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MSP430便携式紫外线强度检测仪探究
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2017-10-24
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0 引言
众所周知，太阳光中适量的紫外线对可以杀菌消毒，增强体质，对人有很大帮助。而过量的紫外线则对人和其他生物有害。紫外线的预报与利用在一些发达国家已经趋于成熟，而在我国尚处于起步阶段，多数数据资源垄断于气象业务部门，不利于公众获得第一手的信息。且在某个地段检测到的数据具有较大局限性，尤其在高楼林立的城市中或地形复杂的旅游景点里甚至不具有参考价值，远不能满足人们的需求。
本文提出了一种基于MSP430的便携式紫外线检测仪设计方案，该方案对紫外线强度进行实时实地、连续的检测。具有数据存储和实时数据查看、显示当前强度值及其他便民信息等功能，测量数据可通过有线或无线通信方式实现与其他终端设备或上位机共享，以实现多点组网的紫外线监测。
1 系统总体设计方案
便携式紫外线检测仪系统主要由数据采集与处理系统、人机接口系统和通信系统组成。系统框图如图1所示。
首先通过UVM30A紫外线传感器模块，把检测到的太阳光中的紫外线转换为电信号，送给MSP430F149单片机，通过软件设置使用单片机自带的12位A／D把得到的电压值进行转换并处理。然后通过128×64液晶将实时数据显示在液晶屏上，并可以通过按键设置进行数据保存、查看、设备加密、蜂呜器报警强度、通信传输。通过相应的通信设置，实现设备间的数据传输和计算机对便携式设备上实时数据的实时监控和管理。
1．1 低功耗设计
对于便携式设备而言，最重要的特点是能够最大限度的降低功耗，尽可能延长使用时间。
1．1．1 硬件
系统首先要选择一个极低功耗的处理器。
MSP430系列单片机在活动模式时仅耗电250μA／MIPS，其输入端口的漏电流最大为50 nA，远低于其他系列单片机（一般为1～10μA），并且可选择性地关闭其内部功能模块。其次，系统各模块电路中所采用的芯片都具有宽供电范围，基本都满足3～5 V的供电区间，辅以3．3 V电压转换芯片为整个系统提供电源，尽量把系统功能通过软件层面实现，从而减少了整个系统的硬件结构的耗电量。
1．1．2 软件
在软件层面上，参考手机的供电特点，当用户长时间不进行操作的时候，软件设计自动关闭液晶并使系统进入休眠状态，从而最大限度降低功耗。另外，其他一些功能模块只在用户打开相应的工作界面的时候才开始工作，从而降低系统功耗。
1．2 测量精确度方案——数据采集处理系统的设计
对于测量仪器而言，精确度尤为重要。因此，需要选择灵敏的传感器和高精度的A／D转换模块。
系统采用UVM30A紫外线传感器模块。该模块专为需要高可靠性和精确性测量紫外线指数（UVI）的场合所设计，适合测量太阳光紫外线强度总量。
除传感器之外，影响测量精度的直接原因主要有两个，一是A／D转换的位数，二是A／D转换的参考电压。该设计采用TL431稳压芯片得到1．25 V的基准电压作为参考电压，把紫外线传感器直接接在单片机的I／O口上，即可进行信号的处理和显示。
单片机的A／D位数u=12，其最大显示数据d=212，当参考电压V1=1．25 V时，根据精度的计算公式得到在该系统中，传感器模块最大输出电压为1 V时，精度可精确到0．31 mV，满足紫外线的等级分辨率要求。
1．3 通信方案——通信组网系统的设计
所设计的便携式系统具有多种通信方式。其主要目的是实现数据与信息的实时传输与共享，并为以后的大规模设备组网提供技术保证。主要分为有线串口通信和无线数据通信。其中，有线串口通信采用传统的技术成熟的RS 232通信，以保证传输稳定性。
无线通信采用APC220-43无线数传模块。其可设置众多的频道，步进精度为1 kHz，发射功率高达20 mW，但仍然具有较低的功耗，体积小，非常方便客户嵌入系统之内。采用了高效的循环交织纠检错编码，最大可以纠24 b连续突发错误，其编码增益高达近3 dBm，纠错能力和编码效率均达到业内的领先水平，远远高与一般的前向纠错编码，抗突发干扰和灵敏度都较大的改善。同时编码也包含可靠检错能力，能够自动滤除错误及虚假信息，真正实现了透明的连接。特别适合与在强干扰等恶劣环境中使用。
2 单元电路设计
2．1 人机接口系统
人机接口系统对于本便携式设备来说非常重要。本设计通过人机接口的没计实现了一个具有普遍使用价值的便携式平台，极大地方便了产品的拓展和二次开发，方便了今后更深层次设计的扩展需求。
人机接口系统主要由128×64液晶、4位独立按键、蜂鸣器报警电路、可更换充电电池等几部分，搭载上处理器系统构成。
（1）液晶显示：选用128×64液晶显示所有的操作界面，比如紫外线强度、数据保存、数据通信等等。
（2）按键操作：MSP430F149单片机P2端口具有中断功能，因此利用P2端口的下降沿触发中断，判断哪个按钮作用，并作相应的处理，其功能的实现主要依靠软件程序的判断。
（3）报警提示：使用蜂鸣器当紫外线强度过高的时候发出尖锐的报警声，以达到提醒的目的。该设计中的报警强度是4级。
（4）电池供电：采用两节3．7 V／3 600 mAh的锂电池为系统供电，实现超长的待机时间。
2．2 其他硬件模块
系统除了基本的人机接口外，还配备有存储、时钟、稳压电路等硬件设计，选用集成化的芯片，保证了使用的方便和质量，为友好的软件界面提供了完善的硬件支持。
3 软件设计
软件系统采用结构化和模块化的程序设计方法。软件设计中应用很多方法使得程序具有易移植性特点。软件设计主要包括数据处理部分，人机界面操作部分，数据的通信部分等几个主要部分。
众所周知，太阳光中适量的紫外线对可以杀菌消毒，增强体质，对人有很大帮助。而过量的紫外线则对人和其他生物有害。紫外线的预报与利用在一些发达国家已经趋于成熟，而在我国尚处于起步阶段，多数数据资源垄断于气象业务部门，不利于公众获得第一手的信息。且在某个地段检测到的数据具有较大局限性，尤其在高楼林立的城市中或地形复杂的旅游景点里甚至不具有参考价值，远不能满足人们的需求。
本文提出了一种基于MSP430的便携式紫外线检测仪设计方案，该方案对紫外线强度进行实时实地、连续的检测。具有数据存储和实时数据查看、显示当前强度值及其他便民信息等功能，测量数据可通过有线或无线通信方式实现与其他终端设备或上位机共享，以实现多点组网的紫外线监测。
1 系统总体设计方案
便携式紫外线检测仪系统主要由数据采集与处理系统、人机接口系统和通信系统组成。系统框图如图1所示。
首先通过UVM30A紫外线传感器模块，把检测到的太阳光中的紫外线转换为电信号，送给MSP430F149单片机，通过软件设置使用单片机自带的12位A／D把得到的电压值进行转换并处理。然后通过128×64液晶将实时数据显示在液晶屏上，并可以通过按键设置进行数据保存、查看、设备加密、蜂呜器报警强度、通信传输。通过相应的通信设置，实现设备间的数据传输和计算机对便携式设备上实时数据的实时监控和管理。
1．1 低功耗设计
对于便携式设备而言，最重要的特点是能够最大限度的降低功耗，尽可能延长使用时间。
1．1．1 硬件
系统首先要选择一个极低功耗的处理器。
MSP430系列单片机在活动模式时仅耗电250μA／MIPS，其输入端口的漏电流最大为50 nA，远低于其他系列单片机（一般为1～10μA），并且可选择性地关闭其内部功能模块。其次，系统各模块电路中所采用的芯片都具有宽供电范围，基本都满足3～5 V的供电区间，辅以3．3 V电压转换芯片为整个系统提供电源，尽量把系统功能通过软件层面实现，从而减少了整个系统的硬件结构的耗电量。
1．1．2 软件
在软件层面上，参考手机的供电特点，当用户长时间不进行操作的时候，软件设计自动关闭液晶并使系统进入休眠状态，从而最大限度降低功耗。另外，其他一些功能模块只在用户打开相应的工作界面的时候才开始工作，从而降低系统功耗。
1．2 测量精确度方案——数据采集处理系统的设计
对于测量仪器而言，精确度尤为重要。因此，需要选择灵敏的传感器和高精度的A／D转换模块。
系统采用UVM30A紫外线传感器模块。该模块专为需要高可靠性和精确性测量紫外线指数（UVI）的场合所设计，适合测量太阳光紫外线强度总量。
除传感器之外，影响测量精度的直接原因主要有两个，一是A／D转换的位数，二是A／D转换的参考电压。该设计采用TL431稳压芯片得到1．25 V的基准电压作为参考电压，把紫外线传感器直接接在单片机的I／O口上，即可进行信号的处理和显示。
单片机的A／D位数u=12，其最大显示数据d=212，当参考电压V1=1．25 V时，根据精度的计算公式得到在该系统中，传感器模块最大输出电压为1 V时，精度可精确到0．31 mV，满足紫外线的等级分辨率要求。
1．3 通信方案——通信组网系统的设计
所设计的便携式系统具有多种通信方式。其主要目的是实现数据与信息的实时传输与共享，并为以后的大规模设备组网提供技术保证。主要分为有线串口通信和无线数据通信。其中，有线串口通信采用传统的技术成熟的RS 232通信，以保证传输稳定性。
无线通信采用APC220-43无线数传模块。其可设置众多的频道，步进精度为1 kHz，发射功率高达20 mW，但仍然具有较低的功耗，体积小，非常方便客户嵌入系统之内。采用了高效的循环交织纠检错编码，最大可以纠24 b连续突发错误，其编码增益高达近3 dBm，纠错能力和编码效率均达到业内的领先水平，远远高与一般的前向纠错编码，抗突发干扰和灵敏度都较大的改善。同时编码也包含可靠检错能力，能够自动滤除错误及虚假信息，真正实现了透明的连接。特别适合与在强干扰等恶劣环境中使用。
2 单元电路设计
2．1 人机接口系统
人机接口系统对于本便携式设备来说非常重要。本设计通过人机接口的没计实现了一个具有普遍使用价值的便携式平台，极大地方便了产品的拓展和二次开发，方便了今后更深层次设计的扩展需求。
人机接口系统主要由128×64液晶、4位独立按键、蜂鸣器报警电路、可更换充电电池等几部分，搭载上处理器系统构成。
（1）液晶显示：选用128×64液晶显示所有的操作界面，比如紫外线强度、数据保存、数据通信等等。
（2）按键操作：MSP430F149单片机P2端口具有中断功能，因此利用P2端口的下降沿触发中断，判断哪个按钮作用，并作相应的处理，其功能的实现主要依靠软件程序的判断。
（3）报警提示：使用蜂鸣器当紫外线强度过高的时候发出尖锐的报警声，以达到提醒的目的。该设计中的报警强度是4级。
（4）电池供电：采用两节3．7 V／3 600 mAh的锂电池为系统供电，实现超长的待机时间。
2．2 其他硬件模块
系统除了基本的人机接口外，还配备有存储、时钟、稳压电路等硬件设计，选用集成化的芯片，保证了使用的方便和质量，为友好的软件界面提供了完善的硬件支持。
3 软件设计
软件系统采用结构化和模块化的程序设计方法。软件设计中应用很多方法使得程序具有易移植性特点。软件设计主要包括数据处理部分，人机界面操作部分，数据的通信部分等几个主要部分。
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