低功耗無(wú)線工礦設(shè)備監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)論文

1、低功耗無(wú)線工礦設(shè)備監(jiān)測(cè)儀摘 要 本系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為主控制器，太陽(yáng)能電池板吸收的電能經(jīng)電源管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后為整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，由應(yīng)變片、TI公司的INA128高精度儀表放大器全橋構(gòu)成的測(cè)量電路，將采集到的壓力微小變化信號(hào)轉(zhuǎn)化較大變化的電壓信號(hào)送入MSP430F149單片機(jī)內(nèi)部ADC實(shí)現(xiàn)非電信號(hào)的采集，最后用NRF905發(fā)送給上位單片機(jī)，上位單片機(jī)接收到信號(hào)后通過(guò)RS232與上位PC機(jī)進(jìn)行通信，上位PC機(jī)將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為壓力變化曲線圖，形象的現(xiàn)實(shí)出來(lái)。關(guān)鍵詞：壓力信號(hào)采集 電源管理 MSP430F149 全橋測(cè)量電路 無(wú)線目錄1引言12總體設(shè)計(jì)12.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)12.2方案論證1

2、2.2.1電源管理?？?2.2.2系統(tǒng)控制模塊32.2.3測(cè)量電路模塊42.2.4 壓力信號(hào)調(diào)理電路62.2.5 無(wú)線通訊模塊63硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)73.1 電源管理系統(tǒng)73.2 壓力信號(hào)測(cè)量及調(diào)理電路74軟件設(shè)計(jì)84.1主程序84.2 PWM波初始化94.3 ADC初始化104.4串口初始化程序115性能測(cè)試115.1測(cè)試儀器115.2測(cè)量波形116結(jié)束語(yǔ)13參考文獻(xiàn)：14附錄151引言礦井生產(chǎn)是地下作業(yè)，自然條件和生產(chǎn)條件都很復(fù)雜。進(jìn)行礦井通風(fēng)壓力測(cè)定，及時(shí)、準(zhǔn)確地提供井下空氣的壓力，是搞好礦井通風(fēng)、預(yù)防礦井事故、處理災(zāi)害事故和救護(hù)人員的重要手段。同時(shí)采用無(wú)線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，還可以深入到

3、井下某些不能進(jìn)行有線通信的地方。儀器的低功耗發(fā)展是必然趨勢(shì)，采用太陽(yáng)能電池板采集電能，當(dāng)陽(yáng)光充足的時(shí)候電源管理系統(tǒng)不但為整個(gè)系統(tǒng)供電，而且將剩余電量提供給備用電池進(jìn)行充電。當(dāng)光線不足時(shí)（太陽(yáng)能電池板提供的電量不足以使系統(tǒng)工作時(shí)），整個(gè)系統(tǒng)由備用電池進(jìn)行供電。這樣可以滿足低功耗的要求。2總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)RS232太陽(yáng)能電池電源管理信號(hào)調(diào)理電路控制器(MSP430F)上位機(jī)整個(gè)系統(tǒng)由太陽(yáng)能管理系統(tǒng)進(jìn)行供電，電源管理系統(tǒng)始終處于工作狀態(tài)，當(dāng)陽(yáng)光充足的時(shí)候電源管理系統(tǒng)不但為整個(gè)系統(tǒng)供電，而且將剩余電量提供給備用電池進(jìn)行充電。當(dāng)光線不足時(shí)（太陽(yáng)能電池板提供的電量不足以使系統(tǒng)工作時(shí)），整個(gè)系統(tǒng)由

4、備用電池進(jìn)行供電。除供電系統(tǒng)外其余部分平時(shí)都處于待機(jī)模式，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出測(cè)量信號(hào)后，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)始工作，將應(yīng)變片由于形變引起的微小的阻值變化，經(jīng)全橋電路轉(zhuǎn)化為微小的電壓變化，再通過(guò)INA128儀表放大電路將微小的電壓變化放大100倍后送入單片機(jī)ADC進(jìn)行采樣，在單片機(jī)內(nèi)部將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的壓力值，通過(guò)RS232協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)，在上位機(jī)上顯示出壓力變化曲線。測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)等待下次測(cè)量命令。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖2.2方案論證 2.2.1電源管理?？祀娫垂芾砟K主要是將太陽(yáng)能電池板吸收的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而為為整個(gè)系統(tǒng)的供電。太陽(yáng)能電池板

5、提供功率一定的大電壓小電流信號(hào)，為了保證后級(jí)電路的工作，要對(duì)其進(jìn)行降壓處理。方案一：采用線性電源。所謂線性電源是指功率調(diào)整管工作在線性放大區(qū)的直流穩(wěn)壓電源。線性電源主要包括工頻變壓器、輸出整流濾波器、控制電路和保護(hù)電路等。其工作過(guò)程：電壓信號(hào)經(jīng)工頻變壓器降壓之后，再經(jīng)過(guò)整流、濾波和線性穩(wěn)壓，最后輸出一個(gè)紋波電壓和穩(wěn)壓性能均符合要求的直流電壓。其優(yōu)點(diǎn)是輸出紋波電壓小、瞬態(tài)響應(yīng)速度快、，調(diào)整率好、沒(méi)有高頻干擾、電路簡(jiǎn)單便于調(diào)整維修等。但由于線性電源自身結(jié)構(gòu)和工作在線性狀態(tài)的工作方式等方面的原因，導(dǎo)致體積很大，笨重，不能微型化，功耗大，發(fā)熱量大，工作效率低下，一般在35%45%。其應(yīng)用電路連接圖如圖

6、2.2所示。圖2.2 線性電源應(yīng)用原理圖方案二：采用開(kāi)關(guān)電源構(gòu)成的buck電路(1)PWM驅(qū)動(dòng)采用PWM驅(qū)動(dòng)芯片TPS2812。TPS2812是TI公司生產(chǎn)的雙高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)芯片，它提供給負(fù)載一個(gè)峰值為2A的電流，滿足了設(shè)計(jì)上要求最小擊穿電流并且具有比同類產(chǎn)品消耗少一個(gè)數(shù)量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，符合電路低功耗的要求。同時(shí)TPS2812還具有同步整流的功能，而不必?fù)?dān)心同步整流部分需要分立元件驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題。其引腳功能圖如圖2.3所示。1 82 73 64 5 REG-IN1INGND2INREG-OUT1OUTVCC2OUT圖2.3 TPS2812引腳功能圖(2)開(kāi)關(guān)電源buck電路開(kāi)關(guān)電源的主要工作原理

7、就是上橋和下橋的Mos管輪流導(dǎo)通，首先電流通過(guò)上橋Mos管流入，利用線圈的存儲(chǔ)功能，將電能集聚在線圈中，最后關(guān)閉上橋 Mos管，打開(kāi)下橋的Mos管，線圈和電容持續(xù)給外部供電。然后又關(guān)閉下橋Mos管，再打開(kāi)上橋讓電流進(jìn)入，就這樣重復(fù)進(jìn)行，因?yàn)橐喠鏖_(kāi)關(guān)Mos管，因其電路中的電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以稱為開(kāi)關(guān)電源。它的優(yōu)點(diǎn)主要有三方面：開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz左右，這就使得開(kāi)關(guān)晶體管的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達(dá)到80%，因而它具有功耗低，效率高的優(yōu)點(diǎn)；開(kāi)關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)沒(méi)有采用笨重的工頻變壓器。由于調(diào)整管上的耗散功率大幅度降低后，又省去了較大的散熱片，

8、正是這兩方面原因使得開(kāi)關(guān)電源具有體積小，重量輕的優(yōu)點(diǎn)；從開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓是由激勵(lì)信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)的，輸入信號(hào)電壓的變化可以通過(guò)調(diào)頻或調(diào)寬來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時(shí)，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以開(kāi)關(guān)電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。它的缺點(diǎn)是存在較為嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾，輸出電壓中含有較大的紋波。綜合以上分析及表2-1的分析，為了實(shí)現(xiàn)低功耗，高效率的要求，我們采用方案二。表2-1 兩種直流電源的比較種類器件工作狀態(tài)工作頻率體積重量效率響應(yīng)速度輸出紋波應(yīng)用范圍線性電源線性放大零大重低快極小對(duì)輸出紋波和電磁干擾要求極低時(shí)開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)高小輕高快小中小功率2.2 .2系統(tǒng)控制模

9、塊單片機(jī)控制主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，信號(hào)處理和發(fā)送以及電源管理的共能。方案一： 由STC89C51為主控芯片構(gòu)成的系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)實(shí)成本低，做電路比較方便；缺點(diǎn)是芯片內(nèi)部沒(méi)有集成專門的AD轉(zhuǎn)換電路，得自己專門搭電路。方案二：由C8051F040為主控芯片構(gòu)成的系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是C8051F040是一款高性能的單片機(jī)，內(nèi)部由專門的AD轉(zhuǎn)換電路。 方案三：由MSP430F149為主控芯片構(gòu)成的系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是MSP430單片機(jī)在低功耗這方面的性能做得是特別好的，而且單片機(jī)內(nèi)部本身自帶AD轉(zhuǎn)換模塊。 為了實(shí)現(xiàn)低功耗的要求，且我們已有MSP430F149，所以我們采用方案三。2.2.3測(cè)量電路模塊應(yīng)變片將被測(cè)試件的應(yīng)變轉(zhuǎn)

10、換成電阻相對(duì)變化R/R,還需一定的測(cè)量電路將其電阻變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)才能用儀表進(jìn)行測(cè)量或用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。通常采用的測(cè)量電路是電橋電路。由于整個(gè)系統(tǒng)均為直流信號(hào)，故采用直流電橋進(jìn)行測(cè)量。直流電橋測(cè)量電路如圖2.4所示。圖2.4 直流電橋測(cè)量電路設(shè)電橋各橋臂電阻分別為、 、它們可以全部或部分是應(yīng)變片，為電橋的輸出負(fù)載。根據(jù)基爾霍夫定律，電橋的輸出負(fù)載電流為（2-1）（2-2） 若 則,稱為電橋的平衡條件，電橋?yàn)檩敵?。式?-2）稱為電橋平衡條件。電橋的輸出電壓為（2-3） 若電橋的負(fù)載電阻為無(wú)限大，則上式可簡(jiǎn)化為（2-4） 當(dāng)電橋各臂均有相應(yīng)的電阻變化、時(shí)，由式(2-

11、4)得到（2-5）（2-6）實(shí)際應(yīng)用往往為等臂電橋，即= =且當(dāng)R>>(i=1,2,3,4)時(shí)，利用式2-6 （2-7）將上式寫(xiě)為 但是由于單臂橋測(cè)量電路的非線性誤差比較大，因而我們采用四臂差動(dòng)工作電橋以改善非線性誤差和提高輸出靈敏度(四臂差動(dòng)工作電橋的靈敏度為直流電橋測(cè)電路的四倍)，同時(shí)還能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。四臂差?dòng)工作電橋如圖2.5所示。 R4+R4UoR3-R3R2-R2R1+R1Ui圖2.5四臂差動(dòng)電橋電路2.2.4 壓力信號(hào)調(diào)理電路壓力信號(hào)調(diào)理電路采用INA128儀表放大電路將微小的電壓變化放大100倍后送入單片機(jī)ADC進(jìn)行采樣。INA128是低功耗、高精度的通用儀表放

12、大器。它通用的3運(yùn)放（3-op amp）設(shè)計(jì)和體積小巧使其應(yīng)用范圍廣泛。反饋電流(Current-feedback)輸入電路即使在高增益條件下(G=100時(shí)，200KHz)也可以提供較寬的帶寬。單個(gè)外部電阻可實(shí)現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇。它用激光進(jìn)行修正微調(diào)，具有非常低的偏執(zhí)電壓(50mV)、溫度漂移(0.5µVC)和高共模抑制（在G=100時(shí)，120dB），其電源電壓低至±2.25V靜態(tài)電路只有700µA。內(nèi)部輸入保護(hù)能經(jīng)受±40V電壓而無(wú)損壞。它廣泛應(yīng)用與橋式放大器、熱電偶放大器、RTD傳感器、醫(yī)療儀器、數(shù)據(jù)獲得等方面。INA128內(nèi)部原理圖如

13、圖2.6所示。圖2.6 INA 128內(nèi)部原理圖2.2.5 無(wú)線通訊模塊NRF905 單片無(wú)線收發(fā)器工作在433/868/915MHZ 的ISM 頻段由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器一個(gè)帶解調(diào)器的接收器一個(gè)功率放大器一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成ShockBurst 工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼 和 CRC 可以很容易通過(guò)SPI 接口進(jìn)行編程配置電流消耗很低在發(fā)射功率為10dBm 時(shí)發(fā)射電流為30mA 接收電流為12.5mA. 進(jìn)入POWERDOWN 模式可以很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電。3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 電源管理系統(tǒng)利用PWM驅(qū)動(dòng)芯片TPS2812和開(kāi)關(guān)電源buck 電路過(guò)程電源管理系統(tǒng)，將太陽(yáng)能電池板采

14、集到的電能轉(zhuǎn)化從而為整個(gè)系統(tǒng)供電。其電路圖如圖3.1所示。圖3.1 (a) PWM驅(qū)動(dòng)電路圖3.1 (b) 電源管理3.2 壓力信號(hào)測(cè)量及調(diào)理電路采用四臂差動(dòng)全橋電路實(shí)現(xiàn)將微小電阻變化轉(zhuǎn)化為微小電壓變化，然后再經(jīng)過(guò)INA128放大電路經(jīng)其放大，送入單片機(jī)ADC進(jìn)行采樣。圖3.2 模擬壓力傳感器輸出信號(hào)調(diào)理電路。圖3.2 模擬壓力傳感器輸出信號(hào)調(diào)理電路4軟件設(shè)計(jì)4.1主程序關(guān)閉看門狗開(kāi)始時(shí)鐘初始化1當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)之后，首先關(guān)閉系統(tǒng)看門狗，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行接著要對(duì)430的系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行初始化。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)之后就開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)的PWM輸出進(jìn)行初始化，用以保證電源管理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。緊接著就是對(duì)用以信號(hào)

15、采集的ADC寄存器進(jìn)行初始化，然后對(duì)用來(lái)將采集信號(hào)發(fā)給上位機(jī)的串口進(jìn)行初始化，最后就是對(duì)430單片機(jī)系統(tǒng)的端口進(jìn)行初始化和打開(kāi)系統(tǒng)的總中斷，用以將系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)進(jìn)行喚醒。初始化結(jié)束后主程序進(jìn)入主循環(huán)體，主循環(huán)體最主要就是啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，然后系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)等待中斷喚醒。其流程圖如圖4.1所示。PWM波輸出初始化 ADC初始化串口初始化打開(kāi)總中斷端口初始化AD轉(zhuǎn)換開(kāi)始進(jìn)入低功耗系統(tǒng)延時(shí)1 圖4.1 主程序框圖4.2 PWM波初始化開(kāi)始設(shè)置PWM輸出口設(shè)置PWM頻率1首先設(shè)置PWM波輸出端口，然后設(shè)置PWM波輸出頻率，設(shè)置PWM波初始占空比，選擇輸出模式，最后選擇SMCLK為PWM時(shí)鐘源并允許中斷

16、。其程序框圖如圖4.2所示。結(jié)束設(shè)置PWM占空比設(shè)置PWM輸出模式選擇SMCLK為PWM時(shí)鐘源打開(kāi)中斷1圖4.2 PWM波初始化程序框圖 4.3 ADC初始化開(kāi)始設(shè)置ADC輸入口設(shè)置ADC采樣時(shí)間設(shè)置ADC工作模式設(shè)置ADC采樣端口ADC中斷允許結(jié)束允許ADC退出設(shè)置首先設(shè)置ADC輸入端口，然后設(shè)置ADC的采樣保持時(shí)間，采樣保持時(shí)間可以確定定時(shí)器的最高采樣頻率，然后就是設(shè)置ADC的工作模式，是ADC處于多路單次采樣模式，并且允許最后一路采樣后退出ADC轉(zhuǎn)換，最后依舊是打開(kāi)中斷。其程序框圖如圖4.3所示。允許ADC退出設(shè)置圖4.3 ADC初始化程序框圖4.4串口初始化程序首先將串口復(fù)位，然后設(shè)置

17、串口的數(shù)據(jù)模式為8位數(shù)據(jù)模式，接著講ACLK設(shè)置為串口的工作時(shí)鐘，并且設(shè)置串口的波特率為19200，最后就是使能串口接收和發(fā)送中斷，清除復(fù)位信號(hào)，并且設(shè)置串口的通信方向。其程序框圖如圖4.4所示。開(kāi)始復(fù)位串口設(shè)置串口為8位數(shù)據(jù)端口選擇ACLK為串口時(shí)鐘設(shè)置串口波特率為19200使能串口接收和發(fā)送消除串口復(fù)位信號(hào)使能接收中斷設(shè)置通信端口及方向結(jié)束圖4.4 串口初始化程序框圖5性能測(cè)試5.1測(cè)試儀器三位半數(shù)字萬(wàn)用表、TDS1002數(shù)字示波器、F40數(shù)字合成信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器5.2測(cè)量波形整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在上位機(jī)上顯示波形如圖5.1所示。圖5.1 壓力信號(hào)波形圖6結(jié)束語(yǔ)本系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為主控制器，外輔電源管理系統(tǒng)、壓力信號(hào)測(cè)量及調(diào)理電路等硬件電路，通過(guò)RS232協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，完成壓力信號(hào)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等功能。同時(shí)本心電圖儀具有數(shù)字化、成本低、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。優(yōu)點(diǎn)是功耗低，效率高，壓力信號(hào)顯示形象化、直觀化。經(jīng)過(guò)四天的努力我們完成了壓力信號(hào)采集處理、電源管理低功耗、模擬無(wú)線傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，電源管理模塊基本完成。但仍然存在欠缺，下一步繼續(xù)研究，完善太陽(yáng)能采集及處理。參考文獻(xiàn)