低功耗无线设备工矿检测仪设计探讨.docx

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低功耗无线设备工矿检测仪设计探讨

低功耗无线设备工矿检测仪设计探讨

摘要：

该作品在深入了解了国内外智能检测系统发展的基础上，根据工矿矿井下的实际环境，认真分析了传统的电子预报仪器的缺点与不足，开发出了智能压力检测系统的压力测试仪以及手持数据处理机。

本论文所研制的压力测试仪是微计算机与仪器的有机结合。

它是以MSP430单片机为核心并外接其它芯片的电子预测系统。

该测试仪的主要特点是：

太阳能电池给采集系统供电，测量量程为0～60pa，精度为1％；待机状态，需要采集数据的时候可唤醒系统进行工作；使用FLASH存储数据，能存放64K的压力数据；LED显示器可显示当前压力和报警压力过大；无线数据通信功能，传输速率为9600kbps；采用本设计，可安全的应用于环境复杂的工矿井下。

本论文所设计的上位机数据处理软件可以通过串口读取手持器中的压力数据，经过处理后保存于上位机中，便于统计和查阅。

关键字：

MSP430F149单片机、电源管理、压力检测、无线发送、上位机

目录

1引言1

2方案论证1

2.1总体方案描述1

2.2微处理器模块2

2.3电源管理模块3

2.4显示模块比较与论证3

2.5信号调理部分3

2.6手持设备按键控制模块4

3.系统的硬件、软件的实现4

3.1硬件部分的实现4

3.1.1微处理器电路4

3.1.2电源管理模块5

3.1.3LCD显示模块5

3.1.4信号调理部分6

3.1.5无线通信模块7

3.2软件实现8

3.2.1主程序流程图8

3.2.2采集端程序流程图9

4系统测试9

4.1主要测试用的仪器9

4.2指标测试结果9

5附录10

附录一：

总原理图10

附录二：

上位机界面12

附录三：

实物图12

6参考文献13

1引言

在以前的生产中，往往由于自动化低下，人们不得不工作在恶略的环境下，由此可想而知这广大劳动者的健康的影响是巨大的，更有甚者是危及人们的生命安全。

随着自动化技术的日益增长，越来越多的设备已经实现全自动化控制，不需要人工干预。

特别是工业现场环境恶劣、需要测量的参数多、所测量的参数精度高的环境中。

近年来，我国煤矿安全事故频繁发生，其中主要是矿层透水、瓦斯泄漏和顶板塌陷事故，煤矿顶板事故对矿井安全生产危害极大。

从我国煤矿事故统计来看，顶板事故一直居各类事故之首，这不仅对广大劳动者的安全危害极大，也对国家的自然资源是一种毁灭。

因此，研制一种新型的精度高、通信方便的工矿压力观测仪器以少或者预报灾难的途径就迫在眉睫。

矿山压力的观测与控制是实现矿山生产科学管理、减少顶板事故必不可少的基础工作。

目前我国绝大多数煤矿井下顶板压力检测一般采用机械式，液压式观测仪器，精度低，工作效率低下。

而较先进的矿压监测系统，配置复杂，采用有线通信方式，布线、维护也比较困难。

在国外，工矿的安全事故也时有发生，但由于先进的机械设备和电子通讯预警仪器的使用，可缓解又安全事故引发的生命安全。

由此可见，先进的仪器和设备可以在生产中起到很大的作用。

由于从国外引进设备的难度很大，无论是在资金方面还是在知识产权保护方面都是困难重重。

本文在深入了解国内外矿山压力观测仪的基础上，认真分析了目前我国各种矿山压力观测仪器存在的不足，考虑到煤矿井下的实际环境，研制了一种基于无线传输的新型煤矿压力采集和智能分析系统。

该系统由两个装置组成，即煤矿压力数据采集装置和便携式智能分析装置，整个系统采用低功耗设计，其中，煤矿压力数据采集装置能够定时采集和存储顶板压力数据。

无线接收和处理智能分析装置的各种无线命令、无线中继传输各种中继命令和数据信息。

智能分析装置采用便携式设计，采用图形化显示。

2方案论证

2.1总体方案描述

采集系统组成框图2.1.1

图2.1.1采集系统原理图

整个系统由MSP430F149为控制器、LCD1602显示、按键控制、电源管理、信号调理等模块构成。

整个工作的时间内，采集部分的电源来自太阳能充电的锂电池，单片机采集锂电池的电压信号，并决定是否充电。

整个系统上电，单片机启动初始化后进入低功耗模式，当手持设备通过无线模块发送信号唤醒采集部分单片机时，AD采集应变式压力传感器产生的电压信号，并将其转换成压力发送到手持设备。

手持设备不仅可以接收数据，还可以判别现在工矿是否处在危险之中，并发出警报。

接收部分框图如图2.1.2：

图2.1.2手持设备原理框图

2.2微处理器模块

方案一：

使用C8051F040作为系统的控制核心。

单片机具有体积小，片上资源丰富，使用灵活，易于人机对话，有较强的指令寻址和运算功能等优点，但是该单片机体积较大，功耗较高。

方案二：

使用MSP430F149作为系统的控制核心。

MSP430F149具有体积小，片上资源丰富和I/O口多可复用的优点，最重要的是MSP430F149具有超低的功耗，这是其他控制器不可比拟的优势。

在此系统中，我们经过细致的思考，最终选择了MSP430F149作为整个控制系统的控制核心，其一是它比C8051F040更适合出现在此系统中，但最重要的一点是MSP430F149比C8051F040具有更低的功耗，符合我们的设计初衷，所以我们选择了方案二。

2.3电源管理模块

方案一：

使用普通9V充电电池为整个系统供电，采用普通太阳能电池板为其充电。

该电池具有体积小，价格便宜输出电压稳定等优势，但是容量太小，输出功率小。

方案二：

使用两节4.1V锂电池串联为系统供电，采用普通太阳能电池板为其充电。

锂电池优点是具有较高的输出功率，及较大的容量，充电电路成熟稳定，缺点是价格较高。

经过考虑，我们选择了方案二。

因为该系统长期工作于室外环境较恶劣的地方，更换电池及其不便，所以我们选择了工作稳定，容量大，功率大的锂电池为系统供电。

2.4显示模块比较与论证

方案一：

采用数码管显示。

其优点是元件价格便宜，而且外围的电路简单。

但是扫描占用大量的I/O口资源，从而增大了单片机的运算开销，显示信息也不丰富，最重要的是功耗太大。

方案二：

采用12864LCD液晶显示

其优点是显示信息非常丰富，可以很形象的显示设计者的所想，方便使用者使用，占用I/O口少，不需要循环扫描，节省了大量的程序开销。

但是综合考虑，其功耗还是太大。

方案三：

采用LCD1602液晶显示

其优点是显示信息较丰富，使用方便灵活，占用I/O口少，不需要循环扫描，节省了大量的程序开销。

背光去掉时功耗很小。

鉴于本系统的设计要求和扩展要求，我们采用LCD1602液晶作为我们的显示模块。

2.5信号调理部分

方案一：

使用AD603电压可控增益放大器对应变片产生的小信号进行放大，但是AD603的带宽范围设置外围电路很繁琐，而且整个系统的抗干扰能力很低，如要设计要求高的时候，要把其放入屏蔽盒中，成本高。

方案二：

使用INA128对差分小信号进行放大，这款运放的外围电路很简单，不需要很多的注意事项，能精确放大差分小信号，便于后级AD采集。

在本系统中，考虑到系统的稳定性及成本，我们最终选择了方案二。

2.6手持设备按键控制模块

采用单个按键控制手持设备接收与否

按键连接手持设备微处理器的外部中断，可以随时唤醒微处理器的低功耗模式，进行数据接收。

当第一次按下按键时，手持设备开始连续接收数据，当第二次按下时停止接收，并使单片机进入低功耗模式，等待下唤醒。

3.系统的硬件、软件的实现

3.1硬件部分的实现

3.1.1微处理器电路

本作品使用的MSP430F149单片机最小系统电路图3.1.1

图3.1.1MSP430F149单片机最小系统电路

3.1.2电源管理模块

在该模块中，我们的思想是这样的：

电池两端电压经过电阻分压后接入比较器，比较器比较电压设置为1.5V。

所以，当电池两端电压低于某一固定值时（该值取决于电阻分压结果），比较器开始动作，输出电平跳变。

该电平跳变可以触发单片机外部中断，单片机经过检测核实后，开始对电池进行充电。

充电时，先采用恒流法。

原理是单片机采集锂电池的充电电流，通过控制输出PWM的占空比，使充电电流恒定在0.1C，然后不断的检测锂电池两端的电压。

当检测到锂电池两端电压达到4.1V时，开始采用恒压法充电。

原理是单片机不断采集锂电池两端电压，通过控制输出PWM的占空比，使其恒定在4.1V，然后开始检测充电电流，此时该电流是不断下降的。

当检测到充电电流小于0.01C时，电池充电已满，停止充电，单片机进入低功耗模式。

电池的充电电路为图3.1.2：

图3.1.2太阳能电池板充电电路图

3.1.3LCD显示模块

在该模块中我们使用了LCD1602液晶屏作为我们手持设备显示器，使用英文显示，界面友好，方便用户使用，功耗低，可连续长时间使用。

液晶显示电路如图3.1.3。

图3.1.3LCD液晶显示电路

3.1.4信号调理部分

在此部分中我们小组使用TI的INA128仪表放大器来放大应变片电桥产生的差分电压信号，该放大器的外围电路连接方便、放大倍数稳定，对我们的后级处理系统可提供稳定的分析信号。

仪表放大器INA128内部电路如图3.1.4，应变片全桥电路如图3.1.5。

图3.1.4INA128放大电路

图3.1.5应变片全桥电路

3.1.5无线通信模块

在该部分的设计中，我们使用了NRF905无线模块，该模块有如下特点：

（1）433Mhz开放ISM频段免许可证使用；

（2）最高工作速率50kbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；

（3）125频道，满足多点通信和跳频通信需要；

（4）内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制；

（5）低功耗1.9-3.6V工作，待机模式下状态仅为2.5uA；

（6）收发模式切换时间<650us

（7）模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便；

（8）TXMode:

在+10dBm情况下，电流为30mA;RXMode:

12.2mA；

（9）标准DIP间距接口，便于嵌入式应用。

无线通信模块电路连接图如图3.1.6。

图3.1.6NRF905无线模块连接图

3.2软件实现

3.2.1主程序流程图

图3.2.1采集端主程序流程图

3.2.2采集端程序流程图

图3.2.2采集端程序流程图

4系统测试

4.1主要测试用的仪器

（1）TDS1002数字示波器；

（2）MFG-8250A波形发生器；

（3）UT39A数字万用表；

4.2指标测试结果

测量

压力/N

理论值（电压值）/V

实际值（电压值）/V

第一次

0

0

1.00

第二次

0.001（10g）

0.07

1.08

第三次

0.005（50g）

0.16

1.17

第四次

0.01（100g）

0.24

1.26

第五次

0.015（150g）

0.35

1.35

第六次

0.02（200g）

0.42

1.40

第七次

0.025（250g）

0.48

1.45

第八次

0.03（300g）

0.59

1.62

第九次

0.04（400g）

0.79

1.81

第十次

0.05（500g）

1.00

2.00

表4.2指标测试结果

5附录

附录一：

总原理图

总原理图包括单片机最小系统原理图和检测仪外围电路及电源电路。

单片机最小系统原理图如图5.1.1。

图5.1.1单片机最小系统原理图

检测仪外围电路及电源电路如图5.1.2。

图5.1.2检测仪外围电路及电源电路

附录二：

上位机界面

图5.2上位机界面

附录三：

实物图

图5.3手持接收终端

图5.3.1检测模块

6参考文献

[1]康华光.电子线路基础（模拟部分）[M].高等教育出版社

[2]严石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社

[3]谭浩强.C语言基础[M].高等教育出版社

[4]刘树林.低频电子线路[J].机械工业出版社

[5]沈建华.等.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].清华大学出版社

[6]秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].电子工业出版社