基于MSP430的便攜式紫外線強度檢測儀設(shè)計

0 引言

眾所周知，太陽光中適量的紫外線對可以殺菌消毒，增強體質(zhì)，對人有很大幫助。而過量的紫外線則對人和其他生物有害。紫外線的預報與利用在一些發(fā)達國家已經(jīng)趨于成熟，而在我國尚處于起步階段，多數(shù)數(shù)據(jù)資源壟斷于氣象業(yè)務(wù)部門，不利于公眾獲得第一手的信息。且在某個地段檢測到的數(shù)據(jù)具有較大局限性，尤其在高樓林立的城市中或地形復雜的旅游景點里甚至不具有參考價值，遠不能滿足人們的需求。

本文提出了一種基于MSP430的便攜式紫外線檢測儀設(shè)計方案，該方案對紫外線強度進行實時實地、連續(xù)的檢測。具有數(shù)據(jù)存儲和實時數(shù)據(jù)查看、顯示當前強度值及其他便民信息等功能，測量數(shù)據(jù)可通過有線或無線通信方式實現(xiàn)與其他終端設(shè)備或上位機共享，以實現(xiàn)多點組網(wǎng)的紫外線監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

便攜式紫外線檢測儀系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、人機接口系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

首先通過UVM30A紫外線傳感器模塊，把檢測到的太陽光中的紫外線轉(zhuǎn)換為電信號，送給MSP430F149單片機，通過軟件設(shè)置使用單片機自帶的12位A／D把得到的電壓值進行轉(zhuǎn)換并處理。然后通過128×64液晶將實時數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，并可以通過按鍵設(shè)置進行數(shù)據(jù)保存、查看、設(shè)備加密、蜂嗚器報警強度、通信傳輸。通過相應(yīng)的通信設(shè)置，實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸和計算機對便攜式設(shè)備上實時數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和管理。

1．1 低功耗設(shè)計

對于便攜式設(shè)備而言，最重要的特點是能夠最大限度的降低功耗，盡可能延長使用時間。

1．1．1 硬件

系統(tǒng)首先要選擇一個極低功耗的處理器。

MSP430系列單片機在活動模式時僅耗電250μA／MIPS，其輸入端口的漏電流最大為50 nA，遠低于其他系列單片機(一般為1～10μA)，并且可選擇性地關(guān)閉其內(nèi)部功能模塊。其次，系統(tǒng)各模塊電路中所采用的芯片都具有寬供電范圍，基本都滿足3～5 V的供電區(qū)間，輔以3．3 V電壓轉(zhuǎn)換芯片為整個系統(tǒng)提供電源，盡量把系統(tǒng)功能通過軟件層面實現(xiàn)，從而減少了整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)的耗電量。

1．1．2 軟件

在軟件層面上，參考手機的供電特點，當用戶長時間不進行操作的時候，軟件設(shè)計自動關(guān)閉液晶并使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，從而最大限度降低功耗。另外，其他一些功能模塊只在用戶打開相應(yīng)的工作界面的時候才開始工作，從而降低系統(tǒng)功耗。

1．2 測量精確度方案——數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計

對于測量儀器而言，精確度尤為重要。因此，需要選擇靈敏的傳感器和高精度的A／D轉(zhuǎn)換模塊。

系統(tǒng)采用UVM30A紫外線傳感器模塊。該模塊專為需要高可靠性和精確性測量紫外線指數(shù)(UVI)的場合所設(shè)計，適合測量太陽光紫外線強度總量。

除傳感器之外，影響測量精度的直接原因主要有兩個，一是A／D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，二是A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓。該設(shè)計采用TL431穩(wěn)壓芯片得到1．25 V的基準電壓作為參考電壓，把紫外線傳感器直接接在單片機的I／O口上，即可進行信號的處理和顯示。

單片機的A／D位數(shù)u=12，其最大顯示數(shù)據(jù)d=212，當參考電壓V1=1．25 V時，根據(jù)精度的計算公式得到在該系統(tǒng)中，傳感器模塊最大輸出電壓為1 V時，精度可精確到0．31 mV，滿足紫外線的等級分辨率要求。

1．3 通信方案——通信組網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計

所設(shè)計的便攜式系統(tǒng)具有多種通信方式。其主要目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的實時傳輸與共享，并為以后的大規(guī)模設(shè)備組網(wǎng)提供技術(shù)保證。主要分為有線串口通信和無線數(shù)據(jù)通信。其中，有線串口通信采用傳統(tǒng)的技術(shù)成熟的RS 232通信，以保證傳輸穩(wěn)定性。

無線通信采用APC220-43無線數(shù)傳模塊。其可設(shè)置眾多的頻道，步進精度為1 kHz，發(fā)射功率高達20 mW，但仍然具有較低的功耗，體積小，非常方便客戶嵌入系統(tǒng)之內(nèi)。采用了高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，最大可以糾24 b連續(xù)突發(fā)錯誤，其編碼增益高達近3 dBm，糾錯能力和編碼效率均達到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平，遠遠高與一般的前向糾錯編碼，抗突發(fā)干擾和靈敏度都較大的改善。同時編碼也包含可靠檢錯能力，能夠自動濾除錯誤及虛假信息，真正實現(xiàn)了透明的連接。特別適合與在強干擾等惡劣環(huán)境中使用。

2 單元電路設(shè)計

2．1 人機接口系統(tǒng)

人機接口系統(tǒng)對于本便攜式設(shè)備來說非常重要。本設(shè)計通過人機接口的沒計實現(xiàn)了一個具有普遍使用價值的便攜式平臺，極大地方便了產(chǎn)品的拓展和二次開發(fā)，方便了今后更深層次設(shè)計的擴展需求。

人機接口系統(tǒng)主要由128×64液晶、4位獨立按鍵、蜂鳴器報警電路、可更換充電電池等幾部分，搭載上處理器系統(tǒng)構(gòu)成。

(1)液晶顯示：選用128×64液晶顯示所有的操作界面，比如紫外線強度、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)通信等等。

(2)按鍵操作：MSP430F149單片機P2端口具有中斷功能，因此利用P2端口的下降沿觸發(fā)中斷，判斷哪個按鈕作用，并作相應(yīng)的處理，其功能的實現(xiàn)主要依靠軟件程序的判斷。

(3)報警提示：使用蜂鳴器當紫外線強度過高的時候發(fā)出尖銳的報警聲，以達到提醒的目的。該設(shè)計中的報警強度是4級。

(4)電池供電：采用兩節(jié)3．7 V／3 600 mAh的鋰電池為系統(tǒng)供電，實現(xiàn)超長的待機時間。

2．2 其他硬件模塊

系統(tǒng)除了基本的人機接口外，還配備有存儲、時鐘、穩(wěn)壓電路等硬件設(shè)計，選用集成化的芯片，保證了使用的方便和質(zhì)量，為友好的軟件界面提供了完善的硬件支持。

3 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的程序設(shè)計方法。軟件設(shè)計中應(yīng)用很多方法使得程序具有易移植性特點。軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)處理部分，人機界面操作部分，數(shù)據(jù)的通信部分等幾個主要部分。

最主要的設(shè)計部分在系統(tǒng)的操作平臺的設(shè)計上。操作平臺的流程圖如圖2所示。

當操作者開啟電源開關(guān)后，會要求通過按鍵輸入4位正確密碼后進入主界面。按鍵進入菜單界面，可以通過按鍵選擇時間的設(shè)置，密碼的設(shè)置，紫外線數(shù)據(jù)的檢測。在紫外線檢測的界面中則可以翻看實時數(shù)據(jù)，讀取E2PROM中的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏中來查看歷史數(shù)據(jù)。以及設(shè)置串口驅(qū)動來進行數(shù)據(jù)通信等。

3．1 數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)在軟件中設(shè)置每得到32次電壓信號值取1次平均值并把該結(jié)果送給液晶顯示，屏幕刷新時間則設(shè)置為0．5 s，通過這種方法保證輸出值的穩(wěn)定性和準確性。軟件流程圖如圖3所示。


3．2 通信組網(wǎng)系統(tǒng)流程圖

通過RS 232串口數(shù)據(jù)傳輸或無線射頻數(shù)據(jù)傳輸方式，可以很方便地把數(shù)據(jù)傳輸給電腦或其他相同便攜式設(shè)備。此外，在設(shè)備顯示實時數(shù)據(jù)的時候，可以通過電腦相應(yīng)界面進行實時監(jiān)控，同時也可以通過計算機發(fā)出指令讓設(shè)備上的數(shù)據(jù)自動上傳至計算機，方便了數(shù)據(jù)的共享與分析。設(shè)備的發(fā)送流程圖如圖4所示，數(shù)據(jù)接收如圖5所示。


4 結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種全新的便攜式紫外線檢測儀，以MSP430單片機和UVM30紫外線傳感器為核心，構(gòu)建了一個功能強大的便攜式平臺，并加入了無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了對紫外線數(shù)據(jù)的檢測、顯示、保存、傳輸?shù)纫幌盗斜匾δ堋ＫO(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)對比測試表明，其測最準確、無線通信方式可靠、運行穩(wěn)定、待機時間長。

此外，基于本設(shè)計的平臺構(gòu)架可以很方便的進行檢測功能擴展，加入其他的傳感器模塊即可實現(xiàn)諸多氣象要素的綜合測量。系統(tǒng)成本低，無線通信方式為組網(wǎng)監(jiān)控提供了技術(shù)保障，具有較強的應(yīng)用價值。