據；如果地址不匹配，則等待下一地址字符的到來。

    RS485接收到主機命令后，轉入發送狀態，先置控制字符址位的TXWake=1。當地址字符的8位數據從UTXBUF傳送至發送器時，TXWake位裝入待發送字符的地址位，每一字符發送完，TXWake位被自動清除，引起發送中斷UTXIFG。在串口發送中斷服務程序內，用戶可依次發送完整數據塊，再重置RS485接收狀態。

    2.5 電源控制

    本儀器采用1節3.6V/4Ah鋰離子電池。為保證多路供電及模擬信號測量的精度，設計了以ADP3302AR1雙低壓差線性電源穩壓芯片（U3）為主的電源控制電路，完成以下功能；

    ·電源通斷。按鍵盤“ON”鍵，U3的SD1腳為高電平，OUT1腳輸出儀器所需主電源Vcc，單片機P1.5腳送來高電平互鎖信號，使“ON”鍵松開后，OUT1維持輸出；按鍵盤“OFF”鍵，單片機P1.5腳送出低電平，關斷OUT1腳輸出；U3的OUT2腳輸出模擬測量電路所需的3V，測量電源可單獨切合，由單片機P2.0腳的電平控制。

    ·電池電壓監測。U3的加載電壓應不低于3V，否則不能正常工作。單片機的片內比較器A有多個基準，選擇其中之一0.5×Vcc=1.5V，電池正極通過分壓電阻直連比較器輸入腳CA0。當電池電壓低于設定值時，觸發比較器A中斷，在中斷服務程序內，驅動LCD告警顯示，提示用戶對電流進行充電（使用外部充電適配器）。

    ·自動關機。每次測試完畢，如果不再操作，則通過定時器比較/捕獲0中斷計時；5分鐘后，單片機P1.5腳送出低電平，OUT1腳輸出0V，從而切斷儀器電源實現自動關機。

    3 軟件設計

    檢測儀的軟件用MSP430匯編語言編制。為了方便程序調度和提高可靠性，軟件采用模塊化結構，主要由初始化程序、主程序、子程序、參數表格等組成。

    3.1軟件功能與特點

    單片機系統上電后，進入初始化程序，完成片內各模塊的設置、清LCD存儲器、端口設定等初始化工作，然后轉入主程序，開啟中斷，循環設置低功耗模式并執行空操作。

    本軟件設計的一大特點是采用中斷事件驅動技術，其目的在于降低功耗。在主程序設置LPM0低功耗模式（55μA）后，CPU即補禁止，外圍模塊維持活動，并等待各類中斷事件。如有中斷，CPU被喚醒并執行各種中斷服務子程序完成事件處理。

    每次執行完中斷服務子程序返回，在主程序中又重置LPM0低功耗模式，并等待下一個中斷事件的到來，如此往復，可使系統多數時間處于低功耗運行。

    本設計另一特點是利用MSP430F437的高效查表功能，編制了氣體濃度測量的非線性校正和濕度補償表格，極大地提高了程序運行速度和采集精度。表格的生成是在有限個數據基礎上，通過拉格朗日插值進行曲線擬合[3]獲得。具體步驟如下：

    （1）在濕度5%RH情況下，測量典型氣敏傳感器在不同氣體濃度點C時，ADC12轉換存儲寄存器中對應的數字量結果Nc。測試中，在10～300ppm范圍內等距離取10個濃度點；

    （2）使用曲線擬合的方法，并結合關系式（3），擬合出5%RH時數字量Nc與氣體濃度C間的連續曲線，將曲線按1ppm的間隔離散化后，存入段25中；

    （3）分別在20%RH、35%RH、50%RH、65%RH、80%RH、95%RH的濕度下，重復上述測量與數據處理過程，形成6條不同濕度下的Nc-C的非線性曲線，存在段26～31中。

    需要注意：正常時采樣得到數字量Nc和當前濕度值后，先查該濕度所在范圍對應的上下兩條曲線，即根據Nc并使用線性插值得到上下兩個氣體濃度值，再根據當前濕度并使用線性插值得到濕度補償后的最終氣體濃度值。

    3.2 軟件流程舉例

    本檢測儀的程序眾多。限于篇幅，僅介紹有特色的Flash數據保存于程序以及較為關鍵的ADC12子程序。

    MSP430F437可通過JTAG接口或片內BOOT ROM下載調試修改程序，甚至允許用戶程序在運行中將采集處理的數據快速安全地保存到Flash存儲器中，而無須任何外接器件。數據保存要用快速的段寫入方法和寫字節序列模式，寫入電流小（3mA），寫入速度快（≤25ms/512字節，遠超過串行EEPROM的頁寫速度5ms/16字節），10萬寫入次數，100年數據保存。每次采集處理完畢，即將16字節/批數據“批號-時間-環境參數”存入段32～63。圖3為16字節數據存入的程序框圖，其中LOCk、Busy、SEG WRT、WRT、Wait是Flash控制寄存器內涉及編程的各控制位或狀態位。

    ADC12子程序用于環境參數測量。當按下測量鍵或采樣時間到，定時器A的OUT1啟動序列通道單次轉換，ADC12自行按A0～A3的采樣順序循環采集各環境參數，并將轉換結果保存到存儲寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中。序列轉換完成后，將置位ADC12中斷請求標志ADCIFG。

    單片機響應中斷進入ADC12子程序后，先關閉測量電源以降低功耗，再讀取存儲寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中的轉換結果，并使用中值濾波得到各環境參數對應的測量數字值。結合關系式（1）(2)(4)依次計算溫度、濕度、光照度的最終結果；對于氣體濃度，則使用上述查表格的過程得到結果。各環境參數的測量結果緩存至RAM區，查顯示字型表得顯示代碼并存入LCD存儲器，最后判定各環境參數是否超限并刷新LCD存儲器中告警部分。