基于MSP430的便攜式紫外線強(qiáng)度檢測儀設(shè)計(jì)

0 引言

眾所周知，太陽光中適量的紫外線對(duì)可以殺菌消毒，增強(qiáng)體質(zhì)，對(duì)人有很大幫助。而過量的紫外線則對(duì)人和其他生物有害。紫外線的預(yù)報(bào)與利用在一些發(fā)達(dá)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(gè)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(fù)雜的旅游景點(diǎn)里甚至不具有參考價(jià)值，遠(yuǎn)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(jì)方案，該方案對(duì)紫外線強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)地、連續(xù)的檢測。具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看、顯示當(dāng)前強(qiáng)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(shí)現(xiàn)與其他終端設(shè)備或上位機(jī)共享，以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)的紫外線監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(jī)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(hào)，送給MSP430F149單片機(jī)，通過軟件設(shè)置使用單片機(jī)自帶的12位A／D把得到的電壓值進(jìn)行轉(zhuǎn)換并處理。然后通過128×64液晶將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，并可以通過按鍵設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)保存、查看、設(shè)備加密、蜂嗚器報(bào)警強(qiáng)度、通信傳輸。通過相應(yīng)的通信設(shè)置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算機(jī)對(duì)便攜式設(shè)備上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。

1．1 低功耗設(shè)計(jì)

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

1．1．1 硬件

系統(tǒng)首先要選擇一個(gè)極低功耗的處理器。

MSP430系列單片機(jī)在活動(dòng)模式時(shí)僅耗電250μA／MIPS，其輸入端口的漏電流最大為50 nA，遠(yuǎn)低于其他系列單片機(jī)(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(gè)系統(tǒng)提供電源，盡量把系統(tǒng)功能通過軟件層面實(shí)現(xiàn)，從而減少了整個(gè)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(jī)的供電特點(diǎn)，當(dāng)用戶長時(shí)間不進(jìn)行操作的時(shí)候，軟件設(shè)計(jì)自動(dòng)關(guān)閉液晶并使系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(jì)

對(duì)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(jì)，適合測量太陽光紫外線強(qiáng)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(gè)，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(jì)采用TL431穩(wěn)壓芯片得到1．25 V的基準(zhǔn)電壓作為參考電壓，把紫外線傳感器直接接在單片機(jī)的I／O口上，即可進(jìn)行信號(hào)的處理和顯示。

單片機(jī)的A／D位數(shù)u=12，其最大顯示數(shù)據(jù)d=212，當(dāng)參考電壓V1=1．25 V時(shí)，根據(jù)精度的計(jì)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(shí)，精度可精確到0．31 mV，滿足紫外線的等級(jí)分辨率要求。

1．3 通信方案——通信組網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的便攜式系統(tǒng)具有多種通信方式。其主要目的是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的實(shí)時(shí)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(jìn)精度為1 kHz，發(fā)射功率高達(dá)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(cuò)編碼，最大可以糾24 b連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，其編碼增益高達(dá)近3 dBm，糾錯(cuò)能力和編碼效率均達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高與一般的前向糾錯(cuò)編碼，抗突發(fā)干擾和靈敏度都較大的改善。同時(shí)編碼也包含可靠檢錯(cuò)能力，能夠自動(dòng)濾除錯(cuò)誤及虛假信息，真正實(shí)現(xiàn)了透明的連接。特別適合與在強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境中使用。

2 單元電路設(shè)計(jì)

2．1 人機(jī)接口系統(tǒng)

人機(jī)接口系統(tǒng)對(duì)于本便攜式設(shè)備來說非常重要。本設(shè)計(jì)通過人機(jī)接口的沒計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)具有普遍使用價(jià)值的便攜式平臺(tái)，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(jì)的擴(kuò)展需求。

人機(jī)接口系統(tǒng)主要由128×64液晶、4位獨(dú)立按鍵、蜂鳴器報(bào)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(qiáng)度、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)通信等等。

(2)按鍵操作：MSP430F149單片機(jī)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(gè)按鈕作用，并作相應(yīng)的處理，其功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠軟件程序的判斷。

(3)報(bào)警提示：使用蜂鳴器當(dāng)紫外線強(qiáng)度過高的時(shí)候發(fā)出尖銳的報(bào)警聲，以達(dá)到提醒的目的。該設(shè)計(jì)中的報(bào)警強(qiáng)度是4級(jí)。

(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(shí)現(xiàn)超長的待機(jī)時(shí)間。

2．2 其他硬件模塊

系統(tǒng)除了基本的人機(jī)接口外，還配備有存儲(chǔ)、時(shí)鐘、穩(wěn)壓電路等硬件設(shè)計(jì)，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(jì)

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

最主要的設(shè)計(jì)部分在系統(tǒng)的操作平臺(tái)的設(shè)計(jì)上。操作平臺(tái)的流程圖如圖2所示。

當(dāng)操作者開啟電源開關(guān)后，會(huì)要求通過按鍵輸入4位正確密碼后進(jìn)入主界面。按鍵進(jìn)入菜單界面，可以通過按鍵選擇時(shí)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(shí)時(shí)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(dòng)來進(jìn)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(hào)值取1次平均值并把該結(jié)果送給液晶顯示，屏幕刷新時(shí)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(zhǔn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)候，可以通過電腦相應(yīng)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)也可以通過計(jì)算機(jī)發(fā)出指令讓設(shè)備上的數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至計(jì)算機(jī)，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(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種全新的便攜式紫外線檢測儀，以MSP430單片機(jī)和UVM30紫外線傳感器為核心，構(gòu)建了一個(gè)功能強(qiáng)大的便攜式平臺(tái)，并加入了無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jì)的系統(tǒng)經(jīng)對(duì)比測試表明，其測最準(zhǔn)確、無線通信方式可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、待機(jī)時(shí)間長。

此外，基于本設(shè)計(jì)的平臺(tái)構(gòu)架可以很方便的進(jìn)行檢測功能擴(kuò)展，加入其他的傳感器模塊即可實(shí)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(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。