基于MSP430单片机的便携式气象仪设计.docVIP

基于MSP430单片机的便携式气象仪设计 摘 要： 设计了一种低功耗便携式气象仪，该气象检测系统以低功耗MSP430单片机为主控，利用温度传感器、湿度传感器、气压传感器、风速和风向测量模块，进行温度、湿度、气压、风速、风向的测量；通过时钟芯片和12864液晶实现数据的实时显示；通过E2PROM进行数据的实时存储和查询。该气象仪具有小型化、实时化、低功耗和便携式等特点，测试结果表明该气象仪的测量精度可达普通气象测量要求，稳定性好，特别适用于小区域的气候监测。 关键词： MSP430单片机； 温度传感器； 湿度传感器； 气压传感器； 风速风向传感器 中图分类号： TN06?34； TH765 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）10?0142?05 0 引 言 温度、湿度、气压、风速、风向等气象参数的测量在日常生活、农业、渔业、工业、林业、航海等领域中起着十分重要的作用，很多地区气象参数的测量大多依靠当地天气预报，可是，天气预报地域范围较广，无法精确到小区域的气候测量。而搭建气象台成本较高，性价比很低，因此设计一种小型化，便携式的综合气象测量仪就显得十分必要。针对上述问题本文设计了一种低功耗便携式气象仪，该气象检测系统可以有效地测量小区域的温度、湿度、气压、风速、风向等气象参数，精度可达到普通气象测量要求，还有实时显示、实时存储、回溯查询的功能，具有低功耗、小型化、便携式、低成本的特点，适应于各种小区域的气象测量，具有一定的实用价值。 1 系统设计和工作原理 如图1所示，本气象测量系统以低功耗单片机MSP430F149作为核心控制部件，加以温度测量模块、湿度测量模块、气压测量模块、风速测量模块、风向测量模块、时钟模块、以及E2PROM、液晶显示和独立按键等模块组成。 利用各个传感器将温度、湿度、气压、风速、风向转化为电信号，通过单片机处理后得到测量数据，各个数据和时钟芯片得到的时间信息一并在液晶上显示，实现气象参数的实时显示。 2 硬件设计 2.1 MSP430简介 2.2 温度测量模块 目前常用的温度传感器主要有模拟式和数字式两种。模拟式的温度传感器主要有PT100，它精度高，性能稳定[3]，工作温度在-200～650 ℃之间，但是由PT100构成的温度测量电路十分复杂，功耗和成本较大，而且普通气象测量对于温度测量的精度要求并不是十分高，所以，本设计选用电路较为简单的数字式温度传感器AD7416。 AD7416是一款多功能温度传感器，内部采用10位逐次逼近型模/数转换器，典型的温度转换时间为400 μs，分辨率可达0.25 ℃，测量范围为-40～125 ℃，最低功耗可达1.2 μW，采用I2C总线进行数据传输，并且具有过温保护和采样放错机制[4]。选用此传感器不仅满足精度要求，而且电路简单，还可以达到低功耗的功能。温度测量电路如图2所示，串行总线地址的低3位A0，A1，A2均接地，其串行地址为48H；其数据引脚SDA和时钟引脚SCL外接上拉电阻与单片机I/O口相连，通过I2C总线写入控制字，控制其进行温度测量。 2.3 湿度测量模块 图3 湿度测量电路 2.4 气压测量模块 2.5 风速测量模块 2.6 风向测量模块 为了达到较好的测量效果，选择增压式光电编码器CHA3806进行风向的测量，增压式光电编码器一般输出A，B，Z三路脉冲信号，Z信号主要用于同步或调零，A、B信号包含了被测对象的旋转方向、旋转速率等信息[8]，它的机械构造相比而言是简单的，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，有600分辨率的编码盘，测量范围在0°～360°，满足测量要求。 光电编码器的输出A，B向脉冲接到单片机的I/O端口，固定选择某一个光电编码器位置朝向北，每转过一个位置，A发出一个脉冲被单片机接收，此时单片机会判别B脉冲此时为高电平还是低电平。如果B是高电平，则此时光电编码器为正转，计数加1；否则光电编码器编码器反转，计数减1，计数等于600时归零，同样的小于0的角度则从599开始减去，最终的计数值乘以0.6，这样就测算出了风向。为了直观的看出风向，按照风向表示法，以0°为正北，每隔22.5°为一类，分别表示，北风、北东北风、东北风、东东北风、东风、东东南风、东南风、南东风、南风、南西南风、西南风、西西南风、西风、西西北风、西北风、北西北风，液晶显示时风的类型和偏转角一同显示。 2.7 人机接口模块 键盘模块：采用6个独立按键，分别对应观测、查询、储存、自动测量、上、下6个功能。上、下键用于在查询功能中看不同时期的测量值。液晶显示模块：采用低功耗12864液晶，3.3 V供电，打开背光时工作电流约10 mA，关闭背光工作电流小于1 mA。观测时实时显示当前时间、温度、湿度、气压、风速、风向；查询时，现实记录