专利名称：便携式环境参数采集仪的制作方法
技术领域：
本实用新型属测量仪器领域，可用于多领域对传感器的数字信号、标准模拟信号、频率信号的采集测量与计算。
背景技术：
目前对环境参数的测量的便携式仪器在使用中有如下问题1、功能单一，只能对一种或两种参数进行测量，在外出测量研究时造成不便。2、使用传感器固定，不易更换，其使用寿命有限。3、能够测量多参数的仪器大都引进自外国，价格昂贵，成本很高，不利于推广。4、连接的传感器数量，种类固定，无法根据用户的需求进行调整。5、没有无线传输功能，不可以与上位机进行无线通讯，和远程控制测量。6、存储数据量少，很多没有数据保存功能，只能实时采集显示，不能存储数据以便研究。7、在电源处理上，电池使用效率比较低，没能充分延长电池工作时间，同时工作测量时耗电量大，不能及时关闭不使用的功能。8、没有自动唤醒功能，进行自动测量。
发明内容
本实用新型的目的，是推出一种具有通用数字模拟信号采集口，能够根据不同需要对传感器进行更换，同时对多种环境参数进行测量，具有有线和无线传输功能，能方便的与PC机通讯，远程控制。能够自动唤醒自动测量，具有32KB以上的数据存储空间，采用专用的电源处理模块，有效的电源支配功能，具有比较长的工作时间的便携式环境参数采集仪。
便携式环境参数采集仪由塑料仪器盒(1)、表面贴膜(2)、按键卡座(3)、导电橡胶按键(4)、无线接口(5)、通用接口转接口(6)、键盘接口(7)、液晶显示接口(8)、电源处理模块(9)、JTAG接口(10)、RS232通讯接口电路(11)、LCD液晶显示LCM067(12)、通用数字模拟信号采集口(13)、主控制电路板(14)、由MSP430F149单片机及其外围电路构成的控制模块(15)、钮扣电池(16)、天线(17)、无线模块电路板(18)、电路板，仪器盒固定口及螺丝(19)、电源开关(20)、三节5号电池及电池座(21)、按键电路板(22)、无线模块核心电路(23)共同组成；表面贴膜(2)、按键卡座(3)、导电橡胶按键(4)、按键电路板(22)组装成塑料仪器盒(1)的上表面；无线接口(5)、通用接口转接口(6)、键盘接口(7)、液晶显示接口(8)、电源处理模块(9)、JTAG接口(10)、RS232通讯接口电路(11)、由MSP430F149单片机及其外围电路构成的控制模块(15)、钮扣电池(16)焊接在主控制电路板(14)上，主控制电路板(14)用螺丝固定在塑料仪器盒(1)的内部，LCD液晶显示LCM067(12)卡在塑料仪器盒(1)的上部显示口与贴膜的透明部分对应，天线(17)、无线模块电路板(18)粘在塑料仪器盒(1)的上部，LCD液晶显示LCM067(12)的下面；无线模块电路板(18)、LCD液晶显示LCM067(12)、按键电路板(22)通过电缆与主控制电路板(14)的对应的接口相连；通用数字模拟信号采集口(13)与通用接口转接口(6)焊接，以接受外界数据；电源开关(20)、三节5号电池及电池座(21)安装在塑料仪器盒(1)的背部(见图1，2，3)。
便携式环境参数采集仪的主控制电路部分由单片机MSP430F149、时钟芯片PCF8556、数据存储器铁存储器FM25L256、LCD液晶显示LCM067、MAX3221扩展的RS232接口、线性电源NCP500SN33输出3.3V电压，升压开关电源芯片NCP1400ASN50T1提供5V电压、电平转换器件74LVC4248、多路开关CD74HC4051、模拟开关MAX4599、运算放大器OPA2348和为时钟芯片单独供电的钮扣电池共同组成；无线模块由芯片nRF401、增益天线、天线接口组成；MSP430F149及其内部的软件作为整个系统的控制核心，铁存储器与单片机的同步串口(SPI)1相接，RS232网络接口通过扩展芯片连接在MSP430F149异步串口(UART)1上，无线模块则接单片机的异步串口2，数字信号经过电平转换器件74LVC4245连到MSP430F149上，模拟信号经过多路开关CD74HC4051接到模拟开关MAX4599至运算放大器，最后接到单片机的A/D转换输入口，其他的芯片的控制通讯口都直接与MSP430F149相连。NCP500SN33和NCP1400ASN50T1为系统和外接传感器提供电源。(见图4)单片机选用德州仪器(TI)的超低功耗单片机MSP430F149，片内有60KFlash，有足够的编程空间，并且可以存储采集数据；有两个全双工的异步串行接口，串口1使用MAX3221扩展成RS232接口，实现与PC机的数据传输，串口2与无线模块相连，实现无线数据传输；有12位A/D转换器，可以对采集的模拟数据进行转换；单片机内部的比较器实现对电池电压的监控；其内部的捕获比较计时器可以实现对频率的测量。铁存储器FM25L256实现了高速的数据存储，功耗低，可擦写次数高达亿次。实时时钟PCF8563为系统提供了时间基准，可以跟据设置值采集数据定时存入数据存储器，同时也能唤醒单片机进行自动采集。74LVC4245用来对5V系统与3V系统之间电平装换，使数字采集接口可以同时处理3.3V和5V供电的传感器的数字信号。模拟信号经过多路开关CD74HC4051切换后进入由模拟开关MAX4599和运算放大器OPA2348来切换放大倍数，最后送入单片机的A/D转换输入口。通过通用数字接口和模拟接口接入不同的传感器，进行数据采集与转换。人机界面通过液晶LCM067、5×4快速按键来设置时间，程序调用，参数设置，采集数据显示，显示电源状况等。采用三节5号电池供电，通过线性电源NCP500SN33提供3.3V电压，升压开关电源芯片NCP1400ASN50T1提供5V电压。芯片选用3.3V供电的低功耗芯片，在不使用时可以关闭芯片进入低功耗模式，从而达到延长电池供电时间。
本实用新型的有益效果1.可以根据需要随时更换传感器，可以同时对多种环境参数进行测量。
2.可以接受处理数字信号，频率信号，标准模拟信号(电压信号0～5V，1～10V，电流信号4～20mA，0～10mA)。
3.采用RS232和无线模块来进行传输数据，无线模块传输距离可达300米，可以实现短距离远程控制。
4.单片机的Flash存储器和外扩铁存储器可以用来存储采集数据。
5.具有时钟唤醒功能和自动采集功能。
6.采用低功耗设计，具有电源监控功能，工作时间长。
图1是本实用新型的实物结构正视示意图。
图2是本实用新型的实物结构侧视示意图。
图3是无线模块示意图。
图4是本实用新型的系统组成结构示意图。
图5是本实用新型的原理图具体实施方式
便携式环境参数采集仪由塑料仪器盒(1)、表面贴膜(2)、按键卡座(3)、导电橡胶按键(4)、无线接口(5)、通用接口转接口(6)、键盘接口(7)、液晶显示接口(8)、电源处理模块(9)、JTAG接口(10)、RS232通讯接口电路(11)、LCD液晶显示LCM067(12)、通用数字模拟信号采集口(13)、主控制电路板(14)、由MSP430F149单片机及其外围电路构成的控制模块(15)、钮扣电池(16)、天线(17)、无线模块电路板(18)、电路板，仪器盒固定口及螺丝(19)、电源开关(20)、三节5号电池及电池座(21)、按键电路板(22)、无线模块核心电路(23)共同组成；表面贴膜(2)、按键卡座(3)、导电橡胶按键(4)、按键电路板(22)组装成塑料仪器盒(1)的上表面；无线接口(5)、通用接口转接口(6)、键盘接口(7)、液晶显示接口(8)、电源处理模块(9)、JTAG接口(10)、RS232通讯接口电路(11)、由MSP430F149单片机及其外围电路构成的控制模块(15)、钮扣电池(16)焊接在主控制电路板(14)上，主控制电路板(14)用螺丝固定在塑料仪器盒(1)的内部，LCD液晶显示LCM067(12)卡在塑料仪器盒(1)的上部显示口与贴膜的透明部分对应，天线(17)、无线模块电路板(18)粘在塑料仪器盒(1)的上部，LCD液晶显示LCM067(12)的下面；无线模块电路板(18)、LCD液晶显示LCM067(12)、按键电路板(22)通过电缆与主控制电路板(14)的对应的接口相连；通用数字模拟信号采集口(13)与通用接口转接口(6)焊接，以接受外界数据；电源开关(20)、三节5号电池及电池座(21)安装在塑料仪器盒(1)的背部(见图1，2，3)。
便携式环境参数采集仪的主控制电路部分由单片机MSP430F149、时钟芯片PCF8556、数据存储器铁存储器FM25L256、LCD液晶显示LCM067、MAX3221扩展的RS232接口、线性电源NCP500SN33输出3.3V电压，升压开关电源芯片NCP1400ASN50T1提供5V电压、电平转换器件74LVC4248、多路开关CD74HC4051、模拟开关MAX4599、运算放大器OPA2348和为时钟芯片单独供电的钮扣电池共同组成；无线模块由芯片nRF401、增益天线、天线接口组成；MSP430F149及其内部的软件作为整个系统的控制核心，铁存储器与单片机的同步串口(SPI)1相接，RS232网络接口通过扩展芯片连接在MSP430F149异步串口(UART)1上，无线模块则接单片机的异步串口2，数字信号经过电平转换器件74LVC4245连到MSP430F149上，模拟信号经过多路开关CD74HC4051接到模拟开关MAX4599至运算放大器，最后接到单片机的A/D转换输入口，其他的芯片的控制通讯口都直接与MSP430F149相连。NCP500SN33和NCP1400ASN50T1为系统和外接传感器提供电源。(见图4)单片机选用德州仪器(TI)的超低功耗单片机MSP430F149，片内有60KFlash，有足够的编程空间，并且可以存储采集数据；有两个全双工的异步串行接口，串口1使用MAX3221扩展成RS232接口，实现与PC机的数据传输，串口2与无线模块相连，实现无线数据传输；有12位A/D转换器，可以对采集的模拟数据进行转换；单片机内部的比较器实现对电池电压的监控；其内部的捕获比较计时器可以实现对频率的测量。铁存储器FM25L256实现了高速的数据存储，功耗低，可擦写次数高达亿次。实时时钟PCF8563为系统提供了时间基准，可以跟据设置值采集数据定时存入数据存储器，同时也能唤醒单片机进行自动采集。74LVC4245用来对5V系统与3V系统之间电平装换，使数字采集接口可以同时处理3.3V和5V供电的传感器的数字信号。模拟信号经过多路开关CD74HC4051切换后进入由模拟开关MAX4599和运算放大器OPA2348来切换放大倍数，最后送入单片机的A/D转换输入口。通过通用数字接口和模拟接口接入不同的传感器，进行数据采集与转换。人机界面通过液晶LCM067、5×4快速按键来设置时间，程序调用，参数设置，采集数据显示，显示电源状况等。采用三节5号电池供电，通过线性电源NCP500SN33提供3.3V电压，升压开关电源芯片NCP1400ASN50T1提供5V电压。芯片选用3.3V供电的低功耗芯片，在不使用时可以关闭芯片进入低功耗模式，从而达到延长电池供电时间。
采用三节5号电池经过电源处理模块(9)、电源开关(20)给系统供电，使MSP430F149上电复位，同时也为外接传感器供电。线性电源为系统及无线模块提供3.3V电源，升压开关电源为电平转换，和外界提供5V电压。
由LCD液晶显示LCM067(12)、导电橡胶按键(4)组成的人机界面。通过人机界面可以完成系统日期和时间、连接传感器参数、连接通道、采集模式、存储间隔等各种参数的设置。设置完成后采集的数据和系统时间可以在液晶上滚动显示。
无线模块接口是由MSP430F149控制无线收发芯片nRF401组成，通过无线收发芯片将系统打包后的数据经过一定的时序通过串口进行传输。
通过RS232口可以直接与PC机相连，通过上位机软件进行数据传输和分析。
通用数字模拟信号采集口(13)可以连接不同的传感器，对数字信号，频率信号，标准模拟信号进行采集。
由MSP430F149单片机及其外围电路构成的控制模块(15)，包括实时时钟电路、数据存储电路、电平转换电路、多路选择则，模拟开关电路、放大电路等。作为整个系统的控制核心，它控制各部分电路完成参数的设置、传感器数据的读取转换、时间和日期的读取判别、数据存储、有线，无线通讯等任务。
权利要求1.便携式环境参数采集仪，其特征是由由塑料仪器盒(1)、表面贴膜(2)、按键卡座(3)、导电橡胶按键(4)、无线接口(5)、通用接口转接口(6)、键盘接口(7)、液晶显示接口(8)、电源处理模块(9)、JTAG接口(10)、RS232通讯接口电路(11)、LCD液晶显示LCM067(12)、通用数字模拟信号采集口(13)、主控制电路板(14)、由MSP430F149单片机及其外围电路构成的控制模块(15)、钮扣电池(16)、天线(17)、无线模块电路板(18)、电路板，仪器盒固定口及螺丝(19)、电源开关(20)、三节5号电池及电池座(21)、按键电路板(22)、无线模块核心电路(23)共同组成；表面贴膜(2)、按键卡座(3)、导电橡胶按键(4)、按键电路板(22)组装成塑料仪器盒(1)的上表面；无线接口(5)、通用接口转接口(6)、键盘接口(7)、液晶显示接口(8)、电源处理模块(9)、JTAG接口(10)、RS232通讯接口电路(11)、由MSP430F149单片机及其外围电路构成的控制模块(15)、钮扣电池(16)焊接在主控制电路板(14)上，主控制电路板(14)用螺丝固定在塑料仪器盒(1)的内部，LCD液晶显示LCM067(12)卡在塑料仪器盒(1)的上部显示口与贴膜的透明部分对应，天线(17)、无线模块电路板(18)粘在塑料仪器盒(1)的上部，LCD液晶显示LCM067(12)的下面；无线模块电路板(18)、LCD液晶显示LCM067(12)、按键电路板(22)通过电缆与主控制电路板(14)的对应的接口相连；通用数字模拟信号采集口(13)与通用接口转接口(6)焊接，以接受外界数据；电源开关(20)、三节5号电池及电池座(21)安装在塑料仪器盒(1)的背部。
2.如权利要求1所述的便携式环境参数采集仪，其特征在于电路部分的主控制电路由单片机MSP430F149、时钟芯片PCF8563、数据存储器铁存储器FM25L256、LCD液晶显示LCM067、MAX3221扩展的RS232接口、输出3.3V电压的线性电源NCP500SN33、提供5V电压的升压开关电源芯片NCP1400ASN50T1、电平转换器件74LVC4248、多路开关CD74HC4051、模拟开关MAX4599、运算放大器OPA2348和为时钟芯片单独供电的钮扣电池共同组成；无线模块由芯片nRF401、增益天线、天线接口组成；MSP430F149及其内部的软件作为整个系统的控制核心，铁存储器与单片机的同步串口SPI 1相接，RS232网络接口通过扩展芯片连接在MSP430F149异步串口UART 1上，无线模块则接单片机的异步串口2，数字信号经过电平转换器件74LVC4245连到MSP430F149上，模拟信号经过多路开关CD74HC4051接到模拟开关MAX4599至运算放大器，最后接到单片机的A/D转换输入口，其他的芯片的控制通讯口都直接与MSP430F149相连，NCP500SN33和NCP1400ASN50T1为系统和外接传感器提供电源。
专利摘要本实用新型属测量仪器领域，便携式环境参数采集仪，包括有塑料仪器盒(1)、表面贴膜(2)、按键卡座(3)、导电橡胶按键(4)、无线接口(5)、通用接口转接口(6)、键盘接口(7)、液晶显示接口(8)、电源处理模块(9)、JTAG接口(10)、RS232通讯接口电路(11)、LCD液晶显示LCMO67(12)、通用数字模拟信号采集口(13)、主控制电路板(14)、由MSP43OF149单片机及其外围电路构成的控制模块(15)、钮扣电池(16)、天线(17)、无线模块电路板(18)、电路板，仪器盒固定口及螺丝(19)、电源开关(20)、三节5号电池及电池座(21)、按键电路板(22)、无线模块核心电路(23)共同组成，可用于多领域对传感器的数字信号、标准模拟信号、频率信号的采集测量与计算。
文档编号G01D21/02GK2775765SQ20042011583
公开日2006年4月26日 申请日期2004年11月30日 优先权日2004年11月30日
发明者王成, 赵春江, 乔晓军, 杨宝祝, 张馨, 焦春岩 申请人:北京农业信息技术研究中心