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【摘要】本文以智能建筑为应用背景，介绍一种通用性很强的便携式多参数环境监测仪。它以MSP430F437超低功耗单片机为核心，配置新式的微型低功耗传感器，实现了建筑物内温度、湿度、光照度、有害气体浓度等参数的采集处理、存储、通信等功能。该仪器充分利用MSP430单片机自身资源，具有小型便携、高性能、低功耗、可编程等优点，可广泛应用于诸多领域的环境参数监测与保护。
【关键词】MSP430单片机 环境参数 监测仪 低功耗
本文以智能建筑为应用背景，介绍一种通用性很强的便携式多参数环境监测仪。它以MSP430F437超低功耗单片机为核心，配置新式的微型低功耗传感器，实现了建筑物内温度、湿度、光照度、有害气体浓度等参数的采集处理、存储、通信等功能。文中详细阐明了传感器的选取、硬件结构、软件流程等相关技术，并指出该仪器的特点和优势。
1．传感器的选取。传感器是决定监测仪精度的关键元件。传感器的选择主要依据工作环境、测量精度、线性度、互换性、灵敏度、响应速度、稳定性、功耗、体积大小以及易于与MCU接口等。本监测仪选用的各类传感器分别为：集成温度传感器TMP35、集成湿度传感器HM1500、热线型半导体气敏传感器MR511以及集成光照度传感器TSL253。与同类产品相比，它们在上述方面有一定的优点，很适合便携式仪表使用。
TMP35电压输出量与被测温度T成线性关系，其式为VT=[10×T](mV)；HM1500输出量为电压，与被测湿度%RH成正比，且与温度T有关系，其式为VRH=[600×(%RH+38.5)/(39.1-0.056T)](mV)；MR511内有温度补偿，其输出电压与被测气体浓度C成近似线性关系（线性度≤±5%），其式为VRH=[600×(%RH+38.5)/(39.1-0.056T)](mV)，式中Nc为器件灵敏度，环境湿度为Vc的值有影响；TSL253电压输出量与被测光照度Ee成正比，且与温度T有关，其式为Vec=[(Nc×Ee)×(1.05-0.002T)](mV)，式中Ne为传感器的灵敏等。
2．硬件设计。监测仪主要由MSP430单片机、测量转换、键盘显示、串口通信、电池电源等部分组成。电路中器件很少，功耗较低且功能强大。
2．1MSP430单片机。单片机系统是监测仪的核心，它完成仪器的功能设定、测量对象选择、信号处理存储、状态信息显示、数据通讯等功能。相对于MCS51、MCS96及PIC等系列，TI公司带闪速存储器的MSP430F系列超低功耗单片机有着很大的优势。MSP430F单片机有多种型号，其功能组合各异，能满足不同应用场合的要求。本设计采用MSP430F437，它的要特点为：工作电压低（1.8～3.6V），电流小（280μA/1MHz/活动模式），5种低功耗模式；16位RISC架构，27条精简指令，125ns指令周期；丰富的中断源并可任意嵌套，用中断请求将系统从备用状态唤醒仅需6μs；片内看门狗及上电复位电路，可选时钟源（XTAL1、XTAL2或内部DCO）；具有中断功能的内部比较器A；双向并行I/O口P1和P2（有中断功能）及P3～P6口，多数口有复用功能；两个16位定时器A、B，均各带3个比较/捕获模块，每个模块可独立编程，用于产生定时脉冲，捕获外部事件；片内集成4×32段LCD液晶驱动器，其外部引线复用P3～P5口；通用通信模块UARST0，软件可选同步/异步方式；具有自动循环采集功能的8通道12位ADC12，自带采样保持器和可选电压基准；JTAG接口或片内BOOT ROM使程序下载调试极其简便，程序代码由安全熔丝保护。
2．2测量转换。MSP430F437的ADC12转换模块具有高速通用的特点，12位的转换精度保证一般采样的分辨率要求。它的8个外部模拟采样通道可任意配置，转换参考电平VR+和VR-来自内部或外部，也可以是两者的组合；内嵌的采样/保持电路给用户提供了对采样时序的各种选择，采样时序可通过软件位、3种内部或外部信号来直接控制。ADC12有4种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换，序列通道上实现单次转换或重单次转换或多次转换，在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换，采样顺序完全由用户定义。
2．3键盘显示。MSP430F437有6个带复用功能的P1～P6双和同I/O口。其中P1、P2设置成输入时，引脚上任何状态变化都会触发中断。本设计将P3～P5复用于LCD驱动，P1.0～P1.4作3×2快速键盘。
为读取按键值，首先设置端口功能，P1.0～P1.2为输出口，依次输出低电平；P1.3、P1.4为输入口，开放中断，选定下降沿触发。当有键按下时，在P1口中断服务程序内，完成去抖动延时、键值读取等功能，得到的键值交后续程序处理。
单片机根据控制键的命令信息，可分别选择仪器“测量/通信”使用方式、“单次/循环”采集类型，并可按键校时、设置参数、启动采集、数据存储确定等。LCD显示屏可由定制、时分、超量程和电池欠电告警组成1×32段，剩余3×32为多用显示区，可依次显示操作提示、工作状态、环境参数测量结果，从而大大方便了用户。
2．4串口通信。为了对采集到的数据进行深入处理（如统计分析、打印存档、绘制曲线图表等），需将数据从检测仪送至计算机。数据传输使用MSP430F437的标准USART通信模块（复位SYNC=0选择异步功能），并外接低功耗器件MAX485E，构成一个半双工RS485串行通信口。
为提高通信的可靠性，便于仪器与其它智能设备组网实现控制功能，本监测仪使用异步通信的地址位多机通信格式。异步帧由1起始位、8数据位、1地址位、1停止位组成，波特率编程为9600bps。
2．5电源控制。本仪器采用1节3.6V/4Ah锂离子电池。为保证多路供电及模拟信号测量的精度，设计了以ADP3302AR1双低压差线性电源稳压芯片（U3）为主的电源控制电路，完成以下功能：电源通断；电池电压监测；自动关机。
3．软件设计。检测仪的软件用MSP430汇编语言编制。为了方便程序调度和提高可靠性，软件采用模块化结构，主要由初始化程序、主程序、子程序、参数表格等组成。
3．1软件功能与特点。单片机系统上电后，进入初始化程序，完成片内各模块的设置、清LCD存储器、端口设定等初始化工作，然后转入主程序，开启中断，循环设置低功耗模式并执行空操作。
本软件设计的一大特点是采用中断事件驱动技术，其目的在于降低功耗。在主程序设置LPM0低功耗模式（55μA）后，CPU即补禁止，外围模块维持活动，并等待各类中断事件。如有中断，CPU被唤醒并执行各种中断服务子程序完成事件处理。
每次执行完中断服务子程序返回，在主程序中又重置LPM0低功耗模式，并等待下一个中断事件的到来，如此往复，可使系统多数时间处于低功耗运行。
本设计另一特点是利用MSP430F437的高效查表功能，编制了气体浓度测量的非线性校正和湿度补偿表格，极大地提高了程序运行速度和采集精度。表格的生成是在有限个数据基础上，通过拉格朗日插值进行曲线拟合获得。
3．2软件流程举例。本检测仪的程序众多。限于篇幅，仅介绍有特色的Flash数据保存于程序以及较为关键的ADC12子程序。MSP430F437可通过JTAG接口或片内BOOT ROM下载调试修改程序，甚至允许用户程序在运行中将采集处理的数据快速安全地保存到Flash存储器中，而无须任何外接器件。数据保存要用快速的段写入方法和写字节序列模式，写入电流小（3mA），写入速度快（≤25ms/512字节，远超过串行EEPROM的页写速度5ms/16字节），10万写入次数，100年数据保存。每次采集处理完毕，即将16字节/批数据“批号－时间－环境参数”存入段32～63。图3为16字节数据存入的程序框图，其中Lock、Busy、SEG WRT、WRT、Wait是Flash控制寄存器内涉及编程的各控制位或状态位。
ADC12子程序用于环境参数测量。当按下测量键或采样时间到，定时器A的OUT1启动序列通道单次转换，ADC12自行按A0～A3的采样顺序循环采集各环境参数，并将转换结果保存到存储寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中。序列转换完成后，将置位ADC12中断请求标志ADCIFG。
单片机响应中断进入ADC12子程序后，先关闭测量电源以降低功耗，再读取存储寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中的转换结果，并使用中值滤波得到各环境参数对应的测量数字值。结合上述四个相应关系式依次计算温度、湿度、光照度的最终结果；对于气体浓度，则使用上述查表格的过程得到结果。各环境参数的测量结果缓存至RAM区，查显示字型表得显示代码并存入LCD存储器，最后判定各环境参数是否超限并刷新LCD存储器中告警部分。
【关键词】MSP430单片机 环境参数 监测仪 低功耗
本文以智能建筑为应用背景，介绍一种通用性很强的便携式多参数环境监测仪。它以MSP430F437超低功耗单片机为核心，配置新式的微型低功耗传感器，实现了建筑物内温度、湿度、光照度、有害气体浓度等参数的采集处理、存储、通信等功能。文中详细阐明了传感器的选取、硬件结构、软件流程等相关技术，并指出该仪器的特点和优势。
1．传感器的选取。传感器是决定监测仪精度的关键元件。传感器的选择主要依据工作环境、测量精度、线性度、互换性、灵敏度、响应速度、稳定性、功耗、体积大小以及易于与MCU接口等。本监测仪选用的各类传感器分别为：集成温度传感器TMP35、集成湿度传感器HM1500、热线型半导体气敏传感器MR511以及集成光照度传感器TSL253。与同类产品相比，它们在上述方面有一定的优点，很适合便携式仪表使用。
TMP35电压输出量与被测温度T成线性关系，其式为VT=[10×T](mV)；HM1500输出量为电压，与被测湿度%RH成正比，且与温度T有关系，其式为VRH=[600×(%RH+38.5)/(39.1-0.056T)](mV)；MR511内有温度补偿，其输出电压与被测气体浓度C成近似线性关系（线性度≤±5%），其式为VRH=[600×(%RH+38.5)/(39.1-0.056T)](mV)，式中Nc为器件灵敏度，环境湿度为Vc的值有影响；TSL253电压输出量与被测光照度Ee成正比，且与温度T有关，其式为Vec=[(Nc×Ee)×(1.05-0.002T)](mV)，式中Ne为传感器的灵敏等。
2．硬件设计。监测仪主要由MSP430单片机、测量转换、键盘显示、串口通信、电池电源等部分组成。电路中器件很少，功耗较低且功能强大。
2．1MSP430单片机。单片机系统是监测仪的核心，它完成仪器的功能设定、测量对象选择、信号处理存储、状态信息显示、数据通讯等功能。相对于MCS51、MCS96及PIC等系列，TI公司带闪速存储器的MSP430F系列超低功耗单片机有着很大的优势。MSP430F单片机有多种型号，其功能组合各异，能满足不同应用场合的要求。本设计采用MSP430F437，它的要特点为：工作电压低（1.8～3.6V），电流小（280μA/1MHz/活动模式），5种低功耗模式；16位RISC架构，27条精简指令，125ns指令周期；丰富的中断源并可任意嵌套，用中断请求将系统从备用状态唤醒仅需6μs；片内看门狗及上电复位电路，可选时钟源（XTAL1、XTAL2或内部DCO）；具有中断功能的内部比较器A；双向并行I/O口P1和P2（有中断功能）及P3～P6口，多数口有复用功能；两个16位定时器A、B，均各带3个比较/捕获模块，每个模块可独立编程，用于产生定时脉冲，捕获外部事件；片内集成4×32段LCD液晶驱动器，其外部引线复用P3～P5口；通用通信模块UARST0，软件可选同步/异步方式；具有自动循环采集功能的8通道12位ADC12，自带采样保持器和可选电压基准；JTAG接口或片内BOOT ROM使程序下载调试极其简便，程序代码由安全熔丝保护。
2．2测量转换。MSP430F437的ADC12转换模块具有高速通用的特点，12位的转换精度保证一般采样的分辨率要求。它的8个外部模拟采样通道可任意配置，转换参考电平VR+和VR-来自内部或外部，也可以是两者的组合；内嵌的采样/保持电路给用户提供了对采样时序的各种选择，采样时序可通过软件位、3种内部或外部信号来直接控制。ADC12有4种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换，序列通道上实现单次转换或重单次转换或多次转换，在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换，采样顺序完全由用户定义。
2．3键盘显示。MSP430F437有6个带复用功能的P1～P6双和同I/O口。其中P1、P2设置成输入时，引脚上任何状态变化都会触发中断。本设计将P3～P5复用于LCD驱动，P1.0～P1.4作3×2快速键盘。
为读取按键值，首先设置端口功能，P1.0～P1.2为输出口，依次输出低电平；P1.3、P1.4为输入口，开放中断，选定下降沿触发。当有键按下时，在P1口中断服务程序内，完成去抖动延时、键值读取等功能，得到的键值交后续程序处理。
单片机根据控制键的命令信息，可分别选择仪器“测量/通信”使用方式、“单次/循环”采集类型，并可按键校时、设置参数、启动采集、数据存储确定等。LCD显示屏可由定制、时分、超量程和电池欠电告警组成1×32段，剩余3×32为多用显示区，可依次显示操作提示、工作状态、环境参数测量结果，从而大大方便了用户。
2．4串口通信。为了对采集到的数据进行深入处理（如统计分析、打印存档、绘制曲线图表等），需将数据从检测仪送至计算机。数据传输使用MSP430F437的标准USART通信模块（复位SYNC=0选择异步功能），并外接低功耗器件MAX485E，构成一个半双工RS485串行通信口。
为提高通信的可靠性，便于仪器与其它智能设备组网实现控制功能，本监测仪使用异步通信的地址位多机通信格式。异步帧由1起始位、8数据位、1地址位、1停止位组成，波特率编程为9600bps。
2．5电源控制。本仪器采用1节3.6V/4Ah锂离子电池。为保证多路供电及模拟信号测量的精度，设计了以ADP3302AR1双低压差线性电源稳压芯片（U3）为主的电源控制电路，完成以下功能：电源通断；电池电压监测；自动关机。
3．软件设计。检测仪的软件用MSP430汇编语言编制。为了方便程序调度和提高可靠性，软件采用模块化结构，主要由初始化程序、主程序、子程序、参数表格等组成。
3．1软件功能与特点。单片机系统上电后，进入初始化程序，完成片内各模块的设置、清LCD存储器、端口设定等初始化工作，然后转入主程序，开启中断，循环设置低功耗模式并执行空操作。
本软件设计的一大特点是采用中断事件驱动技术，其目的在于降低功耗。在主程序设置LPM0低功耗模式（55μA）后，CPU即补禁止，外围模块维持活动，并等待各类中断事件。如有中断，CPU被唤醒并执行各种中断服务子程序完成事件处理。
每次执行完中断服务子程序返回，在主程序中又重置LPM0低功耗模式，并等待下一个中断事件的到来，如此往复，可使系统多数时间处于低功耗运行。
本设计另一特点是利用MSP430F437的高效查表功能，编制了气体浓度测量的非线性校正和湿度补偿表格，极大地提高了程序运行速度和采集精度。表格的生成是在有限个数据基础上，通过拉格朗日插值进行曲线拟合获得。
3．2软件流程举例。本检测仪的程序众多。限于篇幅，仅介绍有特色的Flash数据保存于程序以及较为关键的ADC12子程序。MSP430F437可通过JTAG接口或片内BOOT ROM下载调试修改程序，甚至允许用户程序在运行中将采集处理的数据快速安全地保存到Flash存储器中，而无须任何外接器件。数据保存要用快速的段写入方法和写字节序列模式，写入电流小（3mA），写入速度快（≤25ms/512字节，远超过串行EEPROM的页写速度5ms/16字节），10万写入次数，100年数据保存。每次采集处理完毕，即将16字节/批数据“批号－时间－环境参数”存入段32～63。图3为16字节数据存入的程序框图，其中Lock、Busy、SEG WRT、WRT、Wait是Flash控制寄存器内涉及编程的各控制位或状态位。
ADC12子程序用于环境参数测量。当按下测量键或采样时间到，定时器A的OUT1启动序列通道单次转换，ADC12自行按A0～A3的采样顺序循环采集各环境参数，并将转换结果保存到存储寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中。序列转换完成后，将置位ADC12中断请求标志ADCIFG。
单片机响应中断进入ADC12子程序后，先关闭测量电源以降低功耗，再读取存储寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM11中的转换结果，并使用中值滤波得到各环境参数对应的测量数字值。结合上述四个相应关系式依次计算温度、湿度、光照度的最终结果；对于气体浓度，则使用上述查表格的过程得到结果。各环境参数的测量结果缓存至RAM区，查显示字型表得显示代码并存入LCD存储器，最后判定各环境参数是否超限并刷新LCD存储器中告警部分。