基于MSP430單片機的小氣候采集系統(tǒng)

摘要：現(xiàn)有的農(nóng)田小氣候要素主要靠人工獲取，耗時費力；現(xiàn)有專業(yè)設(shè)備過于昂貴，不利于組建高密度的觀測網(wǎng)。本系統(tǒng)是基于MSP430的小氣候采集系統(tǒng)，精度高，超低功耗，可以在設(shè)備自身供電的條件下長時間在野外測量數(shù)據(jù)。且由于設(shè)備成本較低，可以利用多個設(shè)備組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，并通過終端設(shè)備遠程設(shè)定采樣頻率，從而對某一區(qū)域的土壤溫濕度，空氣溫濕度，光照強度等信息做詳細的記錄。
關(guān)鍵詞：MSP430；傳感器；農(nóng)業(yè)信息采集；無線傳輸

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
基本電路由MSP430F149單片機驅(qū)動外圍的傳感器設(shè)備，土壤溫濕度傳感器(5TM)、空氣溫濕度傳感器(SHT11)、光強度傳感器(S1087)分別負責(zé)采集土壤溫濕度、空氣溫濕度和光強度，可根據(jù)預(yù)設(shè)時間對數(shù)據(jù)進行存儲，并可通過存儲集中傳輸?shù)哪Ｊ接缮漕l傳輸模塊進行數(shù)據(jù)的遠距離的傳輸。由于所采用的傳感器響應(yīng)時間短，可作為便攜式手持設(shè)備使用，從而大大提高測量速度，提高測量效率。

2 硬件部分
溫濕度傳感器SHT11：SHT11傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專業(yè)的工業(yè)CMOS過程微加工技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越長期的穩(wěn)定性。測濕精度±3．0[％RH]，測溫精度±0．4[℃]在25℃。傳感器包含一個電容式聚合體測濕原件和一個隙式測溫原件并與一個14位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。此產(chǎn)品具有超快響應(yīng)，抗干擾能力強，性價比高等優(yōu)點，每個SHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗試中進行校準(zhǔn)。數(shù)字信號的整個傳輸過程由CRC-8校驗，任何錯誤數(shù)據(jù)將被檢測到并清除。SCK接P1．4口，為串行時鐘輸入引腳，用于微MCU與SHT11之間的通訊同步。SDL接P1．5口，用于數(shù)據(jù)的讀取，在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。
5TM土壤溫濕度傳感器：利用水分是決定土壤介電常數(shù)的主要因素這一特點，通過測量土壤的介電常數(shù)并通過公式來精確得出土壤的真實濕度，另外為了更加準(zhǔn)確地反應(yīng)所測對象的濕度，5TM對國際上慣用的經(jīng)典算法進行了改進，提供了面向不同測量對象的算法供用戶調(diào)用，從而大幅地提高了所測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。靜態(tài)工作電流0．3mA，測量電流10mA，測量時間150ms，保證了設(shè)備快速測量和低功耗的特性。工作頻率70MHz，測量時OUT接P5．1口，向單片機傳送數(shù)據(jù)，VCC和GND分別接電源端和地端。測量濕度托普方程精度為±0．03m／m(±3％VWC)，采用修正后的方程精度可達(±1％～2％VWC)。溫度測量在-40℃～50℃時分辨率0．1℃，精度可達±1℃。

硅光電池：硅光電池S1133是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個大面積的PN結(jié)，當(dāng)二極管的管芯(PN結(jié))受到光照時，由光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生回路電流。由于硅光電池的PN結(jié)面積比二極管的PN結(jié)大得多，所以受到光照時產(chǎn)生的電動勢和電流也大得多。利用光伏效應(yīng)可以將光強度的變化量通過電流變化的線性關(guān)系反映出來，再通過放大電路將信號進行放大，依據(jù)他們之間的線性關(guān)系測得光強度。
K9F1G08U1A外部存儲芯片：由于單片機的存儲資源有限，為了能有效地存儲大量的數(shù)據(jù)，此處使用了Samsung公司推出的K9F1G08U1A外部存儲器件來擴展設(shè)備的存儲容量。NAND FLASH芯片具有ROM存儲器的特點，在斷電的情況下仍可以長時間保存數(shù)據(jù)。電源電壓2．7V～3．6V，與MSP430F149一致，低功耗，容量可達128M×8Bit，K9F1G080M芯片提供了一根狀態(tài)指示信號線R／B接P4．5，該信號為低電平時，表示FLASH可能正處于編程、擦除或讀操作狀態(tài)；為高電平時，則表示為準(zhǔn)備好狀態(tài)。NANDFLASH存儲器將數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8條線，另外還提供了命令控制信號線。因此，NAND FLASH存儲器不會因為存儲容量的增加而增加引腳數(shù)目。本系統(tǒng)中，K9F1G08U0M的數(shù)據(jù)輸入輸出口與單片機的P 2端口相連。片選信號與單片機的P 2．4相連，CLE(命令鎖存控制端)、ALE(地址鎖存控制端)、RE(讀操作控制端)、WE(寫操作控制端)分別通
過控制單片機P4．1、P4．2、P4．3、P4．4引腳的電平，決定對FLASH進行控制字操作、地址操作、寫操作還是讀操作。在此不須使用寫保護功能，所以接高電平。