低功耗无线工矿设备监测仪设计论文

1、低功耗无线工矿设备监测仪摘要本系统以MSP430F149单片机为主控制器，太阳能电池板吸收的电能经电源管理系统转换后为整个系统进行供电，由应变片、TI公司的INA128高精度仪表放大器全桥构成的测量电路，将采集到的压力微小变化信号转化较大变化的电压信号送入MSP430F149单片机内部ADC实现非电信号的采集，最后用NRF905发送给上位单片机，上位单片机接收到信号后通过RS232与上位PC机进行通信，上位PC机将接收数据转化为压力变化曲线图，形象的现实出来。关键词：压力信号采集 电源管理 MSP430F149 全桥测量电路 无线目录1引言12总体设计12.1系统总体设计12.2方案论证12.

2、2.1电源管理模快22.2.2系统控制模块32.2.3测量电路模块42.2.4 压力信号调理电路62.2.5 无线通讯模块63硬件系统设计73.1 电源管理系统73.2 压力信号测量及调理电路74软件设计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性能测试115.1测试仪器115.2测量波形116结束语13参考文献：14附录151引言矿井生产是地下作业，自然条件和生产条件都很复杂。进行矿井通风压力测定，及时、准确地提供井下空气的压力，是搞好矿井通风、预防矿井事故、处理灾害事故和救护人员的重要手段。同时采用无线模块进行数据发送与接收，还可以深入到井下

3、某些不能进行有线通信的地方。仪器的低功耗发展是必然趋势，采用太阳能电池板采集电能，当阳光充足的时候电源管理系统不但为整个系统供电，而且将剩余电量提供给备用电池进行充电。当光线不足时（太阳能电池板提供的电量不足以使系统工作时），整个系统由备用电池进行供电。这样可以满足低功耗的要求。2总体设计2.1系统总体设计RS232太阳能电池电源管理信号调理电路控制器(MSP430F)上位机整个系统由太阳能管理系统进行供电，电源管理系统始终处于工作状态，当阳光充足的时候电源管理系统不但为整个系统供电，而且将剩余电量提供给备用电池进行充电。当光线不足时（太阳能电池板提供的电量不足以使系统工作时），整个系统由备用

4、电池进行供电。除供电系统外其余部分平时都处于待机模式，当上位机发出测量信号后，整个测量系统开始工作，将应变片由于形变引起的微小的阻值变化，经全桥电路转化为微小的电压变化，再通过INA128仪表放大电路将微小的电压变化放大100倍后送入单片机ADC进行采样，在单片机内部将采集到的电压信号转换为实际的压力值，通过RS232协议发送给上位机，在上位机上显示出压力变化曲线。测量结束后，系统再次进入待机状态等待下次测量命令。整个系统框图如图2.1所示。图2.1 系统总体设计框图2.2方案论证2.2.1电源管理模快电源管理模块主要是将太阳能电池板吸收的电能进行转换从而为为整个系统的供电。太阳能电池板提供功

5、率一定的大电压小电流信号，为了保证后级电路的工作，要对其进行降压处理。方案一：采用线性电源。所谓线性电源是指功率调整管工作在线性放大区的直流稳压电源。线性电源主要包括工频变压器、输出整流滤波器、控制电路和保护电路等。其工作过程：电压信号经工频变压器降压之后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个纹波电压和稳压性能均符合要求的直流电压。其优点是输出纹波电压小、瞬态响应速度快、，调整率好、没有高频干扰、电路简单便于调整维修等。但由于线性电源自身结构和工作在线性状态的工作方式等方面的原因，导致体积很大，笨重，不能微型化，功耗大，发热量大，工作效率低下，一般在35%45%。其应用电路连接图如图2.2

6、所示。图2.2 线性电源应用原理图方案二：采用开关电源构成的buck电路(1)PWM驱动采用PWM驱动芯片TPS2812。TPS2812是TI公司生产的双高速MOSFET驱动芯片，它提供给负载一个峰值为2A的电流，满足了设计上要求最小击穿电流并且具有比同类产品消耗少一个数量级的优点，符合电路低功耗的要求。同时TPS2812还具有同步整流的功能，而不必担心同步整流部分需要分立元件驱动的问题。其引脚功能图如图2.3所示。1 82 73 64 5 REG-IN1INGND2INREG-OUT1OUTVCC2OUT图2.3 TPS2812引脚功能图(2)开关电源buck电路开关电源的主要工作原理就是上

7、桥和下桥的Mos管轮流导通，首先电流通过上桥Mos管流入，利用线圈的存储功能，将电能集聚在线圈中，最后关闭上桥 Mos管，打开下桥的Mos管，线圈和电容持续给外部供电。然后又关闭下桥Mos管，再打开上桥让电流进入，就这样重复进行，因为要轮流开关Mos管，因其电路中的电力电子器件工作在开关状态，所以称为开关电源。它的优点主要有三方面：开关状态转换速度很快，频率一般为50kHz左右，这就使得开关晶体管的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%，因而它具有功耗低，效率高的优点；开关电源的电路设计没有采用笨重的工频变压器。由于调整管上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片，正是这

8、两方面原因使得开关电源具有体积小，重量轻的优点；从开关电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压，所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。它的缺点是存在较为严重的开关干扰，输出电压中含有较大的纹波。综合以上分析及表2-1的分析，为了实现低功耗，高效率的要求，我们采用方案二。表2-1 两种直流电源的比较种类器件工作状态工作频率体积重量效率响应速度输出纹波应用范围线性电源线性放大零大重低快极小对输出纹波和电磁干扰要求极低时开关电源开关状态高小轻高快小中小功率2.2 .2系统控制模块单片

9、机控制主要实现信号采集，信号处理和发送以及电源管理的共能。方案一： 由STC89C51为主控芯片构成的系统，其优点实成本低，做电路比较方便；缺点是芯片内部没有集成专门的AD转换电路，得自己专门搭电路。方案二：由C8051F040为主控芯片构成的系统，优点是C8051F040是一款高性能的单片机，内部由专门的AD转换电路。 方案三：由MSP430F149为主控芯片构成的系统，优点是MSP430单片机在低功耗这方面的性能做得是特别好的，而且单片机内部本身自带AD转换模块。 为了实现低功耗的要求，且我们已有MSP430F149，所以我们采用方案三。2.2.3测量电路模块应变片将被测试件的应变转换成电

10、阻相对变化R/R,还需一定的测量电路将其电阻变化进一步转换成电压或电流信号才能用仪表进行测量或用计算机进行数据采集实现自动检测。通常采用的测量电路是电桥电路。由于整个系统均为直流信号，故采用直流电桥进行测量。直流电桥测量电路如图2.4所示。图2.4 直流电桥测量电路设电桥各桥臂电阻分别为、 、它们可以全部或部分是应变片，为电桥的输出负载。根据基尔霍夫定律，电桥的输出负载电流为（2-1）（2-2）若 则,称为电桥的平衡条件，电桥为输出。式（2-2）称为电桥平衡条件。电桥的输出电压为（2-3）若电桥的负载电阻为无限大，则上式可简化为（2-4）当电桥各臂均有相应的电阻变化、时，由式(2-4)得到（2

11、-5）（2-6）实际应用往往为等臂电桥，即= =且当R>>(i=1,2,3,4)时，利用式2-6（2-7）将上式写为但是由于单臂桥测量电路的非线性误差比较大，因而我们采用四臂差动工作电桥以改善非线性误差和提高输出灵敏度(四臂差动工作电桥的灵敏度为直流电桥测电路的四倍)，同时还能起到温度补偿的作用。四臂差动工作电桥如图2.5所示。R4+R4UoR3-R3R2-R2R1+R1Ui图2.5四臂差动电桥电路2.2.4 压力信号调理电路压力信号调理电路采用INA128仪表放大电路将微小的电压变化放大100倍后送入单片机ADC进行采样。INA128是低功耗、高精度的通用仪表放大器。它通用的3运

12、放（3-op amp）设计和体积小巧使其应用范围广泛。反馈电流(Current-feedback)输入电路即使在高增益条件下(G=100时，200KHz)也可以提供较宽的带宽。单个外部电阻可实现从1至10000的任一增益选择。它用激光进行修正微调，具有非常低的偏执电压(50mV)、温度漂移(0.5µVC)和高共模抑制（在G=100时，120dB），其电源电压低至±2.25V静态电路只有700µA。内部输入保护能经受±40V电压而无损坏。它广泛应用与桥式放大器、热电偶放大器、RTD传感器、医疗仪器、数据获得等方面。INA128内部原理图如图2.6所示。图2

13、.6 INA 128内部原理图2.2.5 无线通讯模块NRF905 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ 的ISM 频段由一个完全集成的频率调制器一个带解调器的接收器一个功率放大器一个晶体震荡器和一个调节器组成ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码 和 CRC 可以很容易通过SPI 接口进行编程配置电流消耗很低在发射功率为10dBm 时发射电流为30mA 接收电流为12.5mA. 进入POWERDOWN 模式可以很容易实现节电。3硬件系统设计3.1 电源管理系统利用PWM驱动芯片TPS2812和开关电源buck 电路过程电源管理系统，将太阳能电池板采集到的电能转化从而

14、为整个系统供电。其电路图如图3.1所示。图3.1 (a) PWM驱动电路图3.1 (b) 电源管理3.2 压力信号测量及调理电路采用四臂差动全桥电路实现将微小电阻变化转化为微小电压变化，然后再经过INA128放大电路经其放大，送入单片机ADC进行采样。图3.2 模拟压力传感器输出信号调理电路。图3.2 模拟压力传感器输出信号调理电路4软件设计4.1主程序关闭看门狗开始时钟初始化1当系统启动之后，首先关闭系统看门狗，为了保证系统的正常运行接着要对430的系统时钟进行初始化。当系统运行起来之后就开始对系统的PWM输出进行初始化，用以保证电源管理系统的正常运行。紧接着就是对用以信号采集的ADC寄存器

15、进行初始化，然后对用来将采集信号发给上位机的串口进行初始化，最后就是对430单片机系统的端口进行初始化和打开系统的总中断，用以将系统从睡眠状态进行唤醒。初始化结束后主程序进入主循环体，主循环体最主要就是启动ADC转换，然后系统进入睡眠状态等待中断唤醒。其流程图如图4.1所示。PWM波输出初始化 ADC初始化串口初始化打开总中断端口初始化AD转换开始进入低功耗系统延时1图4.1 主程序框图4.2 PWM波初始化开始设置PWM输出口设置PWM频率1首先设置PWM波输出端口，然后设置PWM波输出频率，设置PWM波初始占空比，选择输出模式，最后选择SMCLK为PWM时钟源并允许中断。其程序框图如图4.

16、2所示。结束设置PWM占空比设置PWM输出模式选择SMCLK为PWM时钟源打开中断1图4.2 PWM波初始化程序框图4.3 ADC初始化开始设置ADC输入口设置ADC采样时间设置ADC工作模式设置ADC采样端口ADC中断允许结束允许ADC退出设置首先设置ADC输入端口，然后设置ADC的采样保持时间，采样保持时间可以确定定时器的最高采样频率，然后就是设置ADC的工作模式，是ADC处于多路单次采样模式，并且允许最后一路采样后退出ADC转换，最后依旧是打开中断。其程序框图如图4.3所示。允许ADC退出设置图4.3 ADC初始化程序框图4.4串口初始化程序首先将串口复位，然后设置串口的数据模式为8位数

17、据模式，接着讲ACLK设置为串口的工作时钟，并且设置串口的波特率为19200，最后就是使能串口接收和发送中断，清除复位信号，并且设置串口的通信方向。其程序框图如图4.4所示。开始复位串口设置串口为8位数据端口选择ACLK为串口时钟设置串口波特率为19200使能串口接收和发送消除串口复位信号使能接收中断设置通信端口及方向结束图4.4 串口初始化程序框图5性能测试5.1测试仪器三位半数字万用表、TDS1002数字示波器、F40数字合成信号发生器/计数器5.2测量波形整个系统进行测试，在上位机上显示波形如图5.1所示。图5.1 压力信号波形图6结束语本系统以MSP430F149单片机为主控制器，外辅电源管理系统、压力信号测量及调理电路等硬件电路，通过RS232协议与上位机进行数据发送与接收，完成压力信号数据采集、处理、显示等功能。同时本心电图仪具有数字化、成本低、操作简单等特点,具有广阔的应用前景。优点是功耗低，效率高，压力信号显示形象化、直观化。经过四天的努力我们完成了压力信号采集处理、电源管理低功耗、模拟无线传输进行数据发送与接收，电源管理模块基本完成。但仍然存在欠缺，下一步继续研究，完善太阳能采集及处理。参考文献：