0 引言
目前我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)溫濕度、露點(diǎn)、壓力等多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制需求越來越大，尤其是電力、半導(dǎo)體和微電子、冶金、石化、化纖等工藝過程及食品、倉儲(chǔ)等領(lǐng)域。
國外溫濕度和壓力測控系統(tǒng)發(fā)展迅速，在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面成果顯著。國內(nèi)成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制為主，只適應(yīng)一般溫濕度系統(tǒng)測控，而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)測控系統(tǒng)國內(nèi)技術(shù)還不成熟，現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)大多為有線監(jiān)測系統(tǒng)，而對(duì)利用無線網(wǎng)絡(luò)和信息融合等技術(shù)的無線監(jiān)測技術(shù)研究較少。所以結(jié)合無線Zigbee模塊技術(shù)，開發(fā)一種多參數(shù)、多點(diǎn)分布式和無線傳輸監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
無線溫濕度壓力檢測儀主要實(shí)現(xiàn)各通道數(shù)據(jù)的巡回檢測、處理、計(jì)算、顯示，還要實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)接收器之間的數(shù)據(jù)傳輸。該無線溫濕度壓力檢測儀采用單片全校準(zhǔn)溫濕度傳感器SHT75 作為濕度敏感元件，以MS5541C 壓力傳感器作為壓力測量元件，以超低功耗單片機(jī)MSP430F448為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、濕度、露點(diǎn)溫度、壓力進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集和高速高精度測量。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
（1） 電源部分設(shè)計(jì)
電源供電模塊主要功能是給其他各個(gè)模塊供電以及在無市電的情況下用備用5 號(hào)電池進(jìn)行供電。本無線溫濕度壓力檢測儀主要是采用開關(guān)電源芯片LM2576，給單片機(jī)和MSP430F448無線模塊供電。
圖2 電源電路
設(shè)計(jì)的電路如圖2 所示，由LM2576 構(gòu)成的基本穩(wěn)壓電路僅需四個(gè)外圍器件。
(2) 溫濕度傳感器和處理器接口設(shè)計(jì)
本無線溫濕度壓力檢測儀溫濕度測量部分主要是采用SHT75 溫濕度傳感器測量氣體溫度和濕度。SHT75 采用兩線制接口和處理器連接，在溫濕度測量中，利用單片機(jī)的PB1 作為數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)線，用PB0 控制數(shù)字輸入輸出端口。 SH75溫濕度傳感器和處理器接口圖如圖3 所示。
圖3 SHT75 和處理器接口圖
(3) 壓力傳感器和處理器接口設(shè)計(jì)
本無線溫濕度壓力檢測儀壓力檢測部分主要是采用MS5541C 壓力傳感器測量氣體壓力。MS5541C 采用3 線的SPI接口可以和所有的微處理器進(jìn)行通訊。在壓力測量中，利用單片機(jī)的PB3 來虛擬時(shí)鐘線，用PB5 控制數(shù)字輸入端口，用PB6控制數(shù)字輸出端口，用PB7 作為數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)線，另外為傳感器提供3V 和5V 的供電電壓，同時(shí)在DIN、MCLK 和SCLK 的端口處外接下拉電阻，見圖4。
圖4 MS5541 壓力測量模塊接口圖
(4) ZigBee無線模塊
多參數(shù)檢測系統(tǒng)具有微型化、集成化、高精度、低功耗設(shè)計(jì)要求，因此選擇集發(fā)射和接收一體的單片收發(fā)芯片CC2530作為系統(tǒng)無線收發(fā)芯片。該芯片是TI公司推出的低功耗2.4G ZigBee無線模塊芯片，工作電壓為直流2.0-3.7V，CC2530 結(jié)合了RF 收發(fā)器功能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)具有可編程閃存，8 kB RAM 等功能。CC2530 有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256kB 的閃存。CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它能適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本文所設(shè)計(jì)的無線溫濕度壓力檢測儀軟件主要完成如下功能：用于參數(shù)的初始化以及數(shù)據(jù)采集器各接口的初始化, 主要是MSP43OF448 時(shí)鐘頻率的選擇、定時(shí)器的初始化、串口的SPI 初始化、MS5541和SHT75 的初始化、ZigBee模塊的初始化；溫濕度及壓力數(shù)據(jù)采集；在溫度沒有出現(xiàn)異常狀況時(shí)是每隔10 分鐘向數(shù)據(jù)接收器發(fā)送一次數(shù)據(jù)，然后接收數(shù)據(jù)接收器發(fā)送來的新的命令并進(jìn)行相應(yīng)的ZigBee數(shù)據(jù)采集處理。
結(jié)合前述各種硬件電路及功能，程序設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)模塊：主程序設(shè)計(jì)、溫濕度測量程序設(shè)計(jì)、壓力測量程序設(shè)計(jì)、LCD 顯示程序設(shè)計(jì)、報(bào)警程序設(shè)計(jì)和無線通信程序設(shè)計(jì)等。
4 系統(tǒng)測試
本儀器采用遍歷地址算法，每個(gè)ZigBee無線模塊有唯一的地址，使用高精度溫濕度傳感器和壓力傳感器，ZigBee數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)使用滑動(dòng)平滑濾波和一階滯后濾波的復(fù)合濾波算法，大大提高了系統(tǒng)精度，經(jīng)過測試，系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為:
⑴ 露點(diǎn)測量范圍: -60℃ -+20℃
⑵ 露點(diǎn)測量精度：≤ ±1 ℃（－40℃～＋ 20℃）
⑶ 分辨率:0.1℃
⑷ 響應(yīng)時(shí)間：≤ 5 分鐘/ 點(diǎn)
⑸ 濕度測量精度：±3.0％ RH
⑹ 溫度測量精度：±0.4 ℃ ( 在25℃ )
⑺ 壓力測量精度：1.2 mbar⑻ 檢驗(yàn)方式：自校準(zhǔn)功能
5 結(jié)束語
本儀器利用ZigBee無線模塊傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)溫度、濕度、壓力進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，解決了國產(chǎn)露點(diǎn)壓力測試儀精度低、穩(wěn)定性差、校準(zhǔn)難度大和測量參數(shù)單一的缺點(diǎn)，具有很高的精度和穩(wěn)定性，具有強(qiáng)大的測量功能和數(shù)據(jù)處理功能，并且價(jià)位不高，具有很廣闊的應(yīng)用前景。