基于MSP430F149單片機的炮兵氣象儀設計

針對目前采用的簡易氣象綜合觀測儀，存在著實時性差、精度不夠、作業(yè)時間長以及不能直接計算射擊條件修正量和地面風修正量等諸多問題，本文提出基于MSP430F149單片機設計一種炮兵氣象儀，以滿足炮兵分隊射擊時的簡易氣象條件和火箭炮地面風修正的需要。

氣象儀的功能和基本工作原理

氣象儀的功能包括：①實時測定風向、風速、氣溫和氣壓等氣象條件，為炮兵射擊提供簡易氣象條件修正量；②實時測定火箭炮陣地的地面風向和風速，為火箭炮分隊提供地面風修正量。

炮兵氣象儀用于實現(xiàn)地面氣象條件風向、風速、氣溫、氣壓的自動測量和射擊條件修正量及火箭炮地面風修正量的自動計算。其基本工作原理是：將氣象儀與處理機通過數(shù)據(jù)線相連，通過升降桿將氣象儀升至要求的高度后，風的作用使風標指向風吹來的方向，磁方位傳感器即感應出風向磁方位角；風速葉輪隨風速以不同的轉速旋轉，每轉一圈即產(chǎn)生一個脈沖信號，通過單位時間內(nèi)計數(shù)即可計算出風速；氣溫、氣壓傳感器感應出當時的氣溫和氣壓。以上數(shù)據(jù)經(jīng)氣象儀數(shù)據(jù)處理后傳輸給處理機，處理機按要求以固定格式顯示。氣象儀組成如圖1所示。

圖1 氣象儀組成框圖

氣象儀硬件設計

氣象儀的任務是實現(xiàn)大氣壓力、溫度、風向和風速的實時測量，由壓力傳感器、溫度傳感器、風速傳感器、磁方位風向傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理電路、風標、連接座等組成，其基本設計思想是在滿足精度和使用環(huán)境要求的前提下，體積小、重量輕，便于野戰(zhàn)條件下使用。

傳感器的選型

（1）壓力、溫度傳感器

壓力和溫度傳感器采用帶預處理電路的模擬輸出傳感器，以簡化后續(xù)電路的設計。

壓力傳感器選用美國Honeywell公司的ASDX015絕壓傳感器。

溫度傳感器選用美國Dallas公司推出的基于單總線技術的數(shù)字溫度計芯片DS1820，便于調(diào)整傳感器的位置和方向，使其能有效感應外界溫度。

（2）風速傳感器

對于風速的測量，可以選用的傳感器種類很多。綜合比較后，選用葉輪式風速傳感器，利用霍爾效應測量風速。該方式與光電編碼相比更可以做到氣象儀整體小巧、結構緊湊，攜帶使用方便。

（3）風向傳感器

磁方位傳感器，也就是通常所說的電子羅盤，軍用、民用產(chǎn)品比較多。本文選用由平面電子羅盤XW3200和風標組成磁方位風向傳感器。

該傳感器通過兩軸磁阻傳感器測量平面地磁場，雙軸傾角補償，內(nèi)置微處理器計算傳感器與磁北夾角，兩軸磁阻傳感器的方向受風標的帶動，始終指向風吹來的方向，則其輸出的角度即為風向磁方位角。整個測量過程無需定向，操作簡便靈活。

電路設計

氣象儀的電路設計的任務是對風速傳感器輸出的脈沖序列進行單位時間計數(shù)，對壓力傳感器輸出的模擬信號進行A/D轉換，基于單總線技術讀溫度數(shù)據(jù)，接收風向磁方位傳感器通過RS-232S輸出的數(shù)據(jù)及與處理機互傳數(shù)據(jù)等。

主控芯片簡介

數(shù)據(jù)處理部分采用MSP430F149作為系統(tǒng)的主芯片，該芯片是美國TI公司推出的超低功耗微處理器。MSP430F149有60KB+256字節(jié)FLASH，2KB RAM，包括以下模塊：

①基本時鐘模塊：包括1個數(shù)控振蕩器(DCO)和2個晶體振蕩器。

②看門狗定時器Watchdog Timer，可用作通用定時器。

③帶3個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器Timer A。

④帶7個捕獲/比較寄存器和PWM輸出的16位定時器Timer B。

⑤2個具有中斷功能的8位并行端口：P1和P2。

⑥4個8位并行端口：P3、P4、P5和P6。

⑦模擬比較器Comparator A。

⑧12位A/D轉換器ADC 12。

⑨2個串行通信接口USART0與USART1。

電源電路設計

該氣象儀為電池供電系統(tǒng)，因此對系統(tǒng)的總體功耗有較高的要求，為了降低功耗，選用MSP430系列的單片機，該系列的單片機工作電壓為1.8V~3.6V，并且具有休眠功能，耗電電流在0.1µA~400µA之間，具有極低的功耗。

主控芯片MSP430單片機電源電壓為3.3V，外圍傳感器的工作電壓要求為5V，兩節(jié)7號充電電池電壓為2.4V，因此電源電路的設計采用升壓DC-DC芯片NCP1400ASN30T1和NCP1400ASN50T1，可將0.8V~3V的電壓升至3.3V和5V，分別為單片機和外圍器件供電，同時設計有電源關斷功能，當無需外圍器件工作時，將外圍器件的供電全部切斷，減少了整體功耗，電源電路原理見圖2。

圖2 電源電路原理圖

主控電路設計

主控電路可以分為溫度測量電路，壓力測量電路，風速測量電路，風向測量電路和通信電路等。

（1）溫度測量電路

溫度測量電路如圖3所示，測量時采用數(shù)字溫度傳感器DS1820，將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過主芯片MSP430F149的P6.5引腳傳送給主芯片。根據(jù)系統(tǒng)的需要和實際情況，采用外接電源供電方式，主芯片的P6.5腳用于DS1820的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。

圖3 溫度測量電路圖

（2）壓力測量電路

壓力測量電路如圖4所示。壓力的測量采用絕壓傳感器ASDX015，其采集模擬信號，并將模擬電壓傳入主芯片，通過主芯片的A/D轉換模塊將模擬信號轉化為數(shù)字信號，所以必須連接在主芯片具有A/D轉換功能的引腳上。MSP430F149的P6口具有8路A/D轉換通道，壓力傳感器連接于主芯片的P6.4引腳。在實現(xiàn)A/D轉換功能時，使用內(nèi)部參考電壓2.5V作為A/D轉換的電壓基準，但是壓力傳感器的輸出范圍為0～4V，所以在壓力傳感器的輸出端需設計有分壓電路。

圖4 壓力測量電路圖