1 智能微水儀監測儀的設計
傳感器是決定監測儀精度的關鍵元件。傳感器的選擇主要依據工作環境、測量精度、線性度、互換性、靈敏度、響應速度、穩定性、功耗、體積大小以及易于與mcu接口等。本監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，高精度的監測必須考慮傳感器的非線性、溫濕度影響、測量誤差及環境誤差等問題，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，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 智能微水儀監測儀的設計
監測儀主要由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
單片機系統是監測儀的核心，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，用中斷請求將系統從備用狀態喚醒僅需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，程序代碼由安全熔絲保護。
msp430f437不需加裝存儲器，片內自帶1k字節ram及在線可擦除編程32k字節主flash 256字節信息flash。片內flash模塊包含3個控制寄存器、時序發生器、擦除/編程電壓發生器及flash存儲器本身。其中主flash分為每段512字節的段0～63，信息flash分為每段128字節的段a、b。msp430f437存儲器可放大型數表，有高效的查表處理方法。本監測儀安排段0～23為程序代碼區、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、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用于環境參數測量；比較器a作電池欠壓監測；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。
本監測儀中，各環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境參數可連續采樣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。