基于MSP430單片機(jī)的便攜式氣象儀設(shè)計(jì)
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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(bào)，可是，天氣預(yù)報(bào)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(jià)比很低，因此設(shè)計(jì)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(jì)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(dá)到普通氣象測量要求，還有實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)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(diǎn)，適應(yīng)于各種小區(qū)域的氣象測量，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)鐘模塊、以及E2PROM、液晶顯示和獨(dú)立按鍵等模塊組成。
利用各個(gè)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(jī)處理后得到測量數(shù)據(jù)，各個(gè)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘芯片得到的時(shí)間信息一并在液晶上顯示，實(shí)現(xiàn)氣象參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。
通過E2PROM和獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和查詢——按下存儲鍵，儲存當(dāng)前的時(shí)間和數(shù)據(jù)；按下查詢鍵，查詢以前存儲的測量數(shù)據(jù)。同時(shí)，還具有自動(dòng)測量的功能，自動(dòng)測量時(shí)，關(guān)閉液晶，測得數(shù)據(jù)每小時(shí)存入E2PROM一次。
2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 MSP430簡介
MSP430是TI公司推出的一系列超低功耗微處理器。它的顯著特性是具有超低功耗，有5個(gè)低功耗模式可供選擇，喚醒時(shí)間很短，只需6μs，同時(shí)還擁有強(qiáng)大的處理力，集成度高，嵌入模塊豐富(12位A／D、16位定時(shí)器、FLASH等)，多用于智能儀表、智能家電、電池供電等便攜式設(shè)備中。本氣象儀采用MSP430系列的MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，不僅滿足了設(shè)計(jì)的要求，可以直接運(yùn)用內(nèi)部集成的12位A／D和16位定時(shí)器，減少外圍模塊，從而提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。同時(shí)還可使單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，有效地減少系統(tǒng)功耗，節(jié)約電能。
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，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(jì)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(shí)間為400μs，分辨率可達(dá)0．25℃，測量范圍為-40～125℃，最低功耗可達(dá)1．2 μW，采用I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且具有過溫保護(hù)和采樣放錯(cuò)機(jī)制。選用此傳感器不僅滿足精度要求，而且電路簡單，還可以達(dá)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(shí)鐘引腳SCL外接上拉電阻與單片機(jī)I／O口相連，通過I2C總線寫入控制字，控制其進(jìn)行溫度測量。
2．3 濕度測量模塊
濕度傳感器主要分為電容式和電阻式兩大類，目前應(yīng)用比較廣泛的是HS1101電容式濕度傳感器，它的穩(wěn)定性好、精度高、外帶防護(hù)罩、抗靜電、防灰塵、并可抵抗氯氣、氨水等，可測量的濕度范圍為1％～100％ RH，精度可達(dá)±2％RH，符合普通氣象測量的要求。當(dāng)相對濕度變化時(shí)HS1101的相對電容改變，相對電容大小的改變會導(dǎo)致充放電時(shí)間的變化，測量時(shí)僅需要根據(jù)充放電頻率即可計(jì)算出相對濕度。
濕度測量電路如圖3所示，相對濕度測量通過555多諧振蕩電路實(shí)現(xiàn)，HS1101作為電容變量接在TLC555芯片的2腳和5腳之間，管腳7用作電阻R5的短路，等量電容HS1101通過R3，R4充電到門限電壓(約0．67 V)，通過R4放電到觸發(fā)電平，然后R4通過7短路到地，傳感器由不同的電阻R5，R4充放電，形成充放電循環(huán)，形成方波。由單片機(jī)測得方波頻率，根據(jù)HS1101的換算關(guān)系，轉(zhuǎn)換成濕度置。
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