低功耗無線工礦設備監(jiān)測儀設計論文

1、低功耗無線工礦設備監(jiān)測儀摘要本系統(tǒng)以MSP430F149單片機為主控制器，太陽能電池板吸收的電能經(jīng)電源管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換后為整個系統(tǒng)進行供電，由應變片、TI公司的INA128高精度儀表放大器全橋構成的測量電路，將采集到的壓力微小變化信號轉(zhuǎn)化較大變化的電壓信號送入MSP430F149單片機內(nèi)部ADC實現(xiàn)非電信號的采集，最后用NRF905發(fā)送給上位單片機，上位單片機接收到信號后通過RS232與上位PC機進行通信，上位PC機將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為壓力變化曲線圖，形象的現(xiàn)實出來。關鍵詞：壓力信號采集 電源管理 MSP430F149 全橋測量電路 無線目錄1引言12總體設計12.1系統(tǒng)總體設計12.2方案論證12.

2、2.1電源管理?？?2.2.2系統(tǒng)控制模塊32.2.3測量電路模塊42.2.4 壓力信號調(diào)理電路62.2.5 無線通訊模塊63硬件系統(tǒng)設計73.1 電源管理系統(tǒng)73.2 壓力信號測量及調(diào)理電路74軟件設計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性能測試115.1測試儀器115.2測量波形116結(jié)束語13參考文獻：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)條件都很復雜。進行礦井通風壓力測定，及時、準確地提供井下空氣的壓力，是搞好礦井通風、預防礦井事故、處理災害事故和救護人員的重要手段。同時采用無線模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，還可以深入到井下

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

4、電池進行供電。除供電系統(tǒng)外其余部分平時都處于待機模式，當上位機發(fā)出測量信號后，整個測量系統(tǒng)開始工作，將應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ADC進行采樣，在單片機內(nèi)部將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)換為實際的壓力值，通過RS232協(xié)議發(fā)送給上位機，在上位機上顯示出壓力變化曲線。測量結(jié)束后，系統(tǒng)再次進入待機狀態(tài)等待下次測量命令。整個系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)總體設計框圖2.2方案論證2.2.1電源管理?？祀娫垂芾砟K主要是將太陽能電池板吸收的電能進行轉(zhuǎn)換從而為為整個系統(tǒng)的供電。太陽能電池板提供功

5、率一定的大電壓小電流信號，為了保證后級電路的工作，要對其進行降壓處理。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、控制電路和保護電路等。其工作過程：電壓信號經(jīng)工頻變壓器降壓之后，再經(jīng)過整流、濾波和線性穩(wěn)壓，最后輸出一個紋波電壓和穩(wěn)壓性能均符合要求的直流電壓。其優(yōu)點是輸出紋波電壓小、瞬態(tài)響應速度快、，調(diào)整率好、沒有高頻干擾、電路簡單便于調(diào)整維修等。但由于線性電源自身結(jié)構和工作在線性狀態(tài)的工作方式等方面的原因，導致體積很大，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%。其應用電路連接圖如圖2.2

6、所示。圖2.2 線性電源應用原理圖方案二：采用開關電源構成的buck電路(1)PWM驅(qū)動采用PWM驅(qū)動芯片TPS2812。TPS2812是TI公司生產(chǎn)的雙高速MOSFET驅(qū)動芯片，它提供給負載一個峰值為2A的電流，滿足了設計上要求最小擊穿電流并且具有比同類產(chǎn)品消耗少一個數(shù)量級的優(yōu)點，符合電路低功耗的要求。同時TPS2812還具有同步整流的功能，而不必擔心同步整流部分需要分立元件驅(qū)動的問題。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)開關電源buck電路開關電源的主要工作原理就是上

7、橋和下橋的Mos管輪流導通，首先電流通過上橋Mos管流入，利用線圈的存儲功能，將電能集聚在線圈中，最后關閉上橋 Mos管，打開下橋的Mos管，線圈和電容持續(xù)給外部供電。然后又關閉下橋Mos管，再打開上橋讓電流進入，就這樣重復進行，因為要輪流開關Mos管，因其電路中的電力電子器件工作在開關狀態(tài)，所以稱為開關電源。它的優(yōu)點主要有三方面：開關狀態(tài)轉(zhuǎn)換速度很快，頻率一般為50kHz左右，這就使得開關晶體管的功耗很小，電源的效率可以大幅度地提高，其效率可達到80%，因而它具有功耗低，效率高的優(yōu)點；開關電源的電路設計沒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，正是這

8、兩方面原因使得開關電源具有體積小，重量輕的優(yōu)點；從開關電源的輸出電壓是由激勵信號的占空比來調(diào)節(jié)的，輸入信號電壓的變化可以通過調(diào)頻或調(diào)寬來進行補償。這樣，在工頻電網(wǎng)電壓變化較大時，它仍能夠保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以開關電源的穩(wěn)壓范圍很寬，穩(wěn)壓效果很好。它的缺點是存在較為嚴重的開關干擾，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速度輸出紋波應用范圍線性電源線性放大零大重低快極小對輸出紋波和電磁干擾要求極低時開關電源開關狀態(tài)高小輕高快小中小功率2.2 .2系統(tǒng)控制模塊單片

9、機控制主要實現(xiàn)信號采集，信號處理和發(fā)送以及電源管理的共能。方案一： 由STC89C51為主控芯片構成的系統(tǒng)，其優(yōu)點實成本低，做電路比較方便；缺點是芯片內(nèi)部沒有集成專門的AD轉(zhuǎn)換電路，得自己專門搭電路。方案二：由C8051F040為主控芯片構成的系統(tǒng)，優(yōu)點是C8051F040是一款高性能的單片機，內(nèi)部由專門的AD轉(zhuǎn)換電路。 方案三：由MSP430F149為主控芯片構成的系統(tǒng)，優(yōu)點是MSP430單片機在低功耗這方面的性能做得是特別好的，而且單片機內(nèi)部本身自帶AD轉(zhuǎn)換模塊。 為了實現(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測量電路模塊應變片將被測試件的應變轉(zhuǎn)換成電

10、阻相對變化R/R,還需一定的測量電路將其電阻變化進一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號才能用儀表進行測量或用計算機進行數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)自動檢測。通常采用的測量電路是電橋電路。由于整個系統(tǒng)均為直流信號，故采用直流電橋進行測量。直流電橋測量電路如圖2.4所示。圖2.4 直流電橋測量電路設電橋各橋臂電阻分別為、 、它們可以全部或部分是應變片，為電橋的輸出負載。根據(jù)基爾霍夫定律，電橋的輸出負載電流為（2-1）（2-2）若 則,稱為電橋的平衡條件，電橋為輸出。式（2-2）稱為電橋平衡條件。電橋的輸出電壓為（2-3）若電橋的負載電阻為無限大，則上式可簡化為（2-4）當電橋各臂均有相應的電阻變化、時，由式(2-4)得到（2

11、-5）（2-6）實際應用往往為等臂電橋，即= =且當R>>(i=1,2,3,4)時，利用式2-6（2-7）將上式寫為但是由于單臂橋測量電路的非線性誤差比較大，因而我們采用四臂差動工作電橋以改善非線性誤差和提高輸出靈敏度(四臂差動工作電橋的靈敏度為直流電橋測電路的四倍)，同時還能起到溫度補償?shù)淖饔?。四臂差動工作電橋如圖2.5所示。R4+R4UoR3-R3R2-R2R1+R1Ui圖2.5四臂差動電橋電路2.2.4 壓力信號調(diào)理電路壓力信號調(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ADC進行采樣。INA128是低功耗、高精度的通用儀表放大器。它通用的3運

12、放（3-op amp）設計和體積小巧使其應用范圍廣泛。反饋電流(Current-feedback)輸入電路即使在高增益條件下(G=100時，200KHz)也可以提供較寬的帶寬。單個外部電阻可實現(xiàn)從1至10000的任一增益選擇。它用激光進行修正微調(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，120dB），其電源電壓低至±2.25V靜態(tài)電路只有700µA。內(nèi)部輸入保護能經(jīng)受±40V電壓而無損壞。它廣泛應用與橋式放大器、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)部原理圖如圖2.6所示。圖2

13、.6 INA 128內(nèi)部原理圖2.2.5 無線通訊模塊NRF905 單片無線收發(fā)器工作在433/868/915MHZ 的ISM 頻段由一個完全集成的頻率調(diào)制器一個帶解調(diào)器的接收器一個功率放大器一個晶體震蕩器和一個調(diào)節(jié)器組成ShockBurst 工作模式的特點是自動產(chǎn)生前導碼 和 CRC 可以很容易通過SPI 接口進行編程配置電流消耗很低在發(fā)射功率為10dBm 時發(fā)射電流為30mA 接收電流為12.5mA. 進入POWERDOWN 模式可以很容易實現(xiàn)節(jié)電。3硬件系統(tǒng)設計3.1 電源管理系統(tǒng)利用PWM驅(qū)動芯片TPS2812和開關電源buck 電路過程電源管理系統(tǒng)，將太陽能電池板采集到的電能轉(zhuǎn)化從而

14、為整個系統(tǒng)供電。其電路圖如圖3.1所示。圖3.1 (a) PWM驅(qū)動電路圖3.1 (b) 電源管理3.2 壓力信號測量及調(diào)理電路采用四臂差動全橋電路實現(xiàn)將微小電阻變化轉(zhuǎn)化為微小電壓變化，然后再經(jīng)過INA128放大電路經(jīng)其放大，送入單片機ADC進行采樣。圖3.2 模擬壓力傳感器輸出信號調(diào)理電路。圖3.2 模擬壓力傳感器輸出信號調(diào)理電路4軟件設計4.1主程序關閉看門狗開始時鐘初始化1當系統(tǒng)啟動之后，首先關閉系統(tǒng)看門狗，為了保證系統(tǒng)的正常運行接著要對430的系統(tǒng)時鐘進行初始化。當系統(tǒng)運行起來之后就開始對系統(tǒng)的PWM輸出進行初始化，用以保證電源管理系統(tǒng)的正常運行。緊接著就是對用以信號采集的ADC寄存器

15、進行初始化，然后對用來將采集信號發(fā)給上位機的串口進行初始化，最后就是對430單片機系統(tǒng)的端口進行初始化和打開系統(tǒng)的總中斷，用以將系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)進行喚醒。初始化結(jié)束后主程序進入主循環(huán)體，主循環(huán)體最主要就是啟動ADC轉(zhuǎn)換，然后系統(tǒng)進入睡眠狀態(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總中斷端口初始化AD轉(zhuǎn)換開始進入低功耗系統(tǒng)延時1圖4.1 主程序框圖4.2 PWM波初始化開始設置PWM輸出口設置PWM頻率1首先設置PWM波輸出端口，然后設置PWM波輸出頻率，設置PWM波初始占空比，選擇輸出模式，最后選擇SMCLK為PWM時鐘源并允許中斷。其程序框圖如圖4.

16、2所示。結(jié)束設置PWM占空比設置PWM輸出模式選擇SMCLK為PWM時鐘源打開中斷1圖4.2 PWM波初始化程序框圖4.3 ADC初始化開始設置ADC輸入口設置ADC采樣時間設置ADC工作模式設置ADC采樣端口ADC中斷允許結(jié)束允許ADC退出設置首先設置ADC輸入端口，然后設置ADC的采樣保持時間，采樣保持時間可以確定定時器的最高采樣頻率，然后就是設置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，最后依舊是打開中斷。其程序框圖如圖4.3所示。允許ADC退出設置圖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位，然后設置串口的數(shù)據(jù)模式為8位數(shù)

17、據(jù)模式，接著講ACLK設置為串口的工作時鐘，并且設置串口的波特率為19200，最后就是使能串口接收和發(fā)送中斷，清除復位信號，并且設置串口的通信方向。其程序框圖如圖4.4所示。開始復位串口設置串口為8位數(shù)據(jù)端口選擇ACLK為串口時鐘設置串口波特率為19200使能串口接收和發(fā)送消除串口復位信號使能接收中斷設置通信端口及方向結(jié)束圖4.4 串口初始化程序框圖5性能測試5.1測試儀器三位半數(shù)字萬用表、TDS1002數(shù)字示波器、F40數(shù)字合成信號發(fā)生器/計數(shù)器5.2測量波形整個系統(tǒng)進行測試，在上位機上顯示波形如圖5.1所示。圖5.1 壓力信號波形圖6結(jié)束語本系統(tǒng)以MSP430F149單片機為主控制器，外輔電源管理系統(tǒng)、壓力信號測量及調(diào)理電路等硬件電路，通過RS232協(xié)議與上位機進行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，完成壓力信號數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等功能。同時本心電圖儀具有數(shù)字化、成本低、操作簡單等特點,具有廣闊的應用前景。優(yōu)點是功耗低，效率高，壓力信號顯示形象化、直觀化。經(jīng)過四天的努力我們完成了壓力信號采集處理、電源管理低功耗、模擬無線傳輸進行數(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，完善太陽能采集及處理。參考文獻：