基于MSP430 單片機(jī)的便攜式氣象儀設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　溫度.濕度.氣壓.風(fēng)速.風(fēng)向等氣象參數(shù)的測(cè)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(cè)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(wú)法精確到小區(qū)域的氣候測(cè)量.而搭建氣象臺(tái)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(cè)量?jī)x就顯得十分必要.針對(duì)上述問(wèn)題本文設(shè)計(jì)了一種低功耗便攜式氣象儀，該氣象檢測(cè)系統(tǒng)可以有效地測(cè)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(cè)量要求，還有實(shí)時(shí)顯示.實(shí)時(shí)存儲(chǔ).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(cè)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(cè)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(cè)量模塊.濕度測(cè)量模塊.氣壓測(cè)量模塊.風(fēng)速測(cè)量模塊.風(fēng)向測(cè)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(hào)，通過(guò)單片機(jī)處理后得到測(cè)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(guò)E2PROM 和獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢--按下存儲(chǔ)鍵，儲(chǔ)存當(dāng)前的時(shí)間和數(shù)據(jù)；按下查詢鍵，查詢以前存儲(chǔ)的測(cè)量數(shù)據(jù).同時(shí)，還具有自動(dòng)測(cè)量的功能，自動(dòng)測(cè)量時(shí)，關(guān)閉液晶，測(cè)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(jiǎn)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6 μs,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(cè)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(cè)量電路十分復(fù)雜，功耗和成本較大，而且普通氣象測(cè)量對(duì)于溫度測(cè)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(jiǎn)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400 μs,分辨率可達(dá)0.25 ℃，測(cè)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(guò)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(jiǎn)單，還可以達(dá)到低功耗的功能.溫度測(cè)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(guò)I2C總線寫入控制字，控制其進(jìn)行溫度測(cè)量.

　　2.3 濕度測(cè)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(cè)量的濕度范圍為1%~100% RH,精度可達(dá)±2% RH,符合普通氣象測(cè)量的要求.當(dāng)相對(duì)濕度變化時(shí)HS1101的相對(duì)電容改變，相對(duì)電容大小的改變會(huì)導(dǎo)致充放電時(shí)間的變化，測(cè)量時(shí)僅需要根據(jù)充放電頻率即可計(jì)算出相對(duì)濕度.

　　濕度測(cè)量電路如圖3所示，相對(duì)濕度測(cè)量通過(guò)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(guò)R3,R4充電到門限電壓（約0.67 V），通過(guò)R4 放電到觸發(fā)電平，然后R4 通過(guò)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(cè)得方波頻率，根據(jù)HS1101的換算關(guān)系，轉(zhuǎn)換成濕度置.