專利名稱：便攜式環境參數采集儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬測量儀器領域，可用于多領域對傳感器的數字信號、標準模擬信號、頻率信號的采集測量與計算。
背景技術：
目前對環境參數的測量的便攜式儀器在使用中有如下問題1、功能單一，只能對一種或兩種參數進行測量，在外出測量研究時造成不便。2、使用傳感器固定，不易更換，其使用壽命有限。3、能夠測量多參數的儀器大都引進自外國，價格昂貴，成本很高，不利于推廣。4、連接的傳感器數量，種類固定，無法根據用戶的需求進行調整。5、沒有無線傳輸功能，不可以與上位機進行無線通訊，和遠程控制測量。6、存儲數據量少，很多沒有數據保存功能，只能實時采集顯示，不能存儲數據以便研究。7、在電源處理上，電池使用效率比較低，沒能充分延長電池工作時間，同時工作測量時耗電量大，不能及時關閉不使用的功能。8、沒有自動喚醒功能，進行自動測量。
發明內容
本實用新型的目的，是推出一種具有通用數字模擬信號采集口，能夠根據不同需要對傳感器進行更換，同時對多種環境參數進行測量，具有有線和無線傳輸功能，能方便的與PC機通訊，遠程控制。能夠自動喚醒自動測量，具有32KB以上的數據存儲空間，采用專用的電源處理模塊，有效的電源支配功能，具有比較長的工作時間的便攜式環境參數采集儀。
便攜式環境參數采集儀由塑料儀器盒(1)、表面貼膜(2)、按鍵卡座(3)、導電橡膠按鍵(4)、無線接口(5)、通用接口轉接口(6)、鍵盤接口(7)、液晶顯示接口(8)、電源處理模塊(9)、JTAG接口(10)、RS232通訊接口電路(11)、LCD液晶顯示LCM067(12)、通用數字模擬信號采集口(13)、主控制電路板(14)、由MSP430F149單片機及其外圍電路構成的控制模塊(15)、鈕扣電池(16)、天線(17)、無線模塊電路板(18)、電路板，儀器盒固定口及螺絲(19)、電源開關(20)、三節5號電池及電池座(21)、按鍵電路板(22)、無線模塊核心電路(23)共同組成；表面貼膜(2)、按鍵卡座(3)、導電橡膠按鍵(4)、按鍵電路板(22)組裝成塑料儀器盒(1)的上表面；無線接口(5)、通用接口轉接口(6)、鍵盤接口(7)、液晶顯示接口(8)、電源處理模塊(9)、JTAG接口(10)、RS232通訊接口電路(11)、由MSP430F149單片機及其外圍電路構成的控制模塊(15)、鈕扣電池(16)焊接在主控制電路板(14)上，主控制電路板(14)用螺絲固定在塑料儀器盒(1)的內部，LCD液晶顯示LCM067(12)卡在塑料儀器盒(1)的上部顯示口與貼膜的透明部分對應，天線(17)、無線模塊電路板(18)粘在塑料儀器盒(1)的上部，LCD液晶顯示LCM067(12)的下面；無線模塊電路板(18)、LCD液晶顯示LCM067(12)、按鍵電路板(22)通過電纜與主控制電路板(14)的對應的接口相連；通用數字模擬信號采集口(13)與通用接口轉接口(6)焊接，以接受外界數據；電源開關(20)、三節5號電池及電池座(21)安裝在塑料儀器盒(1)的背部(見圖1，2，3)。
便攜式環境參數采集儀的主控制電路部分由單片機MSP430F149、時鐘芯片PCF8556、數據存儲器鐵存儲器FM25L256、LCD液晶顯示LCM067、MAX3221擴展的RS232接口、線性電源NCP500SN33輸出3.3V電壓，升壓開關電源芯片NCP1400ASN50T1提供5V電壓、電平轉換器件74LVC4248、多路開關CD74HC4051、模擬開關MAX4599、運算放大器OPA2348和為時鐘芯片單獨供電的鈕扣電池共同組成；無線模塊由芯片nRF401、增益天線、天線接口組成；MSP430F149及其內部的軟件作為整個系統的控制核心，鐵存儲器與單片機的同步串口(SPI)1相接，RS232網絡接口通過擴展芯片連接在MSP430F149異步串口(UART)1上，無線模塊則接單片機的異步串口2，數字信號經過電平轉換器件74LVC4245連到MSP430F149上，模擬信號經過多路開關CD74HC4051接到模擬開關MAX4599至運算放大器，最后接到單片機的A/D轉換輸入口，其他的芯片的控制通訊口都直接與MSP430F149相連。NCP500SN33和NCP1400ASN50T1為系統和外接傳感器提供電源。(見圖4)單片機選用德州儀器(TI)的超低功耗單片機MSP430F149，片內有60KFlash，有足夠的編程空間，并且可以存儲采集數據；有兩個全雙工的異步串行接口，串口1使用MAX3221擴展成RS232接口，實現與PC機的數據傳輸，串口2與無線模塊相連，實現無線數據傳輸；有12位A/D轉換器，可以對采集的模擬數據進行轉換；單片機內部的比較器實現對電池電壓的監控；其內部的捕獲比較計時器可以實現對頻率的測量。鐵存儲器FM25L256實現了高速的數據存儲，功耗低，可擦寫次數高達億次。實時時鐘PCF8563為系統提供了時間基準，可以跟據設置值采集數據定時存入數據存儲器，同時也能喚醒單片機進行自動采集。74LVC4245用來對5V系統與3V系統之間電平裝換，使數字采集接口可以同時處理3.3V和5V供電的傳感器的數字信號。模擬信號經過多路開關CD74HC4051切換后進入由模擬開關MAX4599和運算放大器OPA2348來切換放大倍數，最后送入單片機的A/D轉換輸入口。通過通用數字接口和模擬接口接入不同的傳感器，進行數據采集與轉換。人機界面通過液晶LCM067、5×4快速按鍵來設置時間，程序調用，參數設置，采集數據顯示，顯示電源狀況等。采用三節5號電池供電，通過線性電源NCP500SN33提供3.3V電壓，升壓開關電源芯片NCP1400ASN50T1提供5V電壓。芯片選用3.3V供電的低功耗芯片，在不使用時可以關閉芯片進入低功耗模式，從而達到延長電池供電時間。
本實用新型的有益效果1.可以根據需要隨時更換傳感器，可以同時對多種環境參數進行測量。
2.可以接受處理數字信號，頻率信號，標準模擬信號(電壓信號0～5V，1～10V，電流信號4～20mA，0～10mA)。
3.采用RS232和無線模塊來進行傳輸數據，無線模塊傳輸距離可達300米，可以實現短距離遠程控制。
4.單片機的Flash存儲器和外擴鐵存儲器可以用來存儲采集數據。
5.具有時鐘喚醒功能和自動采集功能。
6.采用低功耗設計，具有電源監控功能，工作時間長。
圖1是本實用新型的實物結構正視示意圖。
圖2是本實用新型的實物結構側視示意圖。
圖3是無線模塊示意圖。
圖4是本實用新型的系統組成結構示意圖。
圖5是本實用新型的原理圖具體實施方式
便攜式環境參數采集儀由塑料儀器盒(1)、表面貼膜(2)、按鍵卡座(3)、導電橡膠按鍵(4)、無線接口(5)、通用接口轉接口(6)、鍵盤接口(7)、液晶顯示接口(8)、電源處理模塊(9)、JTAG接口(10)、RS232通訊接口電路(11)、LCD液晶顯示LCM067(12)、通用數字模擬信號采集口(13)、主控制電路板(14)、由MSP430F149單片機及其外圍電路構成的控制模塊(15)、鈕扣電池(16)、天線(17)、無線模塊電路板(18)、電路板，儀器盒固定口及螺絲(19)、電源開關(20)、三節5號電池及電池座(21)、按鍵電路板(22)、無線模塊核心電路(23)共同組成；表面貼膜(2)、按鍵卡座(3)、導電橡膠按鍵(4)、按鍵電路板(22)組裝成塑料儀器盒(1)的上表面；無線接口(5)、通用接口轉接口(6)、鍵盤接口(7)、液晶顯示接口(8)、電源處理模塊(9)、JTAG接口(10)、RS232通訊接口電路(11)、由MSP430F149單片機及其外圍電路構成的控制模塊(15)、鈕扣電池(16)焊接在主控制電路板(14)上，主控制電路板(14)用螺絲固定在塑料儀器盒(1)的內部，LCD液晶顯示LCM067(12)卡在塑料儀器盒(1)的上部顯示口與貼膜的透明部分對應，天線(17)、無線模塊電路板(18)粘在塑料儀器盒(1)的上部，LCD液晶顯示LCM067(12)的下面；無線模塊電路板(18)、LCD液晶顯示LCM067(12)、按鍵電路板(22)通過電纜與主控制電路板(14)的對應的接口相連；通用數字模擬信號采集口(13)與通用接口轉接口(6)焊接，以接受外界數據；電源開關(20)、三節5號電池及電池座(21)安裝在塑料儀器盒(1)的背部(見圖1，2，3)。
便攜式環境參數采集儀的主控制電路部分由單片機MSP430F149、時鐘芯片PCF8556、數據存儲器鐵存儲器FM25L256、LCD液晶顯示LCM067、MAX3221擴展的RS232接口、線性電源NCP500SN33輸出3.3V電壓，升壓開關電源芯片NCP1400ASN50T1提供5V電壓、電平轉換器件74LVC4248、多路開關CD74HC4051、模擬開關MAX4599、運算放大器OPA2348和為時鐘芯片單獨供電的鈕扣電池共同組成；無線模塊由芯片nRF401、增益天線、天線接口組成；MSP430F149及其內部的軟件作為整個系統的控制核心，鐵存儲器與單片機的同步串口(SPI)1相接，RS232網絡接口通過擴展芯片連接在MSP430F149異步串口(UART)1上，無線模塊則接單片機的異步串口2，數字信號經過電平轉換器件74LVC4245連到MSP430F149上，模擬信號經過多路開關CD74HC4051接到模擬開關MAX4599至運算放大器，最后接到單片機的A/D轉換輸入口，其他的芯片的控制通訊口都直接與MSP430F149相連。NCP500SN33和NCP1400ASN50T1為系統和外接傳感器提供電源。(見圖4)單片機選用德州儀器(TI)的超低功耗單片機MSP430F149，片內有60KFlash，有足夠的編程空間，并且可以存儲采集數據；有兩個全雙工的異步串行接口，串口1使用MAX3221擴展成RS232接口，實現與PC機的數據傳輸，串口2與無線模塊相連，實現無線數據傳輸；有12位A/D轉換器，可以對采集的模擬數據進行轉換；單片機內部的比較器實現對電池電壓的監控；其內部的捕獲比較計時器可以實現對頻率的測量。鐵存儲器FM25L256實現了高速的數據存儲，功耗低，可擦寫次數高達億次。實時時鐘PCF8563為系統提供了時間基準，可以跟據設置值采集數據定時存入數據存儲器，同時也能喚醒單片機進行自動采集。74LVC4245用來對5V系統與3V系統之間電平裝換，使數字采集接口可以同時處理3.3V和5V供電的傳感器的數字信號。模擬信號經過多路開關CD74HC4051切換后進入由模擬開關MAX4599和運算放大器OPA2348來切換放大倍數，最后送入單片機的A/D轉換輸入口。通過通用數字接口和模擬接口接入不同的傳感器，進行數據采集與轉換。人機界面通過液晶LCM067、5×4快速按鍵來設置時間，程序調用，參數設置，采集數據顯示，顯示電源狀況等。采用三節5號電池供電，通過線性電源NCP500SN33提供3.3V電壓，升壓開關電源芯片NCP1400ASN50T1提供5V電壓。芯片選用3.3V供電的低功耗芯片，在不使用時可以關閉芯片進入低功耗模式，從而達到延長電池供電時間。
采用三節5號電池經過電源處理模塊(9)、電源開關(20)給系統供電，使MSP430F149上電復位，同時也為外接傳感器供電。線性電源為系統及無線模塊提供3.3V電源，升壓開關電源為電平轉換，和外界提供5V電壓。
由LCD液晶顯示LCM067(12)、導電橡膠按鍵(4)組成的人機界面。通過人機界面可以完成系統日期和時間、連接傳感器參數、連接通道、采集模式、存儲間隔等各種參數的設置。設置完成后采集的數據和系統時間可以在液晶上滾動顯示。
無線模塊接口是由MSP430F149控制無線收發芯片nRF401組成，通過無線收發芯片將系統打包后的數據經過一定的時序通過串口進行傳輸。
通過RS232口可以直接與PC機相連，通過上位機軟件進行數據傳輸和分析。
通用數字模擬信號采集口(13)可以連接不同的傳感器，對數字信號，頻率信號，標準模擬信號進行采集。
由MSP430F149單片機及其外圍電路構成的控制模塊(15)，包括實時時鐘電路、數據存儲電路、電平轉換電路、多路選擇則，模擬開關電路、放大電路等。作為整個系統的控制核心，它控制各部分電路完成參數的設置、傳感器數據的讀取轉換、時間和日期的讀取判別、數據存儲、有線，無線通訊等任務。
權利要求1.便攜式環境參數采集儀，其特征是由由塑料儀器盒(1)、表面貼膜(2)、按鍵卡座(3)、導電橡膠按鍵(4)、無線接口(5)、通用接口轉接口(6)、鍵盤接口(7)、液晶顯示接口(8)、電源處理模塊(9)、JTAG接口(10)、RS232通訊接口電路(11)、LCD液晶顯示LCM067(12)、通用數字模擬信號采集口(13)、主控制電路板(14)、由MSP430F149單片機及其外圍電路構成的控制模塊(15)、鈕扣電池(16)、天線(17)、無線模塊電路板(18)、電路板，儀器盒固定口及螺絲(19)、電源開關(20)、三節5號電池及電池座(21)、按鍵電路板(22)、無線模塊核心電路(23)共同組成；表面貼膜(2)、按鍵卡座(3)、導電橡膠按鍵(4)、按鍵電路板(22)組裝成塑料儀器盒(1)的上表面；無線接口(5)、通用接口轉接口(6)、鍵盤接口(7)、液晶顯示接口(8)、電源處理模塊(9)、JTAG接口(10)、RS232通訊接口電路(11)、由MSP430F149單片機及其外圍電路構成的控制模塊(15)、鈕扣電池(16)焊接在主控制電路板(14)上，主控制電路板(14)用螺絲固定在塑料儀器盒(1)的內部，LCD液晶顯示LCM067(12)卡在塑料儀器盒(1)的上部顯示口與貼膜的透明部分對應，天線(17)、無線模塊電路板(18)粘在塑料儀器盒(1)的上部，LCD液晶顯示LCM067(12)的下面；無線模塊電路板(18)、LCD液晶顯示LCM067(12)、按鍵電路板(22)通過電纜與主控制電路板(14)的對應的接口相連；通用數字模擬信號采集口(13)與通用接口轉接口(6)焊接，以接受外界數據；電源開關(20)、三節5號電池及電池座(21)安裝在塑料儀器盒(1)的背部。
2.如權利要求1所述的便攜式環境參數采集儀，其特征在于電路部分的主控制電路由單片機MSP430F149、時鐘芯片PCF8563、數據存儲器鐵存儲器FM25L256、LCD液晶顯示LCM067、MAX3221擴展的RS232接口、輸出3.3V電壓的線性電源NCP500SN33、提供5V電壓的升壓開關電源芯片NCP1400ASN50T1、電平轉換器件74LVC4248、多路開關CD74HC4051、模擬開關MAX4599、運算放大器OPA2348和為時鐘芯片單獨供電的鈕扣電池共同組成；無線模塊由芯片nRF401、增益天線、天線接口組成；MSP430F149及其內部的軟件作為整個系統的控制核心，鐵存儲器與單片機的同步串口SPI 1相接，RS232網絡接口通過擴展芯片連接在MSP430F149異步串口UART 1上，無線模塊則接單片機的異步串口2，數字信號經過電平轉換器件74LVC4245連到MSP430F149上，模擬信號經過多路開關CD74HC4051接到模擬開關MAX4599至運算放大器，最后接到單片機的A/D轉換輸入口，其他的芯片的控制通訊口都直接與MSP430F149相連，NCP500SN33和NCP1400ASN50T1為系統和外接傳感器提供電源。
專利摘要本實用新型屬測量儀器領域，便攜式環境參數采集儀，包括有塑料儀器盒(1)、表面貼膜(2)、按鍵卡座(3)、導電橡膠按鍵(4)、無線接口(5)、通用接口轉接口(6)、鍵盤接口(7)、液晶顯示接口(8)、電源處理模塊(9)、JTAG接口(10)、RS232通訊接口電路(11)、LCD液晶顯示LCMO67(12)、通用數字模擬信號采集口(13)、主控制電路板(14)、由MSP43OF149單片機及其外圍電路構成的控制模塊(15)、鈕扣電池(16)、天線(17)、無線模塊電路板(18)、電路板，儀器盒固定口及螺絲(19)、電源開關(20)、三節5號電池及電池座(21)、按鍵電路板(22)、無線模塊核心電路(23)共同組成，可用于多領域對傳感器的數字信號、標準模擬信號、頻率信號的采集測量與計算。
文檔編號G01D21/02GK2775765SQ20042011583
公開日2006年4月26日 申請日期2004年11月30日 優先權日2004年11月30日
發明者王成, 趙春江, 喬曉軍, 楊寶祝, 張馨, 焦春巖 申請人:北京農業信息技術研究中心