1 智能微水儀監(jiān)測儀的設計
傳感器是決定監(jiān)測儀精度的關鍵元件。傳感器的選擇主要依據工作環(huán)境、測量精度、線性度、互換性、靈敏度、響應速度、穩(wěn)定性、功耗、體積大小以及易于與MCU接口等。本監(jiān)測儀選用的各類傳感器分別為：集成溫度傳感器TMP35、集成濕度傳感器HM1500、專線型半導體氣敏傳感器MR511以及集成光照度傳感器TSL253。與同類產品相比，它們在上述方面有一定的優(yōu)點，很適合便攜式儀表使用。
TMP35電壓輸出量與被測溫度T成線性關系，其式如（1）；HM1500輸出量為電壓，與被測濕度%RH成正比，且與溫度T有關系，其式如（2）；MR511內有溫度補償，其輸出電壓與被測氣體濃度C成近似線性關系（線性度≤±5%），其式如（3），式中Nc為器件靈敏度，環(huán)境濕度為Vc的值有影響；TSL253電壓輸出量與被測光照度Ee成正比，且與溫度T有關，其式如（4），式中Ne為傳感器的靈敏等。
上述各式說明，高精度的監(jiān)測必須考慮傳感器的非線性、溫濕度影響、測量誤差及環(huán)境誤差等問題，尤其要著重解決測量中的非線性及溫濕度補償。在布置印刷電路板時盡量減少引線電阻和分布電容以降低測量誤差。在電路設計上要加線性化處理電路及溫濕度補償電路，或借助于單片機系統(tǒng)，由軟件查表等方法進行處理、修正（用軟件實現傳感器的校正補償功能可降低儀器功耗）。如有可能可用標準測量儀進行校準，以提高測量精度。
2 智能微水儀監(jiān)測儀的設計
監(jiān)測儀主要由MSP430單片機、測量轉換、鍵盤顯示、串口通信、電池電源等部分組成。電路中器件很少，功耗較低且功能強大。具體硬件電路原理圖如圖1所示。
2.1 MSP430單片機
單片機系統(tǒng)是監(jiān)測儀的核心，它完成儀器的功能設定、測量對象選擇、信號處理存儲、狀態(tài)信息顯示、數據通訊等功能。相對于MCS51、MCS96及PIC[1]等系列，TI公司帶閃速存儲器的MSP430F系列超低功耗單片機有著很大的優(yōu)勢。MSP430F單片機有多種型號，其功能組合各異，能滿足不同應用場合的要求。本設計采用MSP430F437，它的要特點[2]如下：
·工作電壓低（1.8～3.6V），電流小（280μA/1MHz/活動模式），5種低功耗模式；
·16位RISC架構，27條精簡指令，125ns指令周期；
·豐富的中斷源并可任意嵌套，用中斷請求將系統(tǒng)從備用狀態(tài)喚醒僅需6μs；
·片內看門狗及上電復位電路，可選時鐘源（XTAL1、XTAL2或內部DCO）；
·具有中斷功能的內部比較器A；
·雙向并行I/O口P1和P2（有中斷功能）及P3～P6口，多數口有復用功能；
·兩個16位定時器A、B，均各帶3個比較/捕獲模塊，每個模塊可獨立編程，用于產生定時脈沖，捕獲外部事件；
·片內集成4×32段LCD液晶驅動器，其外部引線復用P3～P5口；
·通用通信模塊UARST0，軟件可選同步/異步方式；
·具有自動循環(huán)采集功能的8通道12位ADC12，自帶采樣保持器和可選電壓基準；
·JTAG接口或片內BOOT ROM使程序下載調試極其簡便，程序代碼由**熔絲保護。
MSP430F437不需加裝存儲器，片內自帶1K字節(jié)RAM及在線可擦除編程32K字節(jié)主Flash+256字節(jié)信息Flash。片內Flash模塊包含3個控制寄存器、時序發(fā)生器、擦除/編程電壓發(fā)生器及Flash存儲器本身。其中主Flash分為每段512字節(jié)的段0～63，信息Flash分為每段128字節(jié)的段A、B。MSP430F437存儲器可放大型數表，有高效的查表處理方法。本監(jiān)測儀安排段0～23為程序代碼區(qū)、段24為LCD顯示字型表、段25～31存放校正和補償表格、段32～63為用戶采集數據保存區(qū)、段A+B存放各類參數。
在電路中，其他主要模塊的功能分配為：16位定時器A的比較/捕獲模塊0實現實現時分秒計時，比較/捕獲模塊1控制A/D采樣周期；16位定時器B可實現PWM輸出，預留作控制口；ADC12用于環(huán)境參數測量；比較器A作電池欠壓監(jiān)測；復用P3～P5口驅動LCD液晶顯示器；通用通信模塊UARST0實現RS485串行通信；預留JTAG接口以方便用戶對儀器更新升級。
2.2 測量轉換
MSP430F437的ADC12轉換模塊具有高速通用的特點，12位的轉換精度保證一般采樣的分辨率要求。它的8個外部模擬采樣通道可任意配置，轉換參考電平VR+和VR-來自內部或外部，也可以是兩者的組合；內嵌的采樣/保持電路給用戶提供了對采樣時序的各種選擇，采樣時序可通過軟件位、3種內部或外部信號來直接控制。ADC12有4種工作模式。可以在單通道上實現單次轉換或多次轉換，序列通道上實現單次轉換或重單次轉換或多次轉換，在序列通道上實現單次轉換或重復轉換。對于序列通道轉換，采樣順序完全由用戶定義。
ADC12轉換結果保存在16個轉換存儲寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM15中。其值如（5）式：
NADC=4096×（Vin-VR-）/(VR+-VR-) （5）
每個存儲寄存器有各自相應的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL15，可用軟件獨立配置采樣通道號及轉換所需參考電平。
本監(jiān)測儀中，各環(huán)境參數傳感器的輸出經U2前置放大后，送入A0～A3模擬輸入端。4路信號的轉換參考電平均取VR+=2.5V和VR-=0V。ADC12工作模式設為序列通道單次轉換，每次轉換由定時器A比較/捕獲模塊1的定時輸出OUT1啟動。序列單次轉換完成后，將置位ADC12中斷請求。
序列通道為ADC12MEM0～ADC12MEM12,對應的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL12中通道重復配置A0～A3。這樣等時間間隔內每個環(huán)境參數可連續(xù)采樣3次，然后在ADC12中斷服務程序內使用中值濾波得到轉換結果。
需要指出的是，ADC12的轉換內核與參考電平發(fā)生器可分別進入省電模式，為低功耗設計提供便利，而且進一步降低功耗、延長傳感元件的使用壽命。測量電路的電源設置為單獨可控，由U3的OUT2輸出供給，并通過單片機的P2.0來切合。
