基于MSP430單片機的便攜式氣象儀設(shè)計

摘 要： 設(shè)計了一種低功耗便攜式氣象儀，該氣象檢測系統(tǒng)以低功耗MSP430單片機為主控，利用溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、風(fēng)速和風(fēng)向測量模塊，進行溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向的測量；通過時鐘芯片和12864液晶實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示；通過E2PROM進行數(shù)據(jù)的實時存儲和查詢。該氣象儀具有小型化、實時化、低功耗和便攜式等特點，測試結(jié)果表明該氣象儀的測量精度可達普通氣象測量要求，穩(wěn)定性好，特別適用于小區(qū)域的氣候監(jiān)測。

關(guān)鍵詞： MSP430單片機； 溫度傳感器； 濕度傳感器； 氣壓傳感器； 風(fēng)速風(fēng)向傳感器

中圖分類號： TN06?34； TH765 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0142?05

0 引 言

溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)的測量在日常生活、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、工業(yè)、林業(yè)、航海等領(lǐng)域中起著十分重要的作用，很多地區(qū)氣象參數(shù)的測量大多依靠當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報，可是，天氣預(yù)報地域范圍較廣，無法精確到小區(qū)域的氣候測量。而搭建氣象臺成本較高，性價比很低，因此設(shè)計一種小型化，便攜式的綜合氣象測量儀就顯得十分必要。針對上述問題本文設(shè)計了一種低功耗便攜式氣象儀，該氣象檢測系統(tǒng)可以有效地測量小區(qū)域的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)，精度可達到普通氣象測量要求，還有實時顯示、實時存儲、回溯查詢的功能，具有低功耗、小型化、便攜式、低成本的特點，適應(yīng)于各種小區(qū)域的氣象測量，具有一定的實用價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計和工作原理

如圖1所示，本氣象測量系統(tǒng)以低功耗單片機MSP430F149作為核心控制部件，加以溫度測量模塊、濕度測量模塊、氣壓測量模塊、風(fēng)速測量模塊、風(fēng)向測量模塊、時鐘模塊、以及E2PROM、液晶顯示和獨立按鍵等模塊組成。

利用各個傳感器將溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向轉(zhuǎn)化為電信號，通過單片機處理后得到測量數(shù)據(jù)，各個數(shù)據(jù)和時鐘芯片得到的時間信息一并在液晶上顯示，實現(xiàn)氣象參數(shù)的實時顯示。

2 硬件設(shè)計

2.1 MSP430簡介

2.2 溫度測量模塊

目前常用的溫度傳感器主要有模擬式和數(shù)字式兩種。模擬式的溫度傳感器主要有PT100，它精度高，性能穩(wěn)定[3]，工作溫度在-200～650 ℃之間，但是由PT100構(gòu)成的溫度測量電路十分復(fù)雜，功耗和成本較大，而且普通氣象測量對于溫度測量的精度要求并不是十分高，所以，本設(shè)計選用電路較為簡單的數(shù)字式溫度傳感器AD7416。

AD7416是一款多功能溫度傳感器，內(nèi)部采用10位逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，典型的溫度轉(zhuǎn)換時間為400 μs，分辨率可達0.25 ℃，測量范圍為-40～125 ℃，最低功耗可達1.2 μW，采用I2C總線進行數(shù)據(jù)傳輸，并且具有過溫保護和采樣放錯機制[4]。選用此傳感器不僅滿足精度要求，而且電路簡單，還可以達到低功耗的功能。溫度測量電路如圖2所示，串行總線地址的低3位A0，A1，A2均接地，其串行地址為48H；其數(shù)據(jù)引腳SDA和時鐘引腳SCL外接上拉電阻與單片機I/O口相連，通過I2C總線寫入控制字，控制其進行溫度測量。

2.3 濕度測量模塊

圖3 濕度測量電路

2.4 氣壓測量模塊

2.5 風(fēng)速測量模塊

2.6 風(fēng)向測量模塊

為了達到較好的測量效果，選擇增壓式光電編碼器CHA3806進行風(fēng)向的測量，增壓式光電編碼器一般輸出A，B，Z三路脈沖信號，Z信號主要用于同步或調(diào)零，A、B信號包含了被測對象的旋轉(zhuǎn)方向、旋轉(zhuǎn)速率等信息[8]，它的機械構(gòu)造相比而言是簡單的，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，有600分辨率的編碼盤，測量范圍在0°～360°，滿足測量要求。

光電編碼器的輸出A，B向脈沖接到單片機的I/O端口，固定選擇某一個光電編碼器位置朝向北，每轉(zhuǎn)過一個位置，A發(fā)出一個脈沖被單片機接收，此時單片機會判別B脈沖此時為高電平還是低電平。如果B是高電平，則此時光電編碼器為正轉(zhuǎn)，計數(shù)加1；否則光電編碼器編碼器反轉(zhuǎn)，計數(shù)減1，計數(shù)等于600時歸零，同樣的小于0的角度則從599開始減去，最終的計數(shù)值乘以0.6，這樣就測算出了風(fēng)向。為了直觀的看出風(fēng)向，按照風(fēng)向表示法，以0°為正北，每隔22.5°為一類，分別表示，北風(fēng)、北東北風(fēng)、東北風(fēng)、東東北風(fēng)、東風(fēng)、東東南風(fēng)、東南風(fēng)、南東風(fēng)、南風(fēng)、南西南風(fēng)、西南風(fēng)、西西南風(fēng)、西風(fēng)、西西北風(fēng)、西北風(fēng)、北西北風(fēng)，液晶顯示時風(fēng)的類型和偏轉(zhuǎn)角一同顯示。

2.7 人機接口模塊

鍵盤模塊：采用6個獨立按鍵，分別對應(yīng)觀測、查詢、儲存、自動測量、上、下6個功能。上、下鍵用于在查詢功能中看不同時期的測量值。液晶顯示模塊：采用低功耗12864液晶，3.3 V供電，打開背光時工作電流約10 mA，關(guān)閉背光工作電流小于1 mA。觀測時實時顯示當(dāng)前時間、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向；查詢時，現(xiàn)實記錄的測量值和測量時間；自動測量時，可由單片機控制，關(guān)閉背光，減少電能消耗，達到低功耗效果。

2.8 其他硬件模塊

E2PROM模塊：由于儲存數(shù)據(jù)較多，選用儲存空間較大，成本較低的AT24C256[10]儲存器。這種E2PROM具有32 KB容量，通過I2C總線與單片機相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲存與讀取。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件流程

系統(tǒng)初始化以后，各個傳感器開始采集數(shù)據(jù)、時鐘芯片開始計時、單片機開始處理數(shù)據(jù)、液晶開始實時顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)觸發(fā)不同的功能按鍵，系統(tǒng)進入按鍵中斷，執(zhí)行儲存、查詢數(shù)據(jù)等功能。

3.2 低功耗設(shè)計

MSP430單片機最大優(yōu)勢在于它的低功耗特性，本系統(tǒng)程序按照低功耗方式設(shè)計。除了必要的設(shè)備初始化以外，其余程序（鍵盤觸發(fā)、定時器、A/D轉(zhuǎn)換）均在中斷中完成。單片機大部分時間處于LPM1低功耗模式中，只有中斷被觸發(fā)時，才被喚醒，這一設(shè)計方案大大降低了系統(tǒng)功耗[11]。為了進一步降低功耗，當(dāng)不觀測測量數(shù)據(jù)時，可以使系統(tǒng)進入自動測量模式，單片機控制液晶，關(guān)閉其背光，減少功耗。

4 實驗結(jié)果對比與分析

從對比結(jié)果可以看出，本文設(shè)計的氣象儀和中央氣象臺發(fā)布的溫度、濕度、氣壓基本一致，風(fēng)向完全一樣，風(fēng)速差別略大，由于天氣預(yù)報范圍很廣，而本氣象儀測量的是小區(qū)域內(nèi)的氣候，所以測量值存在微小差異很正常，更可以說明在小范圍區(qū)域，本設(shè)計測量值更精確。而對比中風(fēng)速差異稍大，一是由于本氣象儀測量的范圍與天氣預(yù)報測量范圍差異造成的，二是由于風(fēng)速較低，小磁鋼所轉(zhuǎn)圈數(shù)較少，風(fēng)杯與支柱間的摩擦力等因素造成速度分辨率低，若風(fēng)速較大，則測量更精確些。總之，實驗對比表明本文設(shè)計的氣象儀精度達到普通氣象測量要求，穩(wěn)定性好，適用于小區(qū)域內(nèi)的氣候測量。

5 結(jié) 語

針對天氣預(yù)報范圍太廣，無法精確到小范圍區(qū)域；氣象臺成本太高；便攜式氣象儀匱乏的現(xiàn)狀，設(shè)計了基于MSP430低功耗單片機的便攜式氣象儀。該氣象儀集成了多種氣象傳感器，可系統(tǒng)地測量溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)，精確度達到了普通氣象參數(shù)的測量要求，具有數(shù)據(jù)儲存和回溯查詢的功能。同時功耗很低，可用電池供電，普通5 V鋰電池大約可以持續(xù)工作2天左右，攜帶方便，可適應(yīng)于各種小區(qū)域環(huán)境的氣侯預(yù)報，具有較強的實用性。

參 考 文 獻

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