多功能電子高原登山輔助儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

被稱(chēng)為“世界屋脊”的青藏高原擁有世界上無(wú)與倫比的自然景觀，這里有遠(yuǎn)近馳名藏式宮殿建筑布達(dá)拉宮，世界最高峰珠穆朗瑪峰，多少神山圣水，吸引了大量的國(guó)內(nèi)外游客到此國(guó)光旅游，這里可以說(shuō)是旅游者的天堂。到此登山的游客更是絡(luò)繹不絕，而西藏地處高原，海拔相對(duì)較高，紫外線強(qiáng)烈，氧氣濃度較低，氣候比較干燥，導(dǎo)致游客皮膚曬傷、因缺氧導(dǎo)致高原反應(yīng)等不利情況。而在登山過(guò)程中，也會(huì)發(fā)生因意外事件如手機(jī)相機(jī)在拍照時(shí)沒(méi)電，夜晚在野外缺乏照明設(shè)備等。綜上筆者設(shè)計(jì)了此款輔助儀器，它采用不同的傳感器對(duì)溫度、濕度、紫外線強(qiáng)度環(huán)境變量的實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)顯示屏顯示;及時(shí)提醒游客采取保護(hù)措施;本儀器開(kāi)發(fā)了外設(shè)充電模塊，采用太陽(yáng)能作為主充電。當(dāng)使用太陽(yáng)能充電不能滿足需求時(shí)，我們可以采用交流充電，如在野外陰天采用手搖發(fā)電，此充電方法簡(jiǎn)單快捷;能夠最大限度的解決野外供電問(wèn)題;本儀器還增添了USB應(yīng)急充電接口以及LED照明燈，可以在偏遠(yuǎn)或者緊急情況下照明使用;同時(shí)它還集成了GPS定位的功能，可以顯示出此儀器所在地的經(jīng)緯度，方便使用者了解自己的位置信息。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的硬件包括，凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機(jī)、穩(wěn)壓電路、過(guò)充過(guò)放保護(hù)電路。本文中主要利用由蓄電池給硬件部分提供電源，通過(guò)穩(wěn)壓電路提供單片機(jī)工作電壓，主控芯片控制LCD顯示和AD采樣，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.2 GPS Module定位原理

GPS定位的基本原理：根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖2所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)可以確定以下4個(gè)方程式：

[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+c(Vt1-Vt0)=d1

[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+c(Vt2-Vt0)=d2

[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+c(Vt3-Vt0)=d3

[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+c(Vt4-Vt0)=d4

上述4個(gè)方程式中待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)z、y、z和Vt0為未知參數(shù)，其中dt=cti(i=△1、2、3、4)。di(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。ti(i= △1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號(hào)到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。c為GPS信號(hào)的傳播速度(即光速)。

1.3 溫度/光線檢測(cè)傳感器電路

溫度/光線檢測(cè)模塊電路如圖3，電源電壓經(jīng)穩(wěn)壓管TL431穩(wěn)壓到2.5V，提供給由R8和熱敏電阻R9組成的分壓電路以及R10和光敏電阻R11組成的分壓電路，熱敏電阻R9分得的電壓通過(guò)TO輸出，光敏電阻R11分得的電壓通過(guò)LO輸出?？梢灾苯影裇PCE061A單片機(jī)ADC的任一通道與TO或LO連接，利用單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度和光線強(qiáng)度。

1.4 液晶顯示子函數(shù)軟件流程框圖

設(shè)備啟動(dòng)后，系統(tǒng)調(diào)用液晶驅(qū)動(dòng)函數(shù)，端口初始化后，執(zhí)行一個(gè)循環(huán)，判斷是否完成清屏，然后調(diào)用液晶顯示函數(shù)，并執(zhí)行另一個(gè)循環(huán)，判斷相應(yīng)的數(shù)據(jù)是否完全顯示，如

圖4所示。

1.5 GPS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序

2 整體測(cè)試結(jié)果

本項(xiàng)目順利完成，最終效果與設(shè)計(jì)要求誤差不大。圖5為實(shí)物顯示圖，圖中顯示出了從GPS模塊接收過(guò)來(lái)的時(shí)間和經(jīng)緯度信息，圖中時(shí)間和緯度后面都帶了一個(gè)A，這是一個(gè)標(biāo)志信息說(shuō)明GPS模塊接收到的信息是有效且正確的。圖5中后兩幅圖是液晶顯示屏顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度、濕度和紫外線強(qiáng)度，這組數(shù)據(jù)是在室內(nèi)測(cè)量的，我們用了相應(yīng)的溫濕度計(jì)和紫外線輻射計(jì)進(jìn)行對(duì)照，本儀器測(cè)量的和實(shí)測(cè)結(jié)果相差并不大。實(shí)物如圖6所示。

下表為儀器測(cè)量出的一些實(shí)際數(shù)據(jù)，由于液晶顯示屏效果較差我將顯示的數(shù)據(jù)分別列出，表中顯示的是在校園中實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)，它包括了藏語(yǔ)顯示和漢語(yǔ)顯示，至于所顯示出的經(jīng)緯度是在西藏大學(xué)校園內(nèi)實(shí)際測(cè)量出來(lái)的。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中運(yùn)用16位主控芯片結(jié)合傳感器模組、溫濕度傳感器、液晶顯示等制作了一個(gè)由可充電電池供電，并且便攜、人性化的多功能電子高原登山輔助儀。本文采用的16位控制芯片具有較高的執(zhí)行效率，功耗低，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)了智能化控制。通過(guò)對(duì)西藏地區(qū)實(shí)際情況的考察，結(jié)合游客和當(dāng)?shù)厥忻竦男枰驹O(shè)計(jì)不但解決了西藏地區(qū)的實(shí)際問(wèn)題，而且具有非常好的市場(chǎng)空間，完全可以在內(nèi)地諸多城市進(jìn)行推廣。