專利名稱：便攜式環(huán)境參數(shù)采集儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，可用于多領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯臄?shù)字信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)、頻率信號(hào)的采集測(cè)量與計(jì)算。
背景技術(shù)：
目前對(duì)環(huán)境參數(shù)的測(cè)量的便攜式儀器在使用中有如下問題1、功能單一，只能對(duì)一種或兩種參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，在外出測(cè)量研究時(shí)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(cè)量多參數(shù)的儀器大都引進(jìn)自外國(guó)，價(jià)格昂貴，成本很高，不利于推廣。4、連接的傳感器數(shù)量，種類固定，無法根據(jù)用戶的需求進(jìn)行調(diào)整。5、沒有無線傳輸功能，不可以與上位機(jī)進(jìn)行無線通訊，和遠(yuǎn)程控制測(cè)量。6、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量少，很多沒有數(shù)據(jù)保存功能，只能實(shí)時(shí)采集顯示，不能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)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(zhǎng)電池工作時(shí)間，同時(shí)工作測(cè)量時(shí)耗電量大，不能及時(shí)關(guān)閉不使用的功能。8、沒有自動(dòng)喚醒功能，進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的，是推出一種具有通用數(shù)字模擬信號(hào)采集口，能夠根據(jù)不同需要對(duì)傳感器進(jìn)行更換，同時(shí)對(duì)多種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，具有有線和無線傳輸功能，能方便的與PC機(jī)通訊，遠(yuǎn)程控制。能夠自動(dòng)喚醒自動(dòng)測(cè)量，具有32KB以上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(zhǎng)的工作時(shí)間的便攜式環(huán)境參數(shù)采集儀。
便攜式環(huán)境參數(shù)采集儀由塑料儀器盒(1)、表面貼膜(2)、按鍵卡座(3)、導(dǎo)電橡膠按鍵(4)、無線接口(5)、通用接口轉(zhuǎn)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(shù)字模擬信號(hào)采集口(13)、主控制電路板(14)、由MSP430F149單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)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(guān)(20)、三節(jié)5號(hào)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(dǎo)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(zhuǎn)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(jī)及其外圍電路構(gòu)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(nèi)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(duì)應(yīng)，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(duì)應(yīng)的接口相連；通用數(shù)字模擬信號(hào)采集口(13)與通用接口轉(zhuǎn)接口(6)焊接，以接受外界數(shù)據(jù)；電源開關(guān)(20)、三節(jié)5號(hào)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(huán)境參數(shù)采集儀的主控制電路部分由單片機(jī)MSP430F149、時(shí)鐘芯片PCF8556、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器鐵存儲(chǔ)器FM25L256、LCD液晶顯示LCM067、MAX3221擴(kuò)展的RS232接口、線性電源NCP500SN33輸出3.3V電壓，升壓開關(guān)電源芯片NCP1400ASN50T1提供5V電壓、電平轉(zhuǎn)換器件74LVC4248、多路開關(guān)CD74HC4051、模擬開關(guān)MAX4599、運(yùn)算放大器OPA2348和為時(shí)鐘芯片單獨(dú)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(nèi)部的軟件作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，鐵存儲(chǔ)器與單片機(jī)的同步串口(SPI)1相接，RS232網(wǎng)絡(luò)接口通過擴(kuò)展芯片連接在MSP430F149異步串口(UART)1上，無線模塊則接單片機(jī)的異步串口2，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器件74LVC4245連到MSP430F149上，模擬信號(hào)經(jīng)過多路開關(guān)CD74HC4051接到模擬開關(guān)MAX4599至運(yùn)算放大器，最后接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)和外接傳感器提供電源。(見圖4)單片機(jī)選用德州儀器(TI)的超低功耗單片機(jī)MSP430F149，片內(nèi)有60KFlash，有足夠的編程空間，并且可以存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)；有兩個(gè)全雙工的異步串行接口，串口1使用MAX3221擴(kuò)展成RS232接口，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，串口2與無線模塊相連，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸；有12位A/D轉(zhuǎn)換器，可以對(duì)采集的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；單片機(jī)內(nèi)部的比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓的監(jiān)控；其內(nèi)部的捕獲比較計(jì)時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的測(cè)量。鐵存儲(chǔ)器FM25L256實(shí)現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，功耗低，可擦寫次數(shù)高達(dá)億次。實(shí)時(shí)時(shí)鐘PCF8563為系統(tǒng)提供了時(shí)間基準(zhǔn)，可以跟據(jù)設(shè)置值采集數(shù)據(jù)定時(shí)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)也能喚醒單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)采集。74LVC4245用來對(duì)5V系統(tǒng)與3V系統(tǒng)之間電平裝換，使數(shù)字采集接口可以同時(shí)處理3.3V和5V供電的傳感器的數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過多路開關(guān)CD74HC4051切換后進(jìn)入由模擬開關(guān)MAX4599和運(yùn)算放大器OPA2348來切換放大倍數(shù)，最后送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換輸入口。通過通用數(shù)字接口和模擬接口接入不同的傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換。人機(jī)界面通過液晶LCM067、5×4快速按鍵來設(shè)置時(shí)間，程序調(diào)用，參數(shù)設(shè)置，采集數(shù)據(jù)顯示，顯示電源狀況等。采用三節(jié)5號(hào)電池供電，通過線性電源NCP500SN33提供3.3V電壓，升壓開關(guān)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(shí)可以關(guān)閉芯片進(jìn)入低功耗模式，從而達(dá)到延長(zhǎng)電池供電時(shí)間。
本實(shí)用新型的有益效果1.可以根據(jù)需要隨時(shí)更換傳感器，可以同時(shí)對(duì)多種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。
2.可以接受處理數(shù)字信號(hào)，頻率信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)(電壓信號(hào)0～5V，1～10V，電流信號(hào)4～20mA，0～10mA)。
3.采用RS232和無線模塊來進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，無線模塊傳輸距離可達(dá)300米，可以實(shí)現(xiàn)短距離遠(yuǎn)程控制。
4.單片機(jī)的Flash存儲(chǔ)器和外擴(kuò)鐵存儲(chǔ)器可以用來存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。
5.具有時(shí)鐘喚醒功能和自動(dòng)采集功能。
6.采用低功耗設(shè)計(jì)，具有電源監(jiān)控功能，工作時(shí)間長(zhǎng)。


圖1是本實(shí)用新型的實(shí)物結(jié)構(gòu)正視示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的實(shí)物結(jié)構(gòu)側(cè)視示意圖。
圖3是無線模塊示意圖。
圖4是本實(shí)用新型的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是本實(shí)用新型的原理圖具體實(shí)施方式
便攜式環(huán)境參數(shù)采集儀由塑料儀器盒(1)、表面貼膜(2)、按鍵卡座(3)、導(dǎo)電橡膠按鍵(4)、無線接口(5)、通用接口轉(zhuǎn)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(shù)字模擬信號(hào)采集口(13)、主控制電路板(14)、由MSP430F149單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)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(guān)(20)、三節(jié)5號(hào)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(dǎo)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(zhuǎn)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(jī)及其外圍電路構(gòu)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(nèi)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(duì)應(yīng)，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(duì)應(yīng)的接口相連；通用數(shù)字模擬信號(hào)采集口(13)與通用接口轉(zhuǎn)接口(6)焊接，以接受外界數(shù)據(jù)；電源開關(guān)(20)、三節(jié)5號(hào)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(huán)境參數(shù)采集儀的主控制電路部分由單片機(jī)MSP430F149、時(shí)鐘芯片PCF8556、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器鐵存儲(chǔ)器FM25L256、LCD液晶顯示LCM067、MAX3221擴(kuò)展的RS232接口、線性電源NCP500SN33輸出3.3V電壓，升壓開關(guān)電源芯片NCP1400ASN50T1提供5V電壓、電平轉(zhuǎn)換器件74LVC4248、多路開關(guān)CD74HC4051、模擬開關(guān)MAX4599、運(yùn)算放大器OPA2348和為時(shí)鐘芯片單獨(dú)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(nèi)部的軟件作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，鐵存儲(chǔ)器與單片機(jī)的同步串口(SPI)1相接，RS232網(wǎng)絡(luò)接口通過擴(kuò)展芯片連接在MSP430F149異步串口(UART)1上，無線模塊則接單片機(jī)的異步串口2，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器件74LVC4245連到MSP430F149上，模擬信號(hào)經(jīng)過多路開關(guān)CD74HC4051接到模擬開關(guān)MAX4599至運(yùn)算放大器，最后接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)和外接傳感器提供電源。(見圖4)單片機(jī)選用德州儀器(TI)的超低功耗單片機(jī)MSP430F149，片內(nèi)有60KFlash，有足夠的編程空間，并且可以存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)；有兩個(gè)全雙工的異步串行接口，串口1使用MAX3221擴(kuò)展成RS232接口，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，串口2與無線模塊相連，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸；有12位A/D轉(zhuǎn)換器，可以對(duì)采集的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；單片機(jī)內(nèi)部的比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電壓的監(jiān)控；其內(nèi)部的捕獲比較計(jì)時(shí)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的測(cè)量。鐵存儲(chǔ)器FM25L256實(shí)現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，功耗低，可擦寫次數(shù)高達(dá)億次。實(shí)時(shí)時(shí)鐘PCF8563為系統(tǒng)提供了時(shí)間基準(zhǔn)，可以跟據(jù)設(shè)置值采集數(shù)據(jù)定時(shí)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，同時(shí)也能喚醒單片機(jī)進(jìn)行自動(dòng)采集。74LVC4245用來對(duì)5V系統(tǒng)與3V系統(tǒng)之間電平裝換，使數(shù)字采集接口可以同時(shí)處理3.3V和5V供電的傳感器的數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過多路開關(guān)CD74HC4051切換后進(jìn)入由模擬開關(guān)MAX4599和運(yùn)算放大器OPA2348來切換放大倍數(shù)，最后送入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換輸入口。通過通用數(shù)字接口和模擬接口接入不同的傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換。人機(jī)界面通過液晶LCM067、5×4快速按鍵來設(shè)置時(shí)間，程序調(diào)用，參數(shù)設(shè)置，采集數(shù)據(jù)顯示，顯示電源狀況等。采用三節(jié)5號(hào)電池供電，通過線性電源NCP500SN33提供3.3V電壓，升壓開關(guān)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(shí)可以關(guān)閉芯片進(jìn)入低功耗模式，從而達(dá)到延長(zhǎng)電池供電時(shí)間。
采用三節(jié)5號(hào)電池經(jīng)過電源處理模塊(9)、電源開關(guān)(20)給系統(tǒng)供電，使MSP430F149上電復(fù)位，同時(shí)也為外接傳感器供電。線性電源為系統(tǒng)及無線模塊提供3.3V電源，升壓開關(guān)電源為電平轉(zhuǎn)換，和外界提供5V電壓。
由LCD液晶顯示LCM067(12)、導(dǎo)電橡膠按鍵(4)組成的人機(jī)界面。通過人機(jī)界面可以完成系統(tǒng)日期和時(shí)間、連接傳感器參數(shù)、連接通道、采集模式、存儲(chǔ)間隔等各種參數(shù)的設(shè)置。設(shè)置完成后采集的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時(shí)間可以在液晶上滾動(dòng)顯示。
無線模塊接口是由MSP430F149控制無線收發(fā)芯片nRF401組成，通過無線收發(fā)芯片將系統(tǒng)打包后的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的時(shí)序通過串口進(jìn)行傳輸。
通過RS232口可以直接與PC機(jī)相連，通過上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和分析。
通用數(shù)字模擬信號(hào)采集口(13)可以連接不同的傳感器，對(duì)數(shù)字信號(hào)，頻率信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)進(jìn)行采集。
由MSP430F149單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成的控制模塊(15)，包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、電平轉(zhuǎn)換電路、多路選擇則，模擬開關(guān)電路、放大電路等。作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，它控制各部分電路完成參數(shù)的設(shè)置、傳感器數(shù)據(jù)的讀取轉(zhuǎn)換、時(shí)間和日期的讀取判別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、有線，無線通訊等任務(wù)。
權(quán)利要求1.便攜式環(huán)境參數(shù)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(dǎo)電橡膠按鍵(4)、無線接口(5)、通用接口轉(zhuǎn)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(shù)字模擬信號(hào)采集口(13)、主控制電路板(14)、由MSP430F149單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)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(guān)(20)、三節(jié)5號(hào)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(dǎo)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(zhuǎn)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(jī)及其外圍電路構(gòu)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(nèi)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(duì)應(yīng)，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(duì)應(yīng)的接口相連；通用數(shù)字模擬信號(hào)采集口(13)與通用接口轉(zhuǎn)接口(6)焊接，以接受外界數(shù)據(jù)；電源開關(guān)(20)、三節(jié)5號(hào)電池及電池座(21)安裝在塑料儀器盒(1)的背部。
2.如權(quán)利要求1所述的便攜式環(huán)境參數(shù)采集儀，其特征在于電路部分的主控制電路由單片機(jī)MSP430F149、時(shí)鐘芯片PCF8563、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器鐵存儲(chǔ)器FM25L256、LCD液晶顯示LCM067、MAX3221擴(kuò)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(guān)電源芯片NCP1400ASN50T1、電平轉(zhuǎn)換器件74LVC4248、多路開關(guān)CD74HC4051、模擬開關(guān)MAX4599、運(yùn)算放大器OPA2348和為時(shí)鐘芯片單獨(dú)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(nèi)部的軟件作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，鐵存儲(chǔ)器與單片機(jī)的同步串口SPI 1相接，RS232網(wǎng)絡(luò)接口通過擴(kuò)展芯片連接在MSP430F149異步串口UART 1上，無線模塊則接單片機(jī)的異步串口2，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換器件74LVC4245連到MSP430F149上，模擬信號(hào)經(jīng)過多路開關(guān)CD74HC4051接到模擬開關(guān)MAX4599至運(yùn)算放大器，最后接到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)和外接傳感器提供電源。
專利摘要本實(shí)用新型屬測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，便攜式環(huán)境參數(shù)采集儀，包括有塑料儀器盒(1)、表面貼膜(2)、按鍵卡座(3)、導(dǎo)電橡膠按鍵(4)、無線接口(5)、通用接口轉(zhuǎn)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(shù)字模擬信號(hào)采集口(13)、主控制電路板(14)、由MSP43OF149單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)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(guān)(20)、三節(jié)5號(hào)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(lǐng)域?qū)鞲衅鞯臄?shù)字信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)、頻率信號(hào)的采集測(cè)量與計(jì)算。
文檔編號(hào)G01D21/02GK2775765SQ20042011583
公開日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2004年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月30日
發(fā)明者王成, 趙春江, 喬曉軍, 楊寶祝, 張馨, 焦春巖 申請(qǐng)人:北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心